- 頭條學術綜述｜高導熱聚合物基復合材料研究進展2019-05-09 作者：杜伯學、孔曉曉等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語在闡述聚合物材料微觀導熱機理的基礎上，總結復合材料導熱性能的影響因素（尤其是復合材料的界面特性）。特別地，針對目前廣泛關注的微觀導熱結構設計的研究進展進行了重點描述。同時，綜述高導熱聚合物基復合材料的電氣性能研究狀況。最后，對未來應用于電子與電氣領域的高導熱聚合物復合材料的發展方向進行了展望。
天津大學智能電網教育部重點實驗室、江蘇亨通電力電纜有限公司的研究人員杜伯學、孔曉曉等，在2018年第14期《電工技術學報》上撰文指出，電子與電力設備的不斷集成化、小型化及大功率化帶來了越來越嚴重的發熱問題，實現高效的散熱成為提高設備性能和延長其使用壽命的重要手段。擁有優異的電氣、力學性能及低廉的價格而廣泛應用于各類電子與電力設備中的聚合物材料，則因此成為了未來高導熱材料的研究重點。
在闡述聚合物材料微觀導熱機理的基礎上，總結復合材料導熱性能的影響因素（尤其是復合材料的界面特性）。特別地，針對目前廣泛關注的微觀導熱結構設計的研究進展進行了重點描述。同時，綜述高導熱聚合物基復合材料的電氣性能研究狀況。最后，對未來應用于電子與電氣領域的高導熱聚合物復合材料的發展方向進行了展望。
當代電子與電力設備的集成化與大功率化使得設備尺寸、體積急劇縮小，功率密度不斷增大，尤其是當下我國特高壓交、直流系統的發展，由此帶來的散熱問題也越來越突出，已嚴重影響到設備的精度和使用壽命，成為設備持續縮小的技術瓶頸[1-6]。
近年來，國內外都出現了高壓電氣裝備絕緣過早擊穿現象，絕緣過早失效與電力設備的散熱情況密切相關，過高的運行溫度會加速絕緣材料的老化而縮短設備使用壽命[7-10]。越來越嚴重的散熱問題對新材料的性能、可靠性及制造技術提出了嚴峻的考驗。如何實現高效的散熱成為制約下一代電子與電力設備發展的重要因素之一。
目前，憑借優異的電氣絕緣性能、機械加工性能、輕質及低廉的價格而廣泛應用于電子封裝與電氣絕緣領域的聚合物材料卻往往具有很差的導熱性能（Thermal Conductivity, TC），大部分聚合物熱導率在0.1～0.5W/(m◆K)之間[11,12]，其已經遠遠不能滿足日益增長的散熱需求。因此，兼具高導熱與優異絕緣性能的聚合物復合電介質材料成為新材料研究發展的一個挑戰和熱點[13]。
引入高導熱填料制備聚合物基復合材料是目前廣泛認同的提高材料整體導熱性能的可行方法。導熱填料的種類、大小、含量、表面形態及分布狀態等均會對復合材料性能有明顯影響，這也因此得到了廣泛而深入的研究。新材料技術的發展及制備工藝的創新，對復合材料進行微觀結構設計為開發新型高導熱材料提供了思路。
本文在介紹聚合物材料微觀導熱機理的基礎上，綜述高導熱聚合物基復合材料的研究進展，其中包括聚合物材料基體、填充顆粒及影響因素的研究狀況。重點介紹目前廣泛關注的聚合物基復合材料微觀結構的設計方法。最后，總結復合材料的電氣性能研究進展并對其發展方向及挑戰進行了展望。
1 聚合物材料傳熱機理
宏觀上，熱量傳遞是由微觀粒子的運動引起的。不同微觀結構的材料導熱性能也有所不同[14]。分子間的相互碰撞是熱量在氣體及液體中傳導的主要方式，而固體材料中熱量的傳導并不是通過分子相互碰撞來實現，而是靠電子、聲子及光子等導熱載體實現，不同固體物質的主要導熱載體不同[6]。
