前言導(dǎo)讀

5G時代，電子產(chǎn)品在集成化、小型化、精密化的方向取得前所未有的發(fā)展。在高功率密度的發(fā)展趨勢下，器件中產(chǎn)生的熱流密度越來越大，導(dǎo)致散熱問題越來越突出。如果這些熱量不能及時排出，將會對電子設(shè)備的運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響，也會威脅電子設(shè)備的使用壽命。在電子元件和散熱器之間引入具有高導(dǎo)熱性的復(fù)合材料對于解決這些散熱問題至關(guān)重要。熱界面材料(TIMs)是用于改善電子設(shè)備熱量傳遞的材料，TIMs主要是導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料。

填充型導(dǎo)熱聚合物是在通用聚合物中加入高熱導(dǎo)率粒子，通過一定方式復(fù)合而獲得，具有成本低、加工簡便、適合工業(yè)化生產(chǎn)的特點(diǎn)，是目前國內(nèi)外導(dǎo)熱聚合物的主要制備方法。

制備填充導(dǎo)熱聚合物的填料粒子有三類：金屬、無機(jī)粒子及碳材料。金屬碳粒子填充的導(dǎo)熱聚合物，主要用于對電絕緣性不做要求的傳熱及散熱場合，如石墨、鋁粒子/聚丙烯導(dǎo)熱塑料用于制造耐化學(xué)腐蝕的換熱器；絕緣導(dǎo)熱無機(jī)粒子填充的聚合物材料，主要應(yīng)用在電絕緣要求較高場合的散熱及導(dǎo)熱，如導(dǎo)熱覆銅板的導(dǎo)熱絕緣樹脂層、芯片封裝的導(dǎo)熱塑料、絕緣導(dǎo)熱聚合物膠黏劑等。 ?

本文主要闡述金屬粒子、碳材料、無機(jī)導(dǎo)熱粒子的基本性能及其在聚合物中的應(yīng)用，為正確選擇和使用導(dǎo)熱填料提供技術(shù)參考。

一、 金屬填料

工業(yè)使用的導(dǎo)熱金屬粒子主要有金、銀、銅、鋁、鋅、鎳等，金、銀價格昂貴，工業(yè)上很少使用，而銅、鋁、鋅等金屬粒子因熱導(dǎo)率高、價格適中而廣泛使用。下面分別介紹主要金屬粒子的化學(xué)、物理性能。?

（1）金粒子

金(Gold, Au)，原子序數(shù)為79，原子量為196.966，熔點(diǎn)為1064.43℃，沸點(diǎn)2808℃，汽化熱334.4kJ/mol，熔解熱12.55kJ/mol，電阻率2.4x10-8Ω·m，比熱容0.128J/(g·K)，熱導(dǎo)率為317W/(m·K)，CTE為14.2x10-6/K，莫氏硬度2.5。

金，難分解，具有良好的延展性、極高的傳熱性和導(dǎo)電性。純金具有良好的抗化學(xué)腐蝕性、極高的化學(xué)惰性,抗高溫氧化，是最好的電鍍材料。金易被磨成粉狀，是金在自然界中呈分散狀的原因，金粉填充聚合物能經(jīng)受長期的老化而熱導(dǎo)率不衰減，源自金粉的卓越抗氧化性，這是其他金屬如銅、鋁等所不具備的優(yōu)異性能。?

（2）銀粒子

銀(Silver, Ag)，原子序數(shù)為47，屬IB族金屬元素，是過渡性銀白色金屬，銀晶體的晶胞為面心立方晶胞，每個品胞含有4個金屬原子。銀原子量為107.8682，密度為10.53g/cm3，熔點(diǎn)為961.78℃，沸點(diǎn)為2213℃，熔解熱為11.30kJ/mol，反射率為91%，莫氏硬度為2.5。銀有很好柔韌性和延展性，延展性僅次于金，能壓成薄片，拉成細(xì)絲。銀是導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性最好的金屬，室溫?zé)釋?dǎo)率約為420W/(m·K)，電阻率為1.586x10-8Ω·m。

銀的高熱導(dǎo)率及在空氣中難氧化性使其成為最佳的導(dǎo)熱金屬粒子，但價格昂貴限制了工業(yè)應(yīng)用。但是，可以把金屬銀鍍到其他廉價粒子的表面，如銀包鋁粉、銅粉、聚合物等，形成一層薄殼，利用該核/殼結(jié)構(gòu)復(fù)合粒子最大程度發(fā)揮銀的高熱導(dǎo)率，降低用量和成本。銀粒子有近球形和片狀結(jié)構(gòu)，片狀銀粒子的實(shí)際使用效果更好。?

