來源|中國電機工程學報，中國知網作者|陳明華，孟宏遠，李譽，夏乾善，陳慶國*單位|工程電介質及其應用教育部重點實驗室，哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院摘要：導熱絕緣材料是保障微電子設備、電力裝備工作效率和穩態運行必不可少的部分，但隨著設備功率的提高，目前主流的硅基材料難以滿足高集成技術、微電子封裝、大功率電力裝備等關鍵技術對材料導熱、絕緣以及力學性能的要求，亟待開發下一代導熱絕緣材料。聚合物基導熱絕緣材料因其優異的絕緣、導熱和機械延展等優異特性而被廣泛關注，本文主要以聚合物基復合材料內部結構對導熱、絕緣及力學性能的影響為基礎，分析總結了填料種類、含量、填料尺寸以及填料的復合網絡對聚合物熱導率的影響規律，并對復合材料的結構設計方法及在各領域的應用現狀進行了全面梳理與總結，為高導熱絕緣復合材料的設計與性能優化提供指導，推動其規模化應用。

關鍵詞：導熱絕緣；聚合物復合材料；熱導率；結構設計；應用00引言隨著小型化、大功率電子器件及大功率電力裝備的快速發展，高效散熱已成為電子器件獲得長壽命、高可靠性的重要因素。目前，有機硅在高精端電子器件灌封中應用較多，但由于有機硅灌封粘結性差，固化能力較差，限制了其廣泛應用。相比于有機硅灌封材料，環氧基灌封材料價格便宜，且固化后強度較高，廣泛應用于工業電子、變壓器等領域，所占市場比例份額較高。在熱界面材料應用中，從最初的導熱硅脂發展到現在導熱墊片、導熱相變材料等，聚合物基熱界面材料在所有產品中占比接近 90%，其中環氧樹脂基熱界面材料具有較高的熱導率，且價格低廉，市場規模更是達到了 6800 萬美元。目前，最高導熱系數的硅脂也僅能達到 11 W/m·K，隨著電力電子及高功率設備對導熱和絕緣性能要求更高，導熱硅脂已無法滿足高集成電路、大功率器件的散熱要求，且硅材料在熱傳導領域已難以有較大提升。同時，傳統硅脂具有揮發度，使用一段時間后會固化，耐用性低，且更換時難以去除。相比之下，導熱聚合物材料具有優異的電絕緣性能(電導率<1×10-9S/cm)，可有效防止電子器件短路。但是大多數聚合物導熱系數(0.1~0.5 W/m·K)與硅基導熱材料仍無法媲美，為了提高聚合物材料的導熱性，研究人員嘗試利用不同種類的導熱填料如碳材料、金屬、金屬氧化物等來制備聚合物復合材料，有望解決導熱性不足的問題，有廣闊的發展空間。

圖 1 聚合物基導熱絕緣材料及其潛在應用聚合物的熱導率受填料種類、含量和結構等參數的影響。一般來說，加入某些導電填料（碳、金屬等）會影響到復合材料的絕緣性能，但通過控制含量等，可以使得熱導率大幅度提高，同時降低后的絕緣性能也仍能滿足設備的要求。除此之外，復合材料的力學性能（如熱膨脹系數(CTE)）也會有所提升。目前，環氧樹脂(EP)以及聚酰亞胺(PI)是導熱絕緣材料目前主要研究的兩種聚合物基體。相比之下，PI 成本更高，難以在商業中廣泛應用，故在研究中主要使用相對較為便宜的 EP 作為基體，改性技術現已較為成熟。本文以聚合物基復合材料內部結構對導熱、絕緣及力學性能的影響為基礎，分析總結了填料種類、含量、填料尺寸以及填料的復合網絡對聚合物熱導率的影響規律，并對復合材料的設計原則及在各領域的應用現狀進行了全面梳理與總結，為商用高導熱絕緣材料的改性優化提供指導，進而推動其在高集成技術、微電子封裝、高功率電力裝備等關鍵領域的應用(圖 1)。