關鍵詞：5G，TIM, EMI ,EMC， ESD, 絕緣,透波，高導熱，國產高端新材料

導語：隨著電子設備功率密度的提高，電子器件的電磁兼容和散熱問題日趨嚴重，兼具雙功能特性的導熱吸波材料成為解決該問題的新趨勢。目前，該類材料主要的研發思路是在高分子基體中同時加入導熱填料和吸波劑以實現材料的導熱吸波雙功能。然而，橡膠等高分子材料中功能填料添加量存在最大限度，導熱填料與吸波劑添加量存在此消彼長的問題，難以實現兩種性能的協同提升。目前，尚無有效手段解決這一難題，只能通過協調兩種功能填料的添加比例，確定材料導熱和吸波性能的最優平衡點。

鑒于影響材料導熱性能和吸波性能的因素很多，且各因素之間相互影響，本領域學者通過研究填料組分之間的關系，綜合分析了粒徑、結構參數和成型工藝參數等因素對材料性能的影響，最終得到了對實際應用具有較高指導價值的組分調節機理和方法。經過十多年的發展，導熱吸波材料的制備技術取得了長足進步，但仍存在一些技術瓶頸沒有突破，制約著整個行業的發展。例如，缺乏材料微觀結構和功能單元模型、通用設計理論不能指導實際工業生產、尚無兼具導熱與吸波功能的單組分填料等問題都嚴重制約了導熱吸波材料基礎設計理論的發展。在導熱吸波材料的工業化生產過程中，材料導熱性能測試標準種類多，測試結果不具有對比性，而吸波性能目前存在兩種評價方法，其在評價指標、測試原理、測試方法和測試標準等方面存在較大差異，檢測結果無法橫向比較。綜上，目前導熱吸波材料的性能評價缺少統一規范的標準，嚴重制約了產品的推廣應用。同時，導熱吸波材料的主要功能指標還需要進一步提升，以滿足實際使用的需求。本文綜述了導熱吸波材料的研究歷程和最新研究進展，分析了導熱吸波材料研究中需要解決的問題，并展望了其未來的研究熱點和技術發展方向，旨在為制備高性能導熱吸波材料提供參考，提升行業技術水平，改善產品性能。

引言

隨著電子設備功率和集成度提升，系統內部的功率密度越來越高，在設備運行過程中產生大量廢熱。由于電子設備內空間狹小、空氣流通性差，廢熱難以向設備外部及時傳導/輻射，導致器件溫度上升，造成設備工作性能下降甚至燒毀。因此，在高功率芯片、CPU 處理器等位置需要考慮器件的散熱問題，通常采用導熱硅橡膠把多余的熱量傳導至外界低溫環境中，避免器件過熱，且表層熱量沿面方向擴散均勻，避免點熱源事故發生。

人們在通過導熱硅橡膠解決散熱問題的同時，發現電子設備的電磁污染、信息泄露等問題也變得越來越嚴重。在密閉環境中大量電子元器件在工作時會向外界發射電磁輻射，對周圍設備造成電磁干擾，需要在電子元器件表面貼合吸波材料來解決這一問題。而電子設備內部空間狹小，導熱硅橡膠已經占據了器件表面縫隙空間，無法疊加使用吸波材料。因此，導熱吸波材料已經成為解決電子設備高效散熱和電磁兼容問題最有效的手段。

正文

導熱吸波材料的研究歷程及進展

近年來，以半導體元件為代表的電子器件尺寸越來越小，發熱量不斷提高，同時伴隨而來的電磁干擾問題也越來越嚴重。使用導熱吸波材料可以有效降低電子零部件的工作溫度，同時減少或屏蔽其產生的電磁雜波。基于市場需求，行業內部總結出導熱吸波材料應具備的基本性能特征，如表1 所示。表1 導熱吸波材料的性能需求指標