金屬的導熱載體主要是自由電子，自由電子不受束縛可以通過相互碰撞來實現熱量的快速傳遞。而在無機非金屬和絕緣高分子材料中，自由電子很少，電子相互碰撞進行熱量傳導的機理不能用來解釋其內部的導熱過程，其內部熱量的傳導是由晶格的振動實現的。量子理論中，通過對晶格振動進行量子化處理后，引入聲子的概念來解釋非金屬晶體和絕緣高分子材料內的熱傳遞過程，即聲子的熱擴散運動。
材料的散熱能力與熱導率直接相關。物質熱導率的理論計算往往采用式（1）徳拜方程得出[14,15]。
（1）
由式（1）可以看出，聲子的平均自由行程是物質導熱能力的主要影響因素。無機非金屬晶體因內部規則的晶體結構而具有較高的聲子平均自由行程，熱導率往往很高。而大部分聚合物材料分子結晶度較低，形成的晶體結構無序且較少，非晶區的存在加之材料制備中的缺陷會導致嚴重的聲子散射，使得高分子聚合物材料內聲子熱擴散受到阻礙，自由行程變短，因此具有較低的導熱性能[16]。表1列舉了常見的聚合物材料在室溫下的熱導率。
表1 常見聚合物材料熱導率（室溫）
聚合物材料的微觀結構組成決定了其導熱性能的高低。大量非結晶區域的存在造成了導熱載體聲子的大量散射，因此可以采用特殊工藝在聚合物合成或加工成型過程中引入微觀有序的分子結構來提高聚合物材料的熱導率[17]。但該方法對于導熱能力的提升有限且過程復雜。
而通過引入高導熱微、納米填料來制備聚合物基復合材料，使得填料在基體內可以形成高效散熱的通路進而提高整個復合材料的熱導率，這為解決電子與電力設備中的散熱問題提供了新的思路。該方法憑借制備流程簡單，成本較小，適合于工業化生產而得到了廣泛應用和研究。本文主要研究該種填充型高導熱復合材料。
2 高導熱聚合物基復合材料研究現狀
2.1 常用聚合物絕緣材料基體
用于電子與電氣領域的聚合物絕緣材料自身必須具備優異的絕緣性能、化學穩定性、力學性能及易于加工成型。常用的材料主要有聚乙烯（PE），聚丙烯（PP），聚酰亞胺（PI），硅橡膠（SiR）及環氧樹脂（Epoxy）等。
對于熱塑性材料，其自身結晶度對復合體系導熱性能影響很大。相同高導熱顆粒填充情況下，結晶度高的聚合物擁有較高的熱導率，如PE的熱導率較PI，PMMA，PS等高；對于同種材料，低結晶度的LDPE基復合材料較HDPE基復合材料導熱性能差[18]。這是因為高度有序的分子鏈排列（即較高的結晶度）會降低聲子散射程度，從而使得熱量能夠迅速沿分子鏈平行方向傳導而具有較高的熱導率。
為了提高聚合物基體導熱性能，利用特殊工藝包括機械拉伸、剪切、凝膠紡絲等方法，對聚合物本身進行處理同樣可以提高材料導熱性能。此外，聚合物基體側鏈的存在同樣會影響材料的導熱性能。擁有較高結晶程度的PP熱導率卻很低，這是因為PP側鏈甲基的存在加劇了聲子的散射。
對于熱固性材料，樹脂的組成分子在微觀上形成類晶結構后，能夠提高材料微觀結構的有序性，減小聲子散射，從而在宏觀上實現整體導熱性能的提高。不同單體、固化劑制備的環氧樹脂的熱導率有明顯不同[17]。同時，類晶區域的含量、大小以及晶區的取向都對材料整體熱性能有顯著影響。日本日立公司（Hitachi）通過控制分子結構的合成，使該樹脂在微觀層面形成具有類似晶體的結構，可以使環氧樹脂的熱導率提高5倍[19]。
2.2 高導熱無機填料研究現狀
高導熱聚合物基復合材料的導熱性能的提高很大程度取決于填充顆粒的選擇。金屬顆粒、石墨類材料（如石墨烯，單壁/多壁碳納米管等）雖然具有很高的本征熱導率而廣泛應用于聚合物導熱性能的提高[14,20]。但這些填料往往在改變導熱性能的同時也改變了聚合物的電氣絕緣性能，如導致極高的電導率、較高的介電常數而不能應用于研究兼具高導熱、優異絕緣性能的聚合物基復合材料。