01熱傳導方式在固體中，熱傳遞是由電子和聲子共同作用產生的，聲子和電子在熱傳導中的作用因材料的類型而不同，聲子是通過集體原子振動能量的量子定義的，聲子攜帶的熱能類似于在系統內部傳播的粒子，聲子之間的散射會產生阻力，類似于氣體分子的傳輸。金屬導熱中電子的貢獻比非金屬的大，半導體和絕緣體在內的介電固體中，晶格振動主導熱傳輸。當熱源接觸到晶體晶格的一側時，它會產生振動，由于晶體晶格的密集堆積，振動被傳遞到鄰近的原子，從而使晶體材料中的熱量傳遞(圖 2a)。圖 2 晶體和聚合物中的導熱機制示意圖由于聚合物晶體結構復雜，需要考慮結晶度、溫度、大分子取向等諸多因素，因此在聚合物中熱傳導比較困難。聚合物中幾乎沒有自由電子可以傳熱，導熱主要是由聲子波引起的。當聚合物表面與熱源接觸，熱量轉移到最近的原子使其振動，再逐步向外傳熱，導致聲子波熱傳遞緩慢(圖 2b)。聲子攜帶的熱能類似于在系統內部傳播的粒子，聲子之間的散射會產生阻力，類似于氣體分子的傳輸。因此，針對聲子導熱提出了聲子氣體導熱模型：在晶體結構中，熱傳遞通過溫度梯度驅動聲子擴散，而材料內部的缺陷、邊界等會影響聲子的弛豫時間。根據氣體動力學理論和德拜比熱理論，結晶固體的晶格熱導率可以表示為 ? ?(1)其中，Cv?是單位體積的比熱容，νg是聲子群速度，l 是聲子平均自由程，τ 是弛豫時間。根據上式可以發現對于晶格熱導率來說，與比熱容，聲子群速度和聲子平均自由程有關。為了定量計算晶格熱導率，必須求解聲子玻爾茲曼輸運方程。在實踐中，獲得聲子玻爾茲曼輸運方程的準確解是一項重大挑戰。1951 年，Klemens 在玻爾茲曼輸運方程的框架下系統地研究了不同聲子散射機制對熱導率的影響，并給出了求解玻爾茲曼輸運方程計算晶格熱導率的可行方法，稱為 Klemens 模型。根據 Klemens模型，晶格熱導率為 ? (2)其中 j 是波矢量極化數，νg是聲子群速度，n是波矢量。然而，在該研究聲子-聲子散射過程中，普通散射和 Umklapp 散射被同等對待，在實際的聲子-聲子散射過程中，聲子總動量守恒，正常散射不會產生熱阻，但可以通過改變聲子分布影響聲子弛豫時間。因此，Klemens 模型存在著高估聲子散射強度的問題，使得 k 低于實際值。Callaway 更好地解決了這個問題，他在實際計算過程中對于聲子-聲子散射分離了普通散射和 Umklapp 散射，改進了Klemens 模型中的不足，更符合不同散射對于聲子熱阻的影響，Callaway 模型被廣泛用于計算固體材料的晶格熱導率。02影響復合材料熱導率因素聚合物基體熱導率低，難以直接應用于導熱場合中，故需摻雜一些高導熱的金屬、碳基材料及陶瓷等無機材料，來提高聚合物的導熱性能。因此，兩種材料共同作用決定了聚合物的熱導率，填料種類、粒徑、分散以及基體/填料界面作用等不同時均會對聚合物導熱性產生影響。在利用高導熱填料時，還需考慮復合材料力學性能、絕緣性能等。同時，設計方法及加工工藝等其他因素也會影響到復合材料整體性能。基于此，本文對復合材料的影響因素進行分類如圖 3 所示，并對主要影響因素進行分析。圖 3 復合材料導熱性能影響因素2.1 填料種類目前，填充材料主要是金屬、碳基材料以及高導熱的無機材料。由于金屬主要是通過電子導熱，熱導率較高；而利用純聲子導熱的無機材料熱導率普遍較低。