1.1實驗探索階段導熱吸波材料整體研發思路大致相同，即向高分子基體中添加功能填料使材料具有導熱或吸波功能。吸波材料通常在基體中添加鐵氧體、羰基鐵、羥基鐵、羥基鎳、羥基鈷、導電聚苯胺、鈦酸鋇、石墨、碳纖維等吸波劑以獲得優異的吸波性能，但填料與基體的導熱系數普遍偏低。導熱材料目前多采用氧化鋁、氧化鎂、氮化鋁、氮化硅、氮化硼等絕緣填料，這些填料均不具備吸波功能。各研發單位通常在前期導熱材料、吸波材料的研究基礎上，通過在基體材料中混合加入傳統導熱填料和吸波劑，獲得兼具導熱、吸波功能的材料。然而，由于橡膠等基體材料中功能填料的加入總量存在上限，某種(導熱、吸波)填料添加量的提升必然造成另一種功能填料添加量的降低，使得導熱吸波材料的導熱性能與吸波性能存在此消彼長的矛盾，難以實現材料導熱性能和吸波性能的同步提升。目前導熱吸波材料的研發只能通過綜合協調兩種填料的添加比例來平衡材料的導熱、吸波兩種性能指標，無法滿足敏感電子器件對材料兼具電磁波吸收功能和高效熱傳導能力的要求。導熱吸波材料的研發方法較為簡單、常規，但制備出的導熱吸波材料難以實現高效熱傳導性能和強電磁波吸收的兼容。國內外學者從導熱、吸波單一功能材料的開發思路出發，尋找產生問題的原因，發現在材料微觀結構設計過程中，需要材料內的吸波成分充分分散、隔離，以提高吸波效果、拓寬頻率范圍，而要提高材料的導熱性能，要求材料內部高連續、低缺陷，形成熱通路網鏈結構，導致材料的導熱、吸波應用在結構方面存在設計矛盾，特別是導熱填料的加入還會影響吸波劑功能的發揮，不利于材料吸波性能的設計，增加了導熱吸波材料的開發難度和成本，延長了開發周期。同時，導熱吸波材料主要是由導熱填料、吸波劑以及橡膠高分子基體組成，當導熱劑和吸波劑的含量較高時，會帶來如材料的黏度增大、成型困難和成本提高等諸多問題，影響其在實際中的應用。

針對材料導熱和吸波性能的影響因素較多且不同因素之間存在交叉作用的情況，該領域學者通過研究功能填料組分、顆粒尺寸、結構參數以及成型工藝參數等多因素之間的影響關系，綜合分析各因素共同作用對材料性能的影響，試圖獲得具有實際指導價值的調控機制和方法。Zivkovic 等采用氮化硼(BN) 作為功能填料，利用 BN的高導熱特性以及電磁參數可調的優點，制備兼具導熱和吸波功能的環氧樹脂基材料，通過粉體直接添加、機械混合、高溫固化等工藝完成了環氧樹脂基導熱吸波材料的制備，并與現有成熟產品性能進行對比，最終制備出的材料的導熱系數和電磁參數如表2 所示。表2 負載不同BN含量的環氧樹脂熱導率和復介電常數

Zou 等以氧化鋁粉作為導熱劑，羰基鐵粉作為電磁波吸收劑，烯基硅油和含氫硅油為黏接劑制備導熱吸波硅橡膠，研究羰基鐵粉和氧化鋁粉的配比對硅橡膠硫化前黏度、硫化后導熱和吸波性能的影響，為導熱吸波材料的設計和應用提供參考。制備的導熱吸波材料的導熱系數為2Ｗ/(ｍ·K)，熱阻抗為 6℃·cm2/Ｗ，在5~15 GHz的頻率范圍內反射率小于-5db，樣品的顯微形貌圖片如圖1 所示。

圖1 (ａ)氧化鋁、(ｂ)羰基鐵、(ｃ)Ｗ-4 的掃描電鏡圖和(ｄ)Ｗ-4 的放大圖Wang 等開發出一系列導熱型電磁波吸收片，在不改變設備 PCB設計的基礎上，通過排除界面空氣、提升散熱效率來解決設備的過熱問題，同時通過吸波功能解決設備內部或設備之間的電磁干擾行為，具有操作簡便、效果顯著的特點(圖2)，驗證了導熱吸波材料的實際應用價值。