因此，絕緣領域更多關注的是具有極高本征熱導率且良好絕緣性能的無機顆粒。目前為止，包括氧化鋁、氮化鋁、氮化硼及其納米片、納米管在內的無機顆粒成為電子與電氣領域高導熱聚合物基復合材料研究的重點[6,9]。表2列舉了幾種常用的無機顆粒的導熱性能。
表2 常用高導熱無機填料的熱導率（室溫）
氧化鋁（Al2O3），具有較低的成本及較高電阻率而經常被選為填料使用[21]。雖然與其他顆粒相比，其本征熱導率較低，但仍得到了廣泛的研究與應用。文獻[22]綜述了作為導熱絕緣填料的氧化鋁的形態和表面處理及其在絕緣導熱聚合物復合材料中的應用。一般而言，對于較高熱導率的實現，氧化鋁的添加量較高，且提升效果有限。
氮化鋁（AlN），憑借其較高的導熱性能及優異的絕緣性能[23]，同樣也成為制備高導熱聚合物復合電介質材料的一種無機填料。研究表明，體積分數為70%的AlN/環氧樹脂復合體系熱導率達到了4W/(m◆K)，更多詳細的氮化鋁/聚合物基導熱復合材料最新研究進展可以在文獻[24]中找到，本文不再贅述。
氮化硼（BN），尤其是六方晶型氮化硼（h-BN），擁有類似于石墨的層狀結構，不僅熱導率較高，而且擁有優異的絕緣性能（介電常數約為4.0，電阻率約為1015◆?cm），是目前為止最理想的絕緣導熱填料。類似于石墨類材料的研究，近年來國內外學者對一維氮化硼納米管（BNNTs）和二維氮化硼納米片（BNNSs）的研究興趣不斷增加[25,26]。
類比于石墨烯，可以將微米氮化硼剝離到幾nm到幾十nm厚度從而制得BNNSs。圖1[25]分別給出了h-BN的層狀結構示意圖及BNNSs在透射電子顯微鏡下的照片（圖1c中左下角為電子衍射圖譜）。而BNNTs則類似于碳納米管（CNTs）。
研究表明，BNNTs具有理論上高達2 000W/(m◆K)的本征熱導率[27]，遠遠高于傳統無機顆粒。最重要的是，BNNSs與BNNTs擁有較高的禁帶寬度（大約5～6eV，1eV=1.60×10◆19J），這保證了其優異的絕緣性能?？梢灶A見，BNNSs與BNNTs將是未來導熱填料發展的熱點與方向。
圖1 BN的層狀結構
2.3 高導熱聚合物基復合材料導熱性能影響因素
聚合物基復合材料的導熱性能受到各種各樣因素的影響而呈現出不同的規律。填料的大小、形態、填充含量、在基體內的空間分布及取向均會對復合材料熱導率有顯著影響。復合材料導熱能力的提升關鍵在于基體內形成的導熱通路數目及穩定性。
當無機顆粒的添加量較少時，即使顆粒能夠均勻分散在基體中，但顆粒之間并沒有完全接觸，熱量傳遞時還需要通過熱導率較低的基體，此時整個體系的熱導率提高并不明顯；隨著無機顆粒的進一步添加，當填充量超過某一閾值（逾滲閾值）時，顆粒間有效接觸，在基體內部形成了網狀或者鏈狀的導熱通路，熱量可以沿著無機顆粒形成的導熱網迅速傳遞，此時復合體系的熱導率會迅速升高。針對不同的影響因素，國內外研究人員作了大量的研究與工作[6,9]，而本文重點描述復合材料內形成的界面特性。
高導熱顆粒與聚合物基體為兩種具有不同特性的材料，不同材料的添加往往會在填料與基體，填料與填料間形成界面。研究表明，熱流在通過界面時會受到阻礙，稱之為熱阻。熱阻主要受以下三種原因影響：不同物質間的接觸面積，不同物質的聲子譜圖的匹配程度以及兩者的結合程度[28]。其中不同物質間的有效接觸面積及結合程度決定的熱流阻礙效果的大小稱為接觸熱阻。
對于聚合物基復合材料，不同無機顆粒擁有與聚合物基體不同的表面態，當被引入聚合物基體時，基體與顆粒間的接觸不平滑，結合強度較低，易形成缺陷，從而導致該處聲子傳遞受阻。而聲子譜的不匹配導致聲子傳導通過界面時發生的散射則稱為界面熱阻（卡皮查熱阻），顆粒與基體的電子特性及振動特性的不同，使得即使接觸很平滑的界面間也會存在聲子散射。研究表明，通過表面處理改善填料與基體間的界面狀態，可以在一定程度上提高復合材料的整體散熱性能[29-33]。