金屬填料包括 Ni、Cu、Ag 等，雖然能有效提高聚合物基復合材料的熱導率，但隨著填充量的提高，會使聚合物導電性能大幅上升，因此金屬填料含量不宜過高。同時金屬填料導熱受分散和空間分布影響較大，難以廣泛應用。碳基材料主要有石墨烯、碳納米管等，由于碳基材料擁有連續結構以及優異的導熱能力，且碳復合材料質量輕，適用于高要求環境。碳納米纖維及一維碳納米管有較好的縱向排列結構，導熱效果更佳，但其受限于加工條件，難以直接使用。但 Han Donglin 發現，碳納米纖維加工過程中間相瀝青(MPP)的熱導率更高，此時碳纖維結晶度高，取向平行于纖維軸，材料熱導率大幅度提高。隨著對石墨烯研究深入，研究者發現石墨烯微填充的復合材料熱導率甚至超過了碳納米管。這是因為石墨烯是二維碳材料，內部形成了良好的導熱網絡，而且高分子基體與石墨烯較好的耦合，降低了界面熱阻，但由于石墨烯是二維碳材料，比表面積較大，在交聯時難以提高摻雜量，限制了石墨烯在聚合物基導熱絕緣材料中的應用。為了實現高分散性，目前研究主要是通過制作工藝以及表面功能化來提高石墨烯在聚合物中的分散。相較于其他碳材料，石墨烯價格相對較低，已在一些高要求導熱領域應用，例如手機電池散熱等。在實際生產中陶瓷填料使用最多，包括 BN(250~300 W/m·K)、AlN(200 W/m·K)、SiC 等。陶瓷材料晶體結構穩定，被廣泛應用在實際生產中，但材料本身也存在問題，例如 BN 各向異性較強，AlN 顆粒遇水容易分解等。相較于單一填料而言，混合填料也會有效提升復合材料熱導率，不同粒徑優化了填料的填充密度，復合結構增強了填料的連續性；另一方面填料負載水平降低，降低了體系粘度，基體滲透到填充/矩陣界面中，改善了界面熱阻。例如，Lee Sanchez Wa 設計 BN 和 Al2O3復合填料(圖 4)，在 80 wt.%的混合BN-Al2O3填料含量下，EP 復合材料的熱導率達到 1.72 W/m·K，相對于純環氧樹脂基體(0.22 W/m·K)增加約 7.8 倍；Rui Fan 設計的 Si@石墨/氮化鋁/鋁復合材料，在石墨-硅填充 53.1 vol%-5.93 vol%時，復合材料的 TC 高達 467.8 W/m·K。這些均證明了雜化填料協同作用的有效性。圖 4 復合填料導熱模型和熱導率變化圖2.2 填料含量復合材料中，隨著填料含量的增多，聚合物熱導率會產生變化。Lizhu Liu 探究了不同含量 AlN 填充到 PI 中所帶來的影響，復合薄膜熱導率與 AlN 含量呈正相關，當 AlN 含量為 9%時，復合材料的熱導率達到 0.675 W/m·K，是純 PI(0.211 W/m·K)的 3 倍。當 AlN 含量較少時，由于 AlN 顆粒含量相對較低，且被 PI 基體完全包覆，填料顆粒相互獨立，不能形成完整的導熱路徑，復合材料熱導率變化不明顯。表 1 單填料聚合物熱導率但一味增加填料含量，只會導致復合材料的力學性能變差。隨著填料含量的增加，由于填料顆粒與基體之間的相容性較差，兩者之間的結合力不能有效地傳遞應力，從而導致復合膜的抗拉強度降低。更為關鍵的是隨著填充粒子的引入，粒子誘導的載流子空間電荷極化成為主導，特別是在較低頻區域，載流子隨著填料含量的增加而增加，空間電荷極化增強，導致復合材料的介電常數增大。