圖2 導熱吸波材料在屏蔽罩內的使用示意圖1.2 導熱吸波材料的工業級規模化制備基于以上技術基礎，國內相關企業也逐步研發出適用于規模化導熱吸波材料制備的技術。Ding等提出以丙烯酸樹脂作為基體材料，氧化鋁、氧化鋅作為導熱填料，采用鐵氧體和金屬顆粒作為吸波成分，通過混合壓制得到無硅導熱吸波材料。Lai等以固體硅橡膠為基體材料，加入不同成分的導熱、吸波粉體填料，按照配比將各組分混合均勻，通過模壓成型工藝制備出導熱吸波材料。由于導熱吸波材料在電子信息領域具有廣闊的應用市場，國內外主要的電磁防護材料生產單位均通過自主開發導熱吸波功能粉體、復配功能粉體等方式生產各類型的導熱吸波材料產品，如表3 所示。表3 近年來導熱吸波材料性能對比

國外生產企業在材料組分設計方面不僅對材料主要技術參數指標(導熱系數、電磁波衰減系數、密度等) 進行了評估，同時也考慮了具體使用環境的相關要求(耐高溫性能、揮發性能等)，進行了三元甚至四元復合功能填料配方設計，實現導熱吸波雙功能的兼容。在工藝技術途徑方面，可以歸納為：功能粉體制備→多類別粉體復配→粉體表面處理→基體高分子改性→組分正向設計→均勻化分散→固化成型→修正邊緣。圖3 為國外某型導熱吸波材料產品的掃描電子顯微鏡圖片，可以看出材料內部填充有大量球狀顆粒，通過物相分析證明其功能填料主要包括氧化鋅、氧化鋁、羰基鐵、鋁硅鐵合金。

圖3 導熱吸波材料的掃描電鏡照片基于國內外同行單位的研究基礎，筆者所在單位結合自身電磁防護主專業方向，探索高性能導熱吸波材料的制備技術，通過開展材料電磁特性和導熱性能調控、導熱吸波雙功能多組分功能粉體復配、橡膠基導熱吸波材料成型控制等多項研究，掌握了硅橡膠材料電磁波衰減特性與熱傳導功能兼容設計技術、復合功能填料分散可控方法等核心制備工藝，突破了制約導熱吸波材料性能提升的技術瓶頸，實現了材料導熱/吸波雙功能的調控，完成了橡膠基材料單一功能的開發到多功能集成的跨越，開發出完全自主知識產權的高性能導熱吸波材料，典型產品的電子顯微鏡圖片如圖4所示。

圖4 筆者所在單位研發的導熱吸波材料的SEM圖02現階段導熱吸波材料研究存在的問題經過十多年發展，導熱吸波材料已日益標準化、體系化，工業級的導熱吸波材料產品也已經定型批量生產，其性能穩步提升，已應用在軍民電子設備領域，這就需要人們進行深入思考：導熱吸波材料的生產制備技術已經有了迅猛突破，還存在哪些技術瓶頸沒有突破，制約著整個行業發展。筆者根據在行業內多年的從業經驗，認為導熱吸波材料還存在以下四個方面問題。2.1導熱吸波材料的微觀結構模型及設計理論尚未建立由于導熱吸波材料屬于工程應用材料領域，研究的重點一直以提高性能為主要目標，即直接采用不同種類、不同形態的功能粉體進行復配，通過調整添加量改善性能，并未從微觀層面出發對不同種填料間的相互作用機理進行深入研究。導熱吸波材料一般由基體高分子材料與多種功能填料復合而成，功能填料的成分、添加量、微觀形貌、分布狀態對材料電磁特性、熱傳導效能的影響規律還沒有相應的物理模型和指導理論。根據傳統的導熱增強相“海-島”結構模型以及電磁波吸收機理開展導熱吸波材料的組分設計，理論設計預期與實際測試結果之間存在較大誤差，理論不能有效指導實際生產。因此，材料微觀結構和功能單元模型的缺失、理論與工業化生產的脫節、多種功能填料復合使用指南空白等一系列應用理論的滯后，嚴重制約著導熱吸波材料基礎設計理論的發展。2.2導熱吸波材料的性能評價與測試標準尚未統一導熱吸波材料最重要的性能指標是導熱系數和吸波性能。而目前行業單位內對這兩個性能在評價指標、測試原理、測試方法以及測試標準方面都存在著較大差異，互相之間的測試數據相差很大，導致該類產品在研制、使用過程中無章可循，嚴重制約了該類產品的推廣應用，具體分析如下。2.2.1熱導率目前，行業內針對導熱吸波材料導熱系數的測試主要采用以下兩個測試標準：(1)美國標準 ASTM D5470《熱導性電絕緣材料熱傳輸特性標準試驗方法》；(2) 中國標準 GB/T22588-2008《閃光法測量熱擴散系數或導熱系數》。