硅烷偶聯劑是常用于表面處理的方法之一。不同硅烷偶聯劑對無機顆粒進行表面修飾可以有效地在無機顆粒表面引入不同基團，如環氧基，氨基等。引入的基團與聚合物基體間發生共價結合，使得無機顆粒與基體間有較為平滑的接觸界面，大大降低了界面接觸熱阻，從而提高復合材料的熱導率。需要注意的是，引入不同的基團對其熱導率的改善效果也不盡相同，這是因為不同基團對不同基體的結合程度不同[29]。
同樣地，對無機顆粒進行表面接枝，在其表面引入終端基團同樣可以起到相同的效果[30]。而用于改善界面卡皮查熱阻的方法相比改善接觸熱阻的方法較少，同時擁有高導熱，優異絕緣性能的無機顆粒，聲子譜很難做到匹配。但有研究表明，氧化石墨烯（GO）擁有與氮化硼相近的振動特性，可以用來改善相鄰BNNSs顆粒間界面熱阻，從而提高界面導熱性能[31]。
除對高導熱填料進行表面修飾提高界面相容性外。還可以通過在填料周圍包裹其他材料來提高整個復合體系的導熱性能。該種方法往往形成一個核殼結構，在內部的高導熱粒子特性與包裹層性質的同時影響下，使復合材料具有更加優異的物理化學性能。Zhou Y.等用PI包裹AlN顆粒制備具有核殼結構的粒子，其制備過程如圖2所示，制備得到該粒子填充到環氧樹脂中，在質量分數為40%時熱導率達到2.03W/(m◆K)，提高到將近10.6倍，介電損耗維持基本不變[32]，這得益于AlN的高導熱特性與PI對環氧樹脂的共價結合特性，使得復合材料擁有優異的綜合性能。
圖2 PI包裹AlN顆粒制備流程示意圖
改善了銀納米線與環氧之間的界面性能[33]。在AgNWs@SiO2體積分數僅為4%的條件下，導熱系數提高到1.03W/(m◆K)。更為重要的是，由于包裹層SiO2的絕緣性能，使得整個復合材料有望在電子封裝領域使用。圖3[33]給出了AgNWs@SiO2粒子的掃描電鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）圖。
圖3 AgNWs@SiO2的SEM照片
3 高導熱聚合物基復合材料微觀結構設計方法
復合材料導熱性能的提升取決于填料在基體內形成的導熱通路，使得熱量可以沿著導熱通路快速消散。常規的填充型高導熱聚合物基復合材料制備時，填料的分布是隨機的，必須在高含量下（逾滲閾值）方能有明顯的熱導率提升，然而這對于材料機械加工、電氣絕緣及其他性能會產生負面影響。如果能夠在材料制備過程中，有控制地實現顆粒的分布及網絡的形成，將會大大有利于高導熱聚合物材料的發展與應用。
目前，對聚合物基復合材料微觀結構的設計有望實現“有目的”的構建導熱通路，從而提高導熱效率。主要的微觀結構設計方法可以大體分為以下五種：導熱顆粒的取向，混合填充法，雙逾滲結構設計，夾層結構設計及自組裝3D導熱網絡構建。表3列舉了典型的高導熱聚合物基復合材料微觀結構設計方法。
3.1 高導熱顆粒的取向
諸如BNNTs、BNNSs等一維、二維高導熱填料往往具有各向異性的導熱性能，其在某一個方向上具有較高的熱導率。在要求導熱性能具有方向性的應用領域，可以通過填料的定向分布，使得在所需方向上復合材料擁有較高的熱導率。目前應用于高導熱聚合物材料內填料取向的方法主要有機械剪切、外加磁場及外加電場等方法。
表3 典型的聚合物基復合材料微觀結構設計方法