同時團聚現象使得在復合膜中形成若干導電通道，降低復合材料擊穿強度。綜上，在利用高導熱填料時要合理控制填充含量才會有效提升復合薄膜性能。2.3 填料尺寸填料的尺寸也會對聚合物熱導率產生影響(圖5)，小粒徑填料連接雖好但接觸面積較大，界面熱阻較高，在相同填充含量下，大顆粒填料比表面積少，顆粒間張力均勻，不容易形成團聚體，顆粒相互滲透，在復合材料中起到良好的導熱效果；同時，大粒徑填料界面面積相對較小，界面極化微弱，對聚合物絕緣性能影響極其微弱。Meng Ma 利用不同尺寸的還原氧化石墨烯雜化填料負載氧化鋁顆粒，制備了一系列基于 NFC 的復合薄膜，研究結果表明大粒徑 Al2O3的比表面積顆粒比小粒徑 Al2O3顆粒小，導致含有大粒徑 Al2O3顆粒的薄膜具有更小的界面熱阻和優異的熱導率。圖 5 不同粒徑填充示意圖以及熱導率變化圖然而，隨著研究的深入發現，導熱填料經過超細微化處理后也可以有效提升自身性能。相較于微米填料，納米填料的復合材料能保持原較高熱導性，但由納米填料填充的復合材料力學性能有更大的提高，例如 CTE 降低，拉伸強度變大，極大程度提高了應用范圍。這主要是因為填料納米化導致材料自身結構發生變化，內部熱導率提高，進而影響到復合材料性能。因此，大小粒徑填料均可改善材料的導熱性能，但大粒徑填料更側重于改善填料與集體的界面問題，而小粒徑材料更著重于改善復合材料整體的應用性能同時仍能保持原有的熱導率。目前，研究人員越來越偏向于選擇納米填充材料，其不僅可以有效維持原材料的較高熱導率，而且能滿足柔性電子器件對導熱絕緣材料的力學性能要求，有更廣的適用范圍。2.4 復合材料界面相較于純聚合物，復合填料比表面積增大，界面相容性較差，加上復合填料表面張力差異較大，導致填料粒子在聚合物中容易團聚；同時由于基體與填料接觸不好，導致兩者之間留有氣隙，增大內部熱阻，導熱效率降低；由于大量界面的存在，導致聲子散射嚴重，聲子導熱效率降低。由 Wang 等人的工作已經證明界面熱阻對聲子非彈性散射有極大的增強作用，多壁碳納米管(MWCNT)和基體界面不完全接觸增大了熱阻，聲子散射增強，嚴重影響復合材料的導熱性能。因此，改善界面性質、降低界面熱阻對于材料導熱性能的改善起到了關鍵作用。Kunpeng Ruan 對石墨烯表面胺化獲得的胺化石墨烯/PI 復合膜，熱導率為 7.13 W/m·K，是純 PI 膜的 8.2 倍左右；Jaehyun Wie 利用聚硅氮烷涂覆 BN，增強了填料和基體之間的界面附著力，填料含量為 75 wt%的聚硅氮烷改性 BN 表面的環氧復合材料具有 11.8 W/m·K 的最高熱導率，是純環氧樹脂的 62 倍。上述研究均證明了界面功能化的有效性。此外，Kunpeng Ruan 還通過模態分析(EMT)模型成功證明了界面功能化對界面熱阻改善的重要性，界面改性對復合材料性能的提升有著至關重要的作用。其他填料表面功能化復合材料如表 2 所示。表 2 填料表面功能化總結2.5 復合材料網絡上述內容主要討論隨機分散的填料對復合材料導熱所起到的作用，而構造連續導熱網絡效果更佳。復合網絡減少了填料基體接觸界面，從而降低界面對材料導熱性能的影響，同時可以形成連續的導熱通道，使填料作為導熱主體，起主要導熱作用。利用一維材料(例如 CNT 等)將二維片狀材料連接起來，能夠形成三維的導熱網絡。Ying Wang 構建了填充有氮化硼薄片(BN)作為導熱橋的 3D 取向碳纖維(CF)的 EP 復合材料熱網絡結構(圖 6)，有效拓寬了熱傳導路徑并連接相鄰纖維，降低熱阻。5 vol%CF 和 40 vol% BN 的 BN/CF/EP 復合材料熱導率高達3.1 W/m·K，其電導率僅為 2.5×10-4S/cm。圖 6 隨機分布和 3D 復合材料結構