圖5ASTMD5470 熱流法測試裝置的基本構造示意圖圖5為 ASTM D5470熱流法測試裝置的基本構造示意圖，測試原理是通過對樣品施加一定的熱流量、壓力來測試樣品的厚度和在熱板/冷板間的溫度差，從而得到樣品的導熱系數，這種測試方式更能模擬實際的使用狀態，接近實際使用場景。GB/T22588-2008 等同于美標 ASTM E1461《用閃光法確定固體熱擴散率試驗方法》，采用高強度的能量脈沖對小而薄的圓盤試樣進行短時間的輻照，熱擴散系數的值通過試樣的厚度和低溫表面溫度上升到某一值所需要的時間來計算，實際測得的數據是材料的熱擴散系數，其導熱系數計算公式為λ＝α·Cp·ρ（α為熱擴散系數，Cp為比熱容，ρ為體積密度）。在很多文獻中均提出 ASTM D5470 和 GB/T22588-2008 兩種測試方法的結果較為接近，認為兩種結果可以交叉使用對比。筆者認為兩種測試方法存在顯著差距，從測試方法可以看出，ASTM D5470 可以通過測試三個不同厚度的樣品的擬合曲線來消除界面熱阻因素，反映出使用狀態下的導熱系數，而 GB/T22588-2008 是一種激光閃射法，反映的是材料自身內部的熱傳導性，但沒有考慮界面接觸熱阻的影響。因此，不能簡單認為結果較為接近就混淆兩種測試標準。筆者通過長期的工作經驗，認為 ASTM D5470更為適合導熱吸波材料這種墊片類產品的導熱系數測試。2.2.2 吸波性能目前，衡量導熱吸波材料的電磁波吸收性能主要通過兩個指標：(1)反射率；(2)電磁波衰減系數。(1)反射率。按照 GJB 2039A-2011《雷達吸波材料反射率測試方法》直接對導熱吸波材料進行電磁波吸收性能的測試，該方法是國內對吸波材料性能進行評價使用最廣泛的一種方法，測試時電磁波信號由網絡分析儀通過一個天線發射，信號入射到待測樣品并被反射出去，反射后的信號被另一個天線接收并送至網絡分析儀。由于吸波材料的作用，發射功率和接收功率存在一定差值，這一差值轉化成 dB 為單位的數值就是樣品的反射率，測試系統如圖6 所示。

圖6 弓形法掃頻測量系統示意圖(２)電磁波衰減系數。電磁波衰減系數是一種理論屬性，并非用于指示一種物料在一個微波設備內的性能，而是根據損耗材料的復合介電常數和復合磁導率計算而得，是一種嚴格比較兩種吸收物料性能的方法。電磁波衰減系數可以直觀地體現出材料使用過程中對器件內部電磁雜波的衰減，相關研究學者及生產企業逐漸采用這一指標衡量材料的性能，但是目前國內外尚無針對該指標的測試標準，各單位根據各自硬件條件進行測試，具體方法如表4 所示。表4 電磁波衰減系數測試方法