機械剪切法利用材料制備過程中振動剪切作用使得高導熱填料能沿剪切方向定向排列。一方面，這使得顆粒間容易接觸并形成導熱通道；另一方面，機械作用使得填料與基體可以更好的相互融合，從而整體提高復合材料沿剪切方向的熱導率。Kuang Z.等將BNNSs分別加入彈性體硅橡膠（SiR）與天然橡膠（NR）中，通過在雙輥機上對復合材料的振動剪切作用對BNNSs進行取向，結果表明，經過剪切取向的BNNSs/SiR復合材料和BNNSs/NR在相同BNNSs含量下沿剪切方向都具有較高的熱導率[35]。
對導熱顆粒進行一定處理使得其擁有特殊的物理性質，使得其在外施場作用下有取向性的方法同樣被廣泛研究用于聚合物基復合材料的制備中。Cho H. B.等采用化學氣相沉積法在BN粒子表面沉積氧化鐵納米粒子，然后再將其加入聚硅氧烷的過程中對其施加外磁場，誘導BN取向，結果發現平行于磁場方向的聚合物熱導率明顯高于其他方向，磁場取向示意圖如圖4所示[48]。
這表明，經過處理后的BN顆粒在磁場作用下會進行取向分布，顆粒在基體內不再是隨機的接觸組成導熱通路，而是有方向性的定向排列，大大提高了導熱通路形成的效率，從而提升材料導熱性能。同樣地，可以通過外施電場的作用使得顆粒沿電場方向分布，研究表明，電場取向同樣可以提升聚合物基復合材料的熱導率[39]。
圖4 利用磁場進行取向的示意圖
通過對高導熱顆粒的取向可以使復合材料在取向方向上具有較高的熱導率。但是該種方法在實際應用中存在一定的局限性：通過機械剪切作用制備復合材料時，如何保證剪切方向與設定高導熱的方向一致非常重要；對于外施場作用取向方法，制備過程中顆粒必須在基體中擁有一定的活動能力，即基體必須擁有流動性，因此該種方法較少應用于聚烯烴及橡膠類等聚合物基復合材料的制備。
3.2 混合填充
將不同種類、大小、形狀的導熱填料混雜填充能夠充分利用各組分材料的性質，從而得到更加優異性能的復合材料。混合填充不僅有利于粒子間配合形成更多的導熱通路，而且有望減少整體的顆粒填充量。
不同粒徑顆粒的混合填充體系利用填料不同大小尺寸的相互配合，增加導熱顆粒間相互接觸的幾率。Du B. X.等分別將微米、微納米混合BN填充到聚乙烯基體內，發現相同總體含量下混合填充較微米填充有較好的導熱性能，這是因為復合材料內微米材料可以作為導熱網絡主結構而納米材料填補微米間的空隙，從而增加導熱鏈的形成[49]。
不同形狀及不同類型的顆粒之間的混合填充則充分發揮了各組分的協同作用，綜合調控復合材料的各項性能。研究發現，使用體積分數為30%的BN與1%的多壁碳納米管（MWCNT）填充環氧樹脂，復合材料的熱導率能提高近743%[50]。Su J.等將一維BNNTs與二維BNNSs填料混合加入環氧樹脂體內，使得該復合絕緣材料不僅具有更高的導熱性能，同時具有良好的電絕緣性能42]。
在質量分數為2%的條件下，環氧樹脂的熱導率就提高了將近2.5倍，這使得低含量下提高聚合物基復合材料的熱導率成為可能。其原理可以由圖5[42]解釋，BNNSs的分布沿平面方向，使得一個方向上導熱性能較好，但垂直于面內方向相互之間導熱連接性較差，而BNNTs的加入可以縱向上對其網絡進行連接，從而提高網絡形成的效率，進而提高整體材料熱導率。
圖5 BNNTs/BNNSs網絡示意圖
混合填充體系的引入，使得不同種類、大小及作用的顆粒可以協同作用，綜合提高復合材料性能。但是，如何選擇合適的混合體系需要經過不斷的積累與嘗試，多種顆粒的混合及協同作用機理還需要進一步的研究與探索。
3.3 雙逾滲結構設計
雙逾滲結構最早應用于導電材料的設計中，用來降低整體填充顆粒的含量。應用于高導熱復合材料的雙逾滲結構設計的思路基本與導電材料設計相符：將填料引入到兩種不同聚合物的共混物中，通過制備工藝使得粒子有選擇性的分布于其中一種聚合物中，從而實現在低含量下的高性能材料的實現。