（3）銅粒子

銅(Copper, Cu)，原子序數(shù)為29，為過渡金屬，銅原子量為63.54，密度為8.92g/cm3，熔點(diǎn)為1083.4℃，沸點(diǎn)為2567℃，電離能為7.726 eV，莫氏硬度為3，電阻率約為1.75x10-8Ω·m，熱導(dǎo)率為397W/(m·K)。銅的電導(dǎo)率及熱導(dǎo)率僅次于銀，是工業(yè)中廣泛應(yīng)用的導(dǎo)電、導(dǎo)熱金屬。

純銅是柔軟的金屬，表面剛切開時為紅橙色帶金屬光澤，單質(zhì)呈紫紅色。延展性好，導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性高，因此在電纜和電氣、電子元件是最常用的材料。

銅的極高導(dǎo)熱性使其用作各種換熱設(shè)備如熱交換器、冷凝器、散熱器的關(guān)鍵材料。銅粉是制備高熱導(dǎo)率聚合物的最佳填料粒子，銅粒子有近球形和片狀粒子。要注意的是，在烘干銅粉時尤其注意使用溫度，防止銅粒子表面被氧化，降低銅粉的導(dǎo)電及導(dǎo)熱性能。?

（4）鋁粒子

鋁(Aluminium, Al)，銀白色輕金屬，質(zhì)軟，密度為2.7g/cm3，熔點(diǎn)為660.4℃，沸點(diǎn)為2467℃，不溶于水，溶于堿、鹽酸、硫酸。純鋁導(dǎo)熱性好，熱導(dǎo)率約為 270W/(m·K)，導(dǎo)電性很好，僅次于銀、銅。如果按單位質(zhì)量計，鋁的電導(dǎo)率則超過了銅，在遠(yuǎn)距離傳輸時經(jīng)常代替銅。

純鋁極易與空氣中氧氣反應(yīng)，生成一層致密氧化鋁薄膜覆蓋在鋁表面，氧化鋁薄膜能防止鋁被繼續(xù)氧化，但是表面氧化鋁絕緣層會降低鋁粉的電導(dǎo)率，所以填充高分子材料電導(dǎo)率較低，絕緣性較好，鋁-聚合物材料具有較高的熱導(dǎo)率和介電常數(shù)，低損耗。表層氧化鋁厚度對鋁的熱導(dǎo)率及電性能有影響。?

（5）鐵粒子

鐵（Iron, Fe)，原子序數(shù)為26，原子量為55.847，密度為7.9g/cm3，比熱容為0.46J/(g·k)，熔點(diǎn)為1535℃，沸點(diǎn)為2750℃，電離能為7.870eV，熱導(dǎo)率約61W/(m·K)，是最常見的第Ⅷ副族過渡金屬。

純鐵有銀白色金屬光澤，質(zhì)軟，延展性良好，傳導(dǎo)性(導(dǎo)電、導(dǎo)熱)好。鐵有多種同素異形體，如α鐵、β鐵、γ鐵、σ鐵等；鐵在潮濕空氣中容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，在氧氣中燃燒生成Fe3O4；鐵易溶于稀無機(jī)酸和濃鹽酸中，生成二價鐵鹽，放出氫氣；在常溫下遇濃硫酸或濃硝酸時表面生成一層氧化物保護(hù)膜，使鐵“鈍化”。鐵粉用來提高聚合物熱導(dǎo)率，有顆粒狀、片狀及纖維狀等形狀。?