筆者認為，由于反射率主要用于測量平板型材料的吸波性能，測試源與吸波材料的距離較遠，與導熱吸波材料的實際使用場景區別較大，測試結果更傾向于反映材料的吸波性能，不能準確地表征材料在器件內部對電磁雜波的衰減，因此，電磁波衰減系數更加適合評價導熱吸波材料的吸波性能。綜上所述，目前導熱吸波材料主要性能指標的測試標準還存在著種類繁多、標準各異的問題，在實際開發生產過程中還存在著很多由于行業規范性不強帶來的問題。由于缺乏統一化、專業化的導熱吸波材料性能測試方法與標準，各單位采用不同的測試方法獲得了差異顯著的結果，導致目前缺乏評判導熱吸波材料主要性能的統一標準，對后續裝備設計人員在導熱吸波材料的選型、使用和評價方面的指導性差，產品標準缺失、通用性不強，產品工藝及質量輸入要素不完善，制約行業的規范性發展。

2.2.3導熱吸波材料的功能粉體填料無重大突破導熱吸波材料的性能主要通過添加功能粉體來實現，材料的功能特性主要是由功能填料的性能決定。目前各單位生產的導熱吸波材料基本是將兩種以上單一功能粉體進行復配，實現雙功能的復合，但是高分子基體材料中功能填料最多添加 90％(質量分數)左右，單純采用高導熱陶瓷、磁性粉體進行復配已經接近于理論性能極限，難以進一步提升材料的導熱吸波功能。雖然已有開發出兼具導熱、吸波功能的粉體材料(如碳纖維、改性氮化鋁、炭黑等)的相關報道，但尚未見使用單一功能填料真正實現高分子基體材料導熱、吸波性能共同提升的報道，且由于這類新型粉體材料大多數均需要納米尺度的摻雜、修飾、改性，合成方法復雜、工藝重復性差，無法保證產品性能穩定，嚴重限制著這些新材料在導熱吸波領域的工業化應用。同時這類粉體材料與基體高分子混合時，兩者物質間界面相容性低，容易出現大面積宏觀偏析現象，極大地影響了填料性能的發揮。導熱吸波材料經過多年的開發，迫切需要新型可規模化制備的雙功能增強粉體，通過單一粉體實現材料電磁波吸收功能和熱傳導能力的同步提升，解決生產中需要進行復合填料的篩選以及成分配比調控等問題，為制備新型導熱吸波材料提供性能優異的功能粉體原料。2.2.4導熱吸波材料性能仍需進一步提高散熱和電磁兼容是直接決定電子器件工作性能和使用壽命的兩個重要因素，器件工作過程中產生的熱量如果無法及時傳導至外界環境，必然造成自身溫度的大幅度升高、工作穩定性下降甚至燒毀，而器件間的電磁干擾則會嚴重影響設備的正常工作。因此，在成本預算范圍內，電子設備在生產設計過程中通常會選擇性能盡可能高的導熱襯墊(熱導率通常大于 5Ｗ/(ｍ·K))和吸波貼片(工作頻段反射率小于-10 dB)。使用導熱吸波材料的主要目的就是改善設備內部電子器件的熱量堆積情況，同時減少或屏蔽其產生的電磁干擾，減小占用空間，提高內部結構緊湊性，如圖7 所示，但其主要指標與單一功能材料還有一定差距，而現有吸波材料的有效吸收范圍大多位于較高頻段內，要想實現在P/L/S 等波段的低厚度強吸收依舊存在一定困難，使用導熱吸波材料的輔助優勢還不足以彌補主要功能指標的差距，造成其使用領域受到一定局限。

圖7 導熱吸波材料使用示意圖03導熱吸波材料未來研究發展方向導熱吸波材料作為新型多功能電磁防護材料，經過十多年的不懈努力，已經取得了可喜的成果并且實現了工業化生產，目前導熱吸波材料的研究在國內受到較高關注，結合已取得的成果，未來該領域應著重開展以下幾個方面的研究。3.1 建立新型材料結構模型，實現雙功能一體化設計由于目前缺乏可以指導生產的導熱吸波材料功能單元體模型和相應的組分設計方法，未來在導熱吸波材料機理方面，可以選取成熟的單一功能粉體填料為基礎，建立復合粉體/高分子基體的功能單元體模型。揭示基于“功能粉體/高分子基體”結構的高導熱網鏈搭建機制，開展粉體分布對界面熱傳導性能的影響規律研究。同時，結合吸波劑的電磁波吸收原理，提取材料的介電常數和磁導率，分析材料內部高導熱網鏈結構對電磁波響應的影響規律，開展導熱網鏈分布參數與吸波劑微觀形態的協同設計，綜合調整材料內部的導熱網鏈分布參數和配套的吸波劑成分及微觀尺寸，從而實現導熱性能與吸波性能的同步提升。