Zhang D. L.等嘗試將BNNSs加入了苯乙烯嵌段共聚物（SEBS）/聚丙烯（PP）共混物中制得了SEBS/PP/BNNSs三相雙逾滲納米復合材料，從而在復合材料內構建了導熱網絡[43]。三相雙逾滲納米復合材料的制備流程如圖6[43]所示。BNNSs有選擇性的分布于SEBS中，而PP基體作為連續相。結果發現復合材料的直流擊穿強度及空間電荷抑制效果都有明顯提升。
此外，導熱性能由0.42W/(m◆K)提高到了1.38W/(m◆K)。類似的研究同樣發現，通過控制MNCNTs與碳化硅（SiC）粒子有選擇的分布于聚偏氟乙烯（PVDF）中，可以使得PVDF/PS復合材料擁有了較高的熱導率及電阻率[51]。
圖6 三相雙逾滲納米復合材料制備過程
得益于雙逾滲結構的形成，高導熱粒子可以選擇性的分布于共混物的一相中，在提高熱導率的同時有效地較低了顆粒填充含量。合適的共混體系有望應用于電子與電氣領域的材料制備中。
3.4 夾層結構設計
考慮到微米顆粒對于導熱性能的貢獻，納米顆粒對電氣性能的提高，一種創新的導熱夾層結構為實現兼具高導熱與電氣絕緣提供了可能。最近，Wang Z.等設計了一種夾層結構的環氧復合材料，將體積分數為3%的納米氧化鋁填充的環氧夾在兩層微米（質量分數為70%）填充環氧樹脂中間，制得的復合材料擁有良好的導熱性能及電氣性能[45]。
其原理主要是，微米填充層提高材料的熱導率而納米層用來提高材料的電氣絕緣強度。其材料結構示意圖及SEM照片如圖7[45]所示。該結構在一定程度上有利于聚合物復合電介質導熱性能的提高，但結構的優化設計，如微米層厚度的選擇等，還需要進一步的研究。
圖7 夾層結構環氧樹脂復合材料
此外，在夾層結構的設計中，微米層與納米層之間不可避免地會引入界面，熱流從一側微米層如何有效經過導熱效率較低的納米層傳導到另一側微米層，其微觀導熱機理還需要進一步研究。
3.5 自組裝3D導熱網絡的構建
聚合物基復合材料導熱性能的提高關鍵在于材料內部導熱通路及網絡的形成。通過制備過程中外力及場作用的顆粒取向，混合填充的協同作用，甚至雙逾滲結構的設計往往還是無法實現高效率的“人為控制”導熱通道形成。為了實現整個材料各個方向上導熱性能的提高及填充含量的降低，可以在材料制備前對導熱網絡進行構建，將導熱網絡及聚合物基體進行組裝從而實現整體材料導熱性能的提高。
Zeng X.等采用了一種Ice-Templated的組裝方法在環氧樹脂基體內形成了3D-BNNSs網絡來提升整體復合材料的導熱性能[46]。該方法首先利用各向異性的冰凍成型法形成3D-BNNSs氣凝膠，然后對其進行環氧浸漬成型。SEM照片顯示復合材料內部形成規則的樹形或蜂窩狀分層結構，表明材料內部已經形成了導熱通路，BNNSs網絡間更小的界面熱阻提高了傳熱效率。測量結果顯示，在BNNSs體積分數不超過10%的情況下，熱導率就可以提高近14倍。與此同時，材料具有較低的熱膨脹系數和提高的玻璃化轉換溫度。
同樣地，采用溶膠凝膠法及冰凍成型法制備的以纖維為骨架，BNNSs為導熱填料的3D-BNNSs氣凝膠，在用環氧樹脂澆注固化后的復合材料具有超高的導熱性能[47]。在BNNSs體積分數僅為9.6%時,熱導率可以達到3.13W/(m◆K)。此外，復合體系還具有良好的絕緣性能，這對于高導熱聚合物材料在電子、電力領域來說是非常重要的。
自組裝高導熱復合材料的制備可以實現材料內部導熱網絡的設計及構建，是提高材料導熱性能的一種有效的方法，但目前該種方法制備過程復雜，難度較大，簡便的制備方法還需進一步探索。
4 高導熱聚合物復合電介質電氣性能研究現狀