（6）鋅粒子

鋅（Zinc, Zn)，是一種淺灰色ⅡB族過渡金屬，外觀呈現(xiàn)銀白色，是一種第四"常見"的有色金屬，僅次于鐵、鋁及銅。鋅的原子序數(shù)為30，相對原子質(zhì)量為65，密度為7.14g/cm3，熔點(diǎn)為 419.5℃，室溫性較脆；100~150℃時變軟，200℃后又變脆。

鋅的化學(xué)性質(zhì)活潑，常溫下，在空氣中表面易生成一層薄而致密的堿式碳酸鋅膜，阻止進(jìn)一步氧化；225℃后，鋅劇烈氧化，表面形成帶氧化鋅外殼的復(fù)合鋅粒子。鋅熱導(dǎo)率約為121W/(m·K)，是制備導(dǎo)熱聚合物的重要金屬填料，鋅-銅合金-黃銅的熱導(dǎo)率高達(dá)116W/(m·K)。?

（7）鎳粒子

鎳(Nickel, Ni)，原子序數(shù)為28，原子量為58.69，屬ⅧB族銀白色過渡金屬，密度為8.9g/cm3，熔點(diǎn)為1455℃，沸點(diǎn)為2730℃，電離能為7.635eV。

鎳質(zhì)地堅硬，有鐵磁性和良好的可塑性、延展性，導(dǎo)電、導(dǎo)熱。常溫下，鎳在潮濕空氣中表面形成致密氧化膜，阻止繼續(xù)被氧化，且具有耐堿、鹽溶液腐蝕。鎳在干燥空氣中不被氧化，高溫下氧化成NiO，控制氧化溫度和時間，可生成表面具有NiO的核殼結(jié)構(gòu)鎳粒子。簡單化合物中以+2價最穩(wěn)定。金屬鎳熱導(dǎo)率約為91W/(m·K)，鎳粉是制備磁性導(dǎo)熱聚合物的重要金屬填料。?

二、 無機(jī)粒子

無機(jī)導(dǎo)熱粒子，主要有氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、氮化硼、碳化硅、氧化鎂、氧化鋅等，這些粒子是導(dǎo)熱絕緣聚合物材料的主要填料。?

（1）氧化鋁

氧化鋁(Aluminum Oxide)，化學(xué)式Al2O3，有許多同質(zhì)異晶體，其中主要有3種晶型，即α-Al2O3、β-Al2O3、γ-Al2O3。其中結(jié)構(gòu)不同性質(zhì)也不同，在1300℃以上的高溫時幾乎完全轉(zhuǎn)化為 α-Al2O3。

α-Al2O3分子量為101.96，密度為3.9~4.0g/cm3，熔點(diǎn)為2054℃，沸點(diǎn)為2980℃，在高溫下可電離的離子晶體。Al2O3是白色無定形粉末，難溶于水，無臭、無味、質(zhì)硬，易吸潮而不潮解。Al2O3為兩性氧化物，能溶于無機(jī)酸和堿性溶液中。

α-Al2O3具有卓越電絕緣性能和較高導(dǎo)熱能力，熱導(dǎo)率為30~36W/(m·K)，體積電阻率約為1016Ω·cm，在電絕緣導(dǎo)熱粒子中價格相對較低，是用量最大的絕緣導(dǎo)熱粒子。不同純度等級的Al2O3使用在不同電絕緣性要求場合上，在耐高壓導(dǎo)熱聚合物電介質(zhì)中，采用高純度(99.995%) α-Al2O3。α-Al2O3粒徑有納米、亞微米和微米級，在導(dǎo)熱聚合物中以1~10um范圍使用最廣。

α-Al2O3大致有球形、片狀、纖維狀等形態(tài)，其中球形氧化鋁因高導(dǎo)熱系數(shù)和均勻球形結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于導(dǎo)熱復(fù)合材料。雖然氧化鋁的導(dǎo)熱率不高，但也基本能滿足“導(dǎo)熱界面材料、導(dǎo)熱工程塑料以及鋁基覆銅板等領(lǐng)域填充劑”的應(yīng)用。且氧化鋁價格較低，來源較廣，是高導(dǎo)熱絕緣聚合物的經(jīng)濟(jì)適用型填料。?