3.2 建立專業性的測試標準，實現行業統一規范的評價體系鑒于導熱吸波材料的評價指標、測試原理、測試方法以及測試標準方面都存在著較大差異的現狀，未來行業內的科研、生產單位必將討論出臺關于導熱吸波材料性能測試方法與要求的統一標準，建立完整的標準評價體系，對該領域產品的研制、生產和性能評價標準進行必要的技術規范和引導，進一步促進該領域技術和產品的發展，以充分發揮“標準先行”的指導作用和對該領域技術發展的促進作用。3.3探索新型功能粉體制備技術，提高功能填料性能為了滿足高精尖電子設備對導熱吸波材料的性能要求，以鏈狀高分子材料(硅橡膠)為應用對象，開發真正意義上兼具導熱、吸波雙功能的粉體填料，突破原有性能指標上限，從根本上解決目前制約導熱吸波材料性能提升的瓶頸問題。目前新材料領域研究的熱點是石墨烯，作為二維sp2鍵雜化的單層碳原子晶體，其低維結構可顯著削減晶界處聲子的邊界散射，具有獨特的二維周期蜂窩狀點陣結構，結構單元中所存在的穩定碳六元環賦予其優異的熱性能，被認為是優秀的導熱材料。此外，通過對石墨烯粉體進行表面修飾（引入磁性粉體顆粒如鋇鐵氧體、鎳鋅鐵氧體等），進而將其添加在基底材料中改善材料整體的阻抗匹配特性，提升電磁波吸收性能，有望研發出新型石墨烯導熱吸波材料。未來相當長的時間內這也將成為導熱吸波材料領域的一個重要研究方向。3.4結合多學科研究成果，探索導熱吸波材料性能提升新思路隨著相關仿真技術的進步以及人工材料、智能材料及薄膜型吸波材料制備水平的提高，新型材料設計方法手段日趨成熟，實現了對材料電磁參數的主動設計，突破了傳統材料對電磁特性的局限，給材料性能設計及制備提供了新的自由度。以此為技術基礎，通過材料組分解決熱量傳輸要求，通過結構設計滿足對電磁波的高效吸收。這一方向結合了電磁場與微波、材料科學、微納加工等領域最新的研究成果，學科交叉性強、未來應用前景廣闊，已經逐步引起國內外學術界的關注，將成為導熱吸波材料領域的研究新熱點。

04結語與展望綜上所述，目前國內外在導熱吸波材料的研制方面已經開展了深入研究，取得了可喜的成果，也正是由于前期的迅猛發展，導熱吸波材料已經進入了一個發展的瓶頸期，性能進一步提升還需要解決很多關鍵問題。未來導熱吸波材料的研究趨勢主要有以下幾個方向：開展功能單元體模型模擬仿真及性能影響機理的研究，為實際生產制備提供理論指導，建立針對導熱吸波材料的指標參數和測試標準，實現行業統一規范的評價體系，將是導熱吸波材料行業規范發展的必經之路，研發新體系的導熱吸波功能粉體，開發真正意義上兼具導熱、吸波雙功能的粉體填料，以及利用新思路、新方法設計制備新型智能型導熱吸波材料。目前，與國外同類產品相比，國內導熱吸波材料性能還存在一定差距。該類材料主要用于高精尖電子設備研制、生產，且多數產品涉及國家安全，各國均嚴格限制高性能產品的出口，國內用戶單位需要在國際市場高價采購國外進口產品，隨時面臨技術封鎖和禁止出口的風險，因此有必要加大自主研發力度，突破研發制備過程中的關鍵技術難題，實現高性能導熱吸波材料國產化。

原文信息

賈琨, 王喆, 王蓬, 王東紅, 馬晨, 劉偉. 導熱吸波材料的研究進展及未來發展方向[J]. 材料導報, 2021, 35(9): 9133-9139.

https://doi.org/10.11896/cldb.20020002