除此之外，也可利用前驅體或三維網絡框架使填料在基體中形成三維互聯通熱通道，形成三維導熱網絡。例如 Jingchao Li 利用多糖凝膠固定 3D 泡沫模板， 將氮化硼納米片 填充到聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料中，形成 3D 導熱網絡。與商業硅膠墊(1.5 W/m·K)相比，在 25% 的低填充量時，熱導率可以達到相同的水平，但復合材料的密度(1.27 g/cm3)遠低于硅墊片，大大降低了復合材料的體積和重量。接下來針對復合材料結構設計方法進行總結。03導熱絕緣復合材料結構設計聚合物基復合材料熱導率受到上述各種因素影響，在設計高導熱材料時，必須平衡各影響因素關系，既要提高導熱絕緣性能，同時也要保持良好的力學性能。目前，簡單填充高導熱填料已經不能滿足于市場和研究的需要，通過對復合材料微觀結構與宏觀性能的構效關系，建立復雜微觀環境下復合材料深層導熱機制，有望進一步提高復合材料的導熱特性，如減少聲子散射、減少界面熱阻、構造良好的導熱結構等。因此，深入研究聚合物的微觀結構與其宏觀特性的構效關系很有必要。3.1 定向結構設計高定向導熱需要內部填料沿著特定方向排列，熱量會優先選擇該定向導熱路徑傳導，確保熱量導出到外部。在實驗室可通過機械工藝使填料定向，如注射成型、熱壓成型以及靜電紡絲等都可以使材料定向排列；也可在加工過程中通過剪切或拉伸流定向、外部場如電場磁場等使填料定向排列。定向結構是設計高定向導熱材料的關鍵，一維(CNTS)和二維(BNNS)材料在加工時易定向，具有較高的定向熱導率。Kai Wu 通過簡單地真空輔助過濾制備了基于纖維素納米纖維(CNFs)/氟化氮化硼納米(f-BNNSs)的定向結構薄膜。該薄膜具有高定向導熱及可生物降解等優勢，f-BNNS 自身之間充分連接且易形成定向結構，f-BNNS 與 CNF 之間強相互作用，使制備的復合膜強韌、具有更高的面內熱導率(30.25 W/m·K)，同時復合膜在 1000 Hz 下具有 4.86 的低介電常數，其絕緣特性優于純 CNFs。除通過真空輔助過濾法制備定向結構外，還可通過熱壓法使填料定向分布。熱壓法是將填料顆粒與聚合物顆粒混合，然后將其壓縮成型，形成一種聚合物被填料顆粒包裹著的結構，聚合物導熱主要通過外層的填充材料來完成。即使填充含量較低，由于基體與填料接觸面積較大，也可形成穩定的導熱通道。Tengbo Ma 利用真空過濾-熱壓法制備具有仿珍珠層狀結構的多巴胺功能化氮化硼納米片(BNNS@PDA)/芳綸納米纖維(ANF)復合薄膜，具有較高的面內熱導率(3.94 W/m·K)，同時薄膜抗拉強度達到 36.8 MPa，這都歸因于多巴胺的羥基與 ANF的羧基和氨基形成氫鍵，減少薄膜內部缺陷。