（2）氮化鋁

氮化鋁( Aluminum Nitride)，分子式為AIN，分子量為40.99，密度為3.235g/cm3，室溫禁帶寬度為6.42eV，屬直接躍遷型能帶結(jié)構(gòu)。AIN 是原子晶體，屬類金剛石氮化物，最高可穩(wěn)定到 2200℃，室溫強(qiáng)度高。

AIN具有優(yōu)良電絕緣和高導(dǎo)熱特性，常用作高功率集成電路基片和包裝材料，是一種具有廣泛應(yīng)用前途的高導(dǎo)熱填料粒子。AIN的熱導(dǎo)率(約為320W/(m·K))，是所有陶瓷中導(dǎo)熱率僅次于氧化鈹；低熱膨脹系數(shù)，CTE (4.5x10-6/K)與Si ((3.5~4)x10-6/K)匹配，因此常用作硅加工的襯底材料；較高的介電常數(shù)，約為8.8-8.9（純AlN），與Al2O3相近，但遠(yuǎn)低于SiC。

然而，如此優(yōu)越的導(dǎo)熱和介電性能的AIN實(shí)際上卻在工業(yè)導(dǎo)熱高分子材料制造上很少使用，在導(dǎo)熱聚合物工業(yè)應(yīng)用方面的前景并不樂觀，其理論傳熱效果與實(shí)際測試數(shù)據(jù)相差較大。原因有二：一是其價格高，限制了大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用；二是 AIN 粉末極易吸收水分和氧，一接觸到水分和氧就水解、氧化，影響熱導(dǎo)率、電絕緣性及其他物理性能，這是目前制約 AIN 粉末使用的一大技術(shù)難題。?

（3）氮化硅

氮化硅(Silicone Nitride)，化學(xué)式為Si3N4，分子量為140.28，為原子晶體，正八面體結(jié)構(gòu)，灰色、白色或灰白色六方晶系，有兩種變體，即α型六方密堆積結(jié)構(gòu)和β型似晶石結(jié)構(gòu)。Si3N4有雜質(zhì)或過量硅時呈灰色，密度為3.44g/cm3，硬度為9~9.5，熔點(diǎn)為1900℃(加壓下)，比熱容為0.71J/(g·K)，生成熱約為751.57kJ/mol，CTE為2.75x10-6/K(20~1000℃)。

氮化硅Si3N4，高絕緣，彈性模量為28.42~46.06GPa，Si3N4熱導(dǎo)率約為180W/(m·K)(受雜質(zhì)、結(jié)構(gòu)變化較大)，絕緣導(dǎo)熱性良好，不溶于水，在表面改性過程中不會發(fā)生AIN那樣的水解副反應(yīng)，是制備高導(dǎo)熱聚合物的首選填料，是使用量很大的高導(dǎo)熱填料。?

（4）氮化硼

氮化硼( Boron Nitride)，化學(xué)式為BN，分子量為24.81，理論密度為2.27g/cm3。BN是由氮原子和硼原子所構(gòu)成的晶體，具有4種不同變體：六方BN(H-BN)，菱方BN(R-BN)，立方BN(C-BN)和密排六方BN(W-BN/纖鋅礦BN)。H-BN較軟，稱為“白色石墨”；C-BN 硬度高,與金剛石相當(dāng)。

H-BN是陶瓷中最好的高溫絕緣材料，室溫電阻率為1014Ω·cm，2000℃時仍達(dá)103Ω·cm；H-BN具有高擊穿電壓，高溫?fù)舸╇妷簽?kV/mm；H-BN具有低介電損耗，108Hz時為2.5x10-4，介電常數(shù)為4，可透微波和紅外線。H-BN摩擦系數(shù)低至0.16，高溫下不增大。H-BN中由于B與N具有較大的電負(fù)性差異，使得其帶隙達(dá)5.5~6.0eV，可認(rèn)為是絕緣性能優(yōu)良的半導(dǎo)體。