目前，針對高導熱聚合物基復合材料的研究大多集中在材料和化學領域。然而應用于電子封裝、電氣設備領域的聚合物復合電介質首先需要保證的是良好的電氣絕緣性能。為此應用于該領域的高導熱聚合物基復合材料的電學性能也受到了越來越多的關注。
傳統高導熱填料的引入往往對聚合物材料本身的結構產生影響。填料與基體間一般具有不同的物理化學性質，使得復合材料具有與基體不同的電氣性能。無機填料一般有高于聚合物的介電常數及低于聚合物的電阻率，這將導致應用于電子與電氣領域的復合材料內部場強分布的不均勻及介電強度的改變。此外，大量的無機顆粒的引入（尤其是微米顆粒的引入）可能會帶來微觀結構上的缺陷。這都是未來高導熱聚合物基復合材料制備研究需要考慮的。
值得注意的是，近年發展迅速的聚合物基復合材料微觀結構設計似乎可以有效解決上述矛盾。Su J.等采用BNNTs與BNNSs混合填充的高導熱環氧樹脂復合材料電阻率有明顯的提升如圖8所示[42]。文獻[43]中制備的三相雙逾滲納米復合材料直流擊穿強度及空間電荷抑制效果都有明顯提升，成功地解決了高導熱與高電絕緣性能材料的制備。
同樣地，夾層結構的環氧樹脂在外層微米質量分數為70%和內層納米質量分數為3%的情況下，電氣擊穿強度較純環氧樹脂提高了6.3%[45]。越來越多的研究結果表明，兼具高導熱及優異絕緣性能的聚合物復合電介質的制備可以通過設計其微觀結構來實現，這也為今后的研究方向提供了思路。
圖8 BNNTs/BNNSs/環氧復合體系電阻率變化
此外，考慮到固體絕緣材料在經受表面放電時會產生大量的熱，熱量的積累會加速材料老化、破壞，而高導熱聚合物復合電介質的制備有望增強絕緣材料的耐電痕特性。Du B. X.等對此進行了一系列的深入研究，結果發現，聚合物材料導熱性能的提高有利于材料表面散熱，提高了材料的耐電痕破壞能力[52-54]。
結論
本文從高導熱聚合物復合電介質的微觀傳熱機理入手，對復合電介質基體、填充顆粒及影響因素展開綜述，著重介紹了高導熱聚合物復合電介質的微觀結構設計。最后，對其電氣性能研究現狀進行了總結。
聚合物材料的熱傳導主要是通過聲子進行，而聚合物材料的微觀無序則會造成聲子散射而導致其具有較低熱導率。引入高導熱無機顆粒可以有效提高聚合物材料的熱導率，復合體系的導熱性能不僅與材料基體結構有關，還受到填料類型、大小、形狀、填充含量、在基體內的空間分布及界面特性等因素的影響。
聚合物基復合體系熱導率的提升主要是在材料內部構建高效的熱傳導網絡，因此，通過對復合材料微觀結構的設計可以實現材料導熱性能的顯著提高，與此同時，對復合體系電氣性能的研究發現，良好的微觀結構設計會提高聚合物復合電介質的電氣絕緣性能。
雖然目前的研究已經取得了重大突破，但仍面臨一些重要的挑戰與難題，這也將成為未來聚合物復合材料研究的發展趨勢：
1）高導熱聚合物復合材料的實現依舊是憑借較高含量的粒子填充來實現。高導熱填料及復合材料制備的高昂價格限制了高導熱聚合物復合電介質的推廣應用，如何實現低填充含量下，兼具高導熱、優異絕緣性能的材料仍需要進一步研究。
2）對復合體系的性能研究目前還主要局限于熱導率及基礎電氣參數的測量，應用于電氣領域的聚合物材料還需經受復雜的電磁熱機運行條件。因此，依據具體應用場合對材料綜合性能進行評估可以為材料進一步實際應用提供可能。
3）聚合物基復合材料微觀結構的設計目前還停留在實驗室制備階段，材料的合成過程復雜，成本較高，如何實現簡便大量的制備是當下面臨的重大挑戰；而且，針對不同的聚合物材料，采用的結構設計方法也不盡相同，根據聚合物基體性質進行相應設計是必要發展趨勢。
4）其他創新的新材料制備方法還需進一步探索。
