在電子器件日益高度集成化和高頻化的今天，散熱問題已成為制約電子工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。環(huán)氧樹脂因其優(yōu)異的力學(xué)性能、電絕緣性和加工性能，廣泛應(yīng)用于電子封裝、變壓器澆注體、線路板等領(lǐng)域。然而，純環(huán)氧樹脂的本征導(dǎo)熱率較低（僅0.17-0.23 W/m·K），極易導(dǎo)致運行過程中熱量積聚，引發(fā)內(nèi)應(yīng)力增加、制品開裂等一系列問題。

針對這一行業(yè)痛點，導(dǎo)熱填料改性成為提升環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱性能的最有效手段之一。近年來，各種高導(dǎo)熱填料技術(shù)相繼涌現(xiàn)，其中 納米鋅填料 以其獨特優(yōu)勢為行業(yè)發(fā)展提供了新方向。

 

一、環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱機理與填料選擇原則

環(huán)氧樹脂的低導(dǎo)熱性主要源于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性。聚合物內(nèi)部部分或全部為非晶結(jié)構(gòu)，對聲子輸運產(chǎn)生強烈散射；分子量分布寬導(dǎo)致結(jié)晶區(qū)的晶格結(jié)構(gòu)不完整；制備和保存過程中引入的外部雜質(zhì)和內(nèi)部缺陷也會造成聲子散射。

通過添加高導(dǎo)熱無機填料，可以利用填料顆粒規(guī)整的晶格延長聲子運動的自由行程，減小聲子散射效應(yīng)。當(dāng)填料含量達到一定閾值時，填料之間形成相互接觸的 導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò) ，顯著提升熱傳遞效率，這一轉(zhuǎn)變過程稱為"逾滲"現(xiàn)象。

常用的導(dǎo)熱填料按幾何維度可分為：

●  零維填料 ：氧化鋁（Al?O?）、氮化硼納米顆粒（BNNP）等

●  一維填料 ：碳纖維（CF）、碳納米管（CNTs）等

●  二維填料 ：氮化硼納米片（BNNS）、石墨烯納米片（GNPs）等

●  三維填料 ：三維石墨烯、三維氮化硼等

 

二、納米鋅填料的技術(shù)優(yōu)勢

在眾多導(dǎo)熱填料中，納米鋅填料表現(xiàn)出獨特的技術(shù)特點。研究表明，通過表面修飾與高取向分布設(shè)計， 納米鋅填料在10%-30%的添加量下即可將環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱率提升至1.5W/mK以上 ，同時不影響樹脂的機械與電氣性能。

這一性能表現(xiàn)得益于納米鋅填料的幾個關(guān)鍵優(yōu)勢：

1.  高比表面積 ：納米尺度的鋅顆粒提供了更大的比表面積，增強了與環(huán)氧樹脂基體的界面接觸，促進了熱量的傳遞。

2.  表面可修飾性 ：納米鋅表面可通過各種偶聯(lián)劑進行功能化改性，改善與環(huán)氧樹脂的界面相容性。研究表明，適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚砜梢栽黾犹盍吓c整個樹脂體系的粘結(jié)性，提高樹脂組合物的彎曲強度。

3.  導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)形成能力 ：納米鋅填料在適當(dāng)工藝下能夠在環(huán)氧樹脂基體中形成高效的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，顯著提升熱導(dǎo)率。

值得一提的是，肇慶市新潤豐高新材料有限公司在納米鋅填料制備工藝上進行了創(chuàng)新，通過表面修飾與高取向分布設(shè)計，實現(xiàn)了在較低填充量下達成高導(dǎo)熱率的目標。

 

三、表面改性技術(shù)的關(guān)鍵作用

納米填料表面能高，易團聚，難以在聚合物基體中均勻分散，這是納米填料應(yīng)用面臨的主要挑戰(zhàn)。表面改性處理是解決這一問題的關(guān)鍵手段。

研究顯示，對填料進行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚砜梢燥@著提升復(fù)合材料的性能。例如，采用聚磷酸和丙烯酸共聚樹脂作為表面處理劑，可以增加填料與樹脂體系的粘結(jié)性，提高彎曲強度，改善環(huán)氧樹脂組合物的可操作性及可靠性。

另一種創(chuàng)新方法是通過微納米分子表面改性技術(shù)，對微米Al?O?填料表面進行納米Al?O?涂層處理。這種方法顯著改善了無機填料與環(huán)氧樹脂間的相互作用，實驗數(shù)據(jù)顯示，改性后的復(fù)合材料熱導(dǎo)率比未改性的純微米Al?O?/EP復(fù)合材料提升了約12.27％。

 

四、填料協(xié)同效應(yīng)與多維復(fù)合體系

單一填料往往難以同時滿足導(dǎo)熱性、機械性能和電氣性能的多重要求。因此， 復(fù)合填料系統(tǒng) 成為近年來研究的熱點。

一種創(chuàng)新思路是采用"微米-納米雙填料系統(tǒng)"。其中，微米級填料以其較大的粒徑，能夠在復(fù)合材料中形成連續(xù)的導(dǎo)熱通道；而納米級填料則因其極高的比表面積，能夠填充微米級填料間的空隙，進一步構(gòu)建更為致密、高效的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。

例如，研究者將氮化硼（面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)高達200W/m·K）與空心玻璃微珠結(jié)合使用?？招牟Ａ⒅閮?nèi)部中空，介電常數(shù)比空氣略高，可以起到體積排除的作用，從而增加聲子傳輸通道以及搭建聲子傳輸網(wǎng)絡(luò)，同時降低環(huán)氧樹脂的介電常數(shù)和粘度。

 

五、應(yīng)用前景與挑戰(zhàn)

高導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在電子器件散熱、電力設(shè)備絕緣、新能源電池管理等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。隨著5G技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的快速發(fā)展，對高導(dǎo)熱電子封裝材料的需求將進一步增加。

然而，該領(lǐng)域仍面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)：

1.  填料分散穩(wěn)定性 ：如何保證納米填料在樹脂基體中的長期穩(wěn)定分散而不團聚，仍需進一步研究；

2.  綜合性能平衡 ：在提高導(dǎo)熱性的同時 ，如何保持甚至增強材料的機械性能、電氣絕緣性和耐老化性；

3.  工藝可行性 ：高填料含量往往導(dǎo)致體系粘度急劇上升，加工性能下降，需要開發(fā)新的成型工藝；

4.  成本控制 ：一些高性能填料（如氮化硼、碳納米管）成本較高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。

 

六、結(jié)語

納米鋅填料技術(shù)為高導(dǎo)熱環(huán)氧復(fù)合材料的發(fā)展提供了新的解決方案。通過表面修飾與高取向分布設(shè)計，在相對較低的添加量下即可顯著提升環(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱性能，同時保持其良好的機械和電氣性能，這為電子器件的熱管理提供了新的材料選擇。

未來的研究方向應(yīng)當(dāng)聚焦于開發(fā)新型復(fù)合填料系統(tǒng)，優(yōu)化表面改性技術(shù)，探索低成本高效填料，以及創(chuàng)新復(fù)合材料制備工藝。隨著這些技術(shù)的不斷成熟，高導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂復(fù)合材料必將在電子、電氣、新能源等領(lǐng)域發(fā)揮更為重要的作用。