H-BN是陶瓷材料中導(dǎo)熱性能最好材料之一，由于其晶體中不存在可自由移動的電子，H-BN的導(dǎo)熱主要依靠聲子振動進(jìn)行。H-BN的面內(nèi)原子間通過共價鍵連接，而面間則僅存在相對較弱的范德華力，因而具有各向異性的導(dǎo)熱性能，其面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于面間導(dǎo)熱系數(shù)。經(jīng)實(shí)驗測定，其面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)400Ｗ/(ｍ·Ｋ)，而面間導(dǎo)熱系數(shù)僅有30Ｗ/(ｍ·Ｋ)。?與氧化鋁填料相比，可將聚合物的導(dǎo)熱系數(shù)提高2至8倍。

H-BN由于其優(yōu)異的電絕緣性和高熱導(dǎo)率而成為提高聚合物導(dǎo)熱性能的優(yōu)良填料，在常用導(dǎo)熱絕緣無機(jī)粒子中，BN在寬頻范圍內(nèi)介電常數(shù)和介電損耗最小。

（5）碳化硅

碳化硅(Siicone Carbide)，化學(xué)式為SiC，分子量為40。碳化硅具有多種晶體結(jié)構(gòu)，最常見的是六方晶系的α-SiC和立方晶系的β-SiC。α-SiC以4H、6H等多種形式存在，而β-SiC則是3C結(jié)構(gòu)，常見于低溫條件下的生成。碳原子與硅原子通過共價鍵結(jié)合，形成非常強(qiáng)的鍵合能（約4.6 eV），賦予碳化硅極高的機(jī)械硬度和化學(xué)穩(wěn)定性。

SiC的密度為3.20~3.25g/cm3，顯微硬度為2840~3320kg/mm2，摩爾熱容為27.69~28.63J/mol·K，熔點(diǎn)為2200℃，2700℃升華分解，在室溫至1400℃之間的平均CTE為4.5x10-6/℃，熱導(dǎo)率約為270W/(m·K)。碳化硅的熱導(dǎo)率顯著高于硅和砷化鎵，尤其是在室溫至高溫范圍內(nèi)，這使其在需要高效散熱的電子器件中具有優(yōu)勢。

碳化硅是一種半導(dǎo)體材料，β-SiC能隙為2.86eV，電阻率為0.0015~103Ω·cm。α-SiC能隙為2.60eV，空溫介電常數(shù)為9.72，電阻率為10-2~106Ω·cm。β-SiC于2100℃以上時轉(zhuǎn)變?yōu)棣?SiC，和金剛石同屬一種晶型，較α-SiC有更高的硬度、韌性和導(dǎo)電性能。

SiC化學(xué)性能穩(wěn)定、CTE低，電阻溫度特性與金屬相反，耐磨性能好，莫氏硬度達(dá)9.2以上，高溫抗氧化，耐熱震、化學(xué)腐蝕、耐輻射。SiC粉末及晶須是制備導(dǎo)熱聚合物重要填料，少量SiC粉末賦予聚合物抗電暈性。?

（6）氧化鎂

氧化鎂(Magnesium Oxide，MgO)，為白色或淡黃色粉末;分子量為40.30，密度為3.58g/cm3，熔點(diǎn)為2852℃，沸點(diǎn)為3600℃，無臭、無味。MgO分輕質(zhì)和重質(zhì)兩種，有高度耐火和絕緣性能，1000℃以上高溫灼燒轉(zhuǎn)變?yōu)榫w，至1500℃以上成燒結(jié)MgO。單晶氧化鎂是指MgO含量在99.95%以上，具有極強(qiáng)耐高低溫(高溫為2500℃，低溫為-270℃)、抗腐蝕性、絕緣性和良好的導(dǎo)熱性和光學(xué)性能，是無色透明的晶體，CTE為13.8x10-6/℃(25℃)，導(dǎo)熱率約為40W/(m·K) (25℃)，比熱為0.88J/g℃，莫氏硬度為5.5。

（7）氧化鋅

氧化鋅(Zinc Oxide)，化學(xué)式為ZnO，分子量為81.37，別名鋅氧粉、鋅白、鋅白粉，為白色、淺黃色粉末或六方結(jié)晶，無氣味、味苦。

氧化鋅晶體有三種結(jié)構(gòu)：六邊纖鋅礦結(jié)構(gòu)、立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)和比較罕見的氯化鈉式八面體結(jié)構(gòu)。ZnO是一種半導(dǎo)體材料，室溫下禁帶寬度為3.3eV，屬直接躍遷型能帶結(jié)構(gòu)，高能帶隙使其具有擊穿電壓高。氧化鋅電子噪聲小、可承受功率高、抑煙、熱穩(wěn)定性和熱傳導(dǎo)性較好。晶體的對稱性質(zhì)使得纖鋅礦結(jié)構(gòu)具有壓電效應(yīng)和焦熱點(diǎn)效應(yīng)，閃鋅礦結(jié)構(gòu)具有壓電效應(yīng)。

ZnO的密度為5.606g/cm3，熔點(diǎn)為1975℃，沸點(diǎn)為2360℃。ZnO的熱穩(wěn)定性和熱傳導(dǎo)性較好，室溫?zé)釋?dǎo)率約為30W/(m·K)，而且沸點(diǎn)高，CTE低，約為6.5 x10-6/K。ZnO作為聚合物的導(dǎo)熱填料已經(jīng)獲工業(yè)應(yīng)用。?

三、碳材料

碳(Carbon)，是一種四價非金屬元素，以多種形式廣泛存在于大氣和地殼之中。碳同素異形體形態(tài)主要有石墨、金剛石、富勒烯、碳納米管、石墨炔、蠟石、碳纖維、碳?xì)饽z、碳納米泡沫、石墨烯等。常溫下單質(zhì)碳化學(xué)性質(zhì)不活潑，不溶于水、稀酸、稀堿和有機(jī)溶劑；高溫下與氧發(fā)生反應(yīng)生成CO2或CO。大多數(shù)單質(zhì)碳具有良好的導(dǎo)熱性，金剛石、碳管、石墨、石墨烯、碳纖維、石墨烯泡沫、石墨炔等是制備高導(dǎo)熱聚合物材料的理想填料，其中石墨烯是熱導(dǎo)率最高的材料(約為5300W/(m·K))。?

（1）金剛石

金剛石，是自然界中熱導(dǎo)率最高的物質(zhì)，常溫下熱導(dǎo)率(Type Ⅱ Diamond)可達(dá)2000 W/(mK)，熱膨脹系數(shù)約(0.86±0.1)*10-6/K，且室溫下絕緣。另外，金剛石還具有優(yōu)異的力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性質(zhì)，使其在高功率光電器件散熱問題上具有明顯優(yōu)勢。

金剛石是立方晶體，由碳原子通過共價鍵結(jié)合形成。金剛石中每一個碳原子與另外四個碳原子緊密鍵合，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。金剛石的許多極致屬性都是形成剛性結(jié)構(gòu)的sp3共價鍵強(qiáng)度和少量碳原子作用下的直接結(jié)果。

金剛石密度為3.515g/cm3，熔點(diǎn)超過3500℃。金剛石結(jié)構(gòu)中沒有自由電子，電絕緣性好，介電常數(shù)為16.5，體積電阻率為5x1014Ω·cm。金剛石導(dǎo)熱依靠在結(jié)構(gòu)完善品體中的晶格振動來傳遞，聲子散射作用小，熱導(dǎo)率遠(yuǎn)勝過其他金屬，是一種極為理想的絕緣高熱導(dǎo)率材料及導(dǎo)熱填料。極低含量納米金剛石可顯著提高聚合物的綜合性能。

（2）石墨

石墨(Graphite)，與金剛石、碳60、碳納米管、石墨烯等都是碳元素的單質(zhì)，它們互為同素異形體。石墨是原子晶體、金屬晶體和分子晶體之間的一種過渡型晶體。石墨晶體中同層碳原子間以sp2雜化形成共價鍵，每個碳原子與另外三個碳原子相聯(lián)，六個碳原子在同一平面上形成正六邊形的環(huán)，伸展形成片層結(jié)構(gòu)。在同一平面的碳原子還各剩下一個p軌道，它們互相重疊，形成離域π鍵電子在晶格中能自由移動，可以被激發(fā)，所以石墨有金屬光澤，能導(dǎo)電、傳熱。由于層與層間距離大，結(jié)合力（范德華力）小，各層可以滑動，所以石墨的密度比金剛石小，質(zhì)軟并有滑膩感。

石墨質(zhì)軟，硬度1~2，密度1.9~2.3g/cm3，比表面積為1~20m2/g，熔點(diǎn)為3850℃，沸點(diǎn)為4250℃，是最耐溫的礦物之一。CTE僅有銅和鋁的1/10~1/20，導(dǎo)電性比一般非金屬礦高100倍，石墨化程度越高，熱導(dǎo)率就越高，導(dǎo)熱性超過鋼、鐵、鉛等金屬材料。

石墨價格低廉，綜合性能良好，熱導(dǎo)率高，是制備導(dǎo)熱聚合物的一類重要碳材料。若將石墨片層最大剝離開來，降低石墨層厚度，理想情況是單一石墨片(石墨烯)層分布在聚合物中，則能最大程度地發(fā)揮其導(dǎo)熱及其他優(yōu)異功能。?

（3）炭黑

碳黑(Black Carbon)，又名炭黑，為煤、石油、生物質(zhì)等不完全燃料或熱解而成的黑色細(xì)小粉末狀物質(zhì)，主要成分是碳(90%~99%)，含少量氧(0.1%~8%)、氫(0.1%~0.7%)和硫(0~0.7%)等。碳黑是無定形碳，比表面積為10~3000m2/g，密度為1.8~2.1g/cm3。碳黑粒子近似球形，粒子尺寸為8~500nm，許多粒子聚結(jié)成三維鍵枝狀或纖維狀聚集體。

碳黑一次和二次結(jié)構(gòu)的總和稱為總結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)性，隨生產(chǎn)方式不同，其結(jié)構(gòu)性差別很大。一般將碳黑定性分為低結(jié)構(gòu)、正常結(jié)構(gòu)和高結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)性高低以吸油值DBP表示，DBP值越大，表面結(jié)構(gòu)性越高。

炭黑的比熱容通常在0.18-0.28J/g·K之間。這一范圍中的具體值取決于炭黑的結(jié)構(gòu)、形態(tài)以及制備方法等因素。比熱容的高低直接影響著炭黑在熱傳導(dǎo)過程中的性能表現(xiàn)。

炭黑的真正導(dǎo)熱系數(shù)還無法直接測定，據(jù)推測是接近石墨的導(dǎo)熱系數(shù)，大概在1-10W/m·K之間。

碳黑導(dǎo)電和導(dǎo)熱性，與其結(jié)構(gòu)(尤其是石墨微晶結(jié)構(gòu))表面性質(zhì)和粒徑密切相關(guān)。高結(jié)構(gòu)碳黑顆粒細(xì)，網(wǎng)狀鏈堆積緊密，比表面積大，碳黑粒子間接觸概率越大或粒子間間距越小，越有利于在聚合物中形成鏈?zhǔn)綄?dǎo)通結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電和導(dǎo)熱性越好。

在眾多碳黑品種中，乙炔碳黑的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性最佳。粒徑分布寬的碳黑粒子比分布窄粒子更能賦予聚合物導(dǎo)通性。?

（4）碳纖維

碳纖維(Carbon Fiber，CF)，指的是含碳量在90%以上的高強(qiáng)度高模量纖維。耐高溫居所有化纖之首。用腈綸和粘膠纖維做原料，經(jīng)高溫氧化碳化而成。是制造航天航空等高技術(shù)器材的優(yōu)良材料。

碳纖維是具有sp2鍵的石墨沿著平行于基面軸向生長而得到的一種長徑比很大的微晶石墨材料，其中碳含量高于99%的CF稱石墨纖維。CF力學(xué)性能優(yōu)異，密度不到鋼的1/4，軸向強(qiáng)度和模量高，無蠕變，耐疲勞性好，楊氏模量是玻璃纖維的3倍多。CF密度低，X射線透過性好，耐沖擊性較差，容易損傷，在有機(jī)溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性出類拔萃。

碳纖維導(dǎo)電、導(dǎo)熱特性好，高強(qiáng)CF熱導(dǎo)率為5~20W/(m·K)，高模CF熱導(dǎo)率為100W/(m·K)，CTE小。納米CF力學(xué)及物理性能更為優(yōu)越。短切CF可作為導(dǎo)熱粒子用于制備導(dǎo)熱聚合物，使用少量CF替代無機(jī)導(dǎo)熱粒子后可同時提高聚合物的熱導(dǎo)率及力學(xué)性能。CF的最大問題是表面光滑，和樹脂界面的黏合強(qiáng)度很低。因此，使用前需要采取一定手段對其表面進(jìn)行有效的改性處理。?

（5）碳納米管

碳納米管（Carbonnanotube，CNTs）是一種典型的一維納米材料，是晶形碳的一種同位素異形體，從結(jié)構(gòu)上為蜂巢狀的一維納米空心管，其中 C-C 原子以 sp2雜化構(gòu)成共價鍵。根據(jù)碳納米管的管壁數(shù)，可分為單壁碳納米管（SWCNT）和多壁碳納米管（MWCNT）。

CNTs為黑色無味粉末，熔點(diǎn)/熔化范圍為3652~3697℃，密度為2.1g/cm3，具有典型的層狀中空結(jié)構(gòu)特征。碳納米管重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有許多優(yōu)異的力學(xué)性能、導(dǎo)電性能和化學(xué)性能。具體而言，碳納米管的電導(dǎo)率高達(dá)108 S.m-1，是銅金屬的一萬倍；常溫下熱導(dǎo)率通常在3000 W.(m.K)-1以上，遠(yuǎn)超其它金屬材料；碳納米管密度僅為鋼的1/6，但抗拉強(qiáng)度卻是鋼的100倍，最高可達(dá)200 GPa；彈性模量達(dá)1.34 TPa，與金剛石相當(dāng)，是鋼的5倍。除此之外，碳納米管還具有彈性高、比表面積大、穩(wěn)定性好和抗疲勞性能等。

一維碳納米管的熱導(dǎo)率可達(dá) 3000~3500 W/(m·K)。CNTs沿著長度方向熱交換性能很高，相對其垂直方向的熱交換性能較低，通過合適取向，CNTs可以合成各向異性熱傳導(dǎo)材料。在復(fù)合材料中摻少量取向結(jié)構(gòu)的CNTs，熱導(dǎo)率明顯改善。?

（6）石墨烯

石墨烯(Graphene)，是單層碳原子結(jié)構(gòu)的二維材料，可看作是形成所有sp2雜化碳質(zhì)材料的基本單元，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。

理想石墨烯結(jié)構(gòu)是平面六邊形點(diǎn)陣，可看作是一層被剝離的石墨分子，每個碳原子均為sp2雜化，并貢獻(xiàn)剩余一個p軌道上的電子形成大π鍵，π電子可以自由移動，賦予石墨烯卓越的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性。

石墨烯目前是材料界里厚度最薄、強(qiáng)度最大、硬度最高、熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率最高的二維納米材料，熱導(dǎo)率為5300W/(m·K)，遠(yuǎn)高于CNTS和金剛石。

超高熱導(dǎo)率石墨烯是提高聚合物導(dǎo)熱性能的極佳材料，片狀結(jié)構(gòu)為聲子傳遞提供巨大通道，降低界面熱阻，極大地增強(qiáng)和增韌聚合物，提高其力學(xué)強(qiáng)度和韌性。?

四、新型導(dǎo)熱填料

除上述介紹的導(dǎo)熱粒子之外，還有一些無機(jī)導(dǎo)熱粒子如鈦酸鋇BaTiO3、二氧化鈰(CeO2)、Sr2ZnSi2O7、TiC、TiO2、AI(OH)3 等也用于制備導(dǎo)熱功能聚合物復(fù)合材料，如鈦酸鋇填充聚合物就具有高介電常數(shù)和導(dǎo)熱性能。

這些新型導(dǎo)熱粒子在提高聚合物導(dǎo)熱能力的同時還能賦予聚合物其他功能性，如高介電常數(shù)（k）、儲能、磁性及力學(xué)性能等。目前為止對這類新型填充的聚合物的研究相對很少，以后將會整理文獻(xiàn)資料，向大家介紹相關(guān)內(nèi)容。?

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