Yanchun Han 將 SiN 顆粒和 EP 混合后的材料熱壓制備復合材料，由于填料形成了連續的網狀結構，增強導熱的連續性，當填料體積達到 30%時，復合材料的面內導熱系數可達 1.8 W/m·K，在高頻測試條件下，復合材料表現出較低的介電常數和介電損耗。上述研究結果表明通過熱壓法形成的復合材料界面接觸更好，界面作用弱，在一定程度上增大復合材料的面內導熱性能和降低材料介電常數和損耗，同時通過控制熱壓溫度和壓力可以有效改變復合材料內部結構組成，形成高定向連續導熱網絡。此外，外場定向排列高導熱填充材料也是一種較好實現高定向結構導熱的方式，通過外場可以實現填料在聚合物內任意定向。例如，Hong-BaeK Cho 利用電場開關設計定向 BNNS，通過控制改變直流場方向所形成的二維定向結構擁有高面內方向的導熱路徑(圖 7a)。圖 7 外場定向法復合材料內部結構圖

除此之外，Hong-Baek Cho 又通過電場實現了法向高定向的 BaFe12O19填充 Si 基納米復合薄膜(圖 7b)。Kiho Kim 使用外電場沿熱傳輸方向垂直排列 TiO2改性的 BN 粒子，高介電 TiO2在電場極化作用下導致 BN 粒子垂直排列。當填充 20 vol%時，面內熱導率從 0.78 W/m·K 增加到 1.54 W/m·K，同時這種復合材料表現出更好的機械性能。綜上，真空輔助過濾主要是為了將未參與組合的原料清除，減少內部缺陷。而真空過濾配合熱壓法可將組裝的二維納米片結構壓制成緊密的復合薄膜層，沿平面內形成較多的層狀結構，有利于平面定向導熱。但這種方法制備得復合薄膜較為粗糙，層與層之間連接微弱。同時，該方法難以形成法向的定向排列，由于電子封裝中熱界面材料需要從熱器件的整個表面到散熱器(即 CPU 到散熱器)的散熱，具有垂直取向結構的聚合物復合材料更容易在垂直方向表現出快速散熱和大熱通量，意味著在電子封裝等要求高法向熱導率的場合難以應用。相比之下，外場定向法具有較大的優勢，其操作方便，且較為容易實現，在內部電場的作用下，可以實現任意方向導熱通道(面內以及法向)，更好解決了熱壓法單向定向的缺點，是目前較為實用的一種方法。3.2 不定向結構設計相比于填料隨機分散制備的復合材料，連續導熱通道具有更優秀的導熱性能，隨機分散難以保證填料不集聚。自組裝法是一種簡單形成連續導熱通道的方法，其過程并不是大量原子、離子、分子之間的簡單疊加，而是若干個體之間同時自發地發生并集合在一起，形成一個緊密而又有序的整體，是一種整體的復雜的協同作用。分子自組裝是利用生物親和力或基團間的鍵合力，搭建規則的晶體結構。Hongxia Zeng 通過簡單的蒸發誘導自組裝法制備了由 BNNS 和氧化纖維素納米晶體(OCNC)組成的大規模高性能人造珍珠層狀復合材料。在 11.6 vol%的相對低填充負載下表現出 10.9 W/m·K 的熱導率以及 197.3 MPa 的優異拉伸強度，其優異的綜合特性來自于其獨特的珍珠層狀結構和穩健的界面相互作用，保證了復合材料擁有雙方的共同特性。此外，Gun-Ho Kim 發現熱沿共價鍵連接的鏈傳遞比由弱范德華力相互作用連接的鏈之間的傳遞更有效，特別是氫鍵(h 鍵)的效果更好。它可以連接許多部分和單元，對于熱傳導鏈間的連接設計有很大的靈活性。h 鍵增加分子鍵強度已經被證明是提高聚合物導熱性的有效方法。Liwen Mu 利用自組裝結晶法制備聚乙烯醇(PVA)/氨基酸(AA)復合材料，通過 h 鍵形成連續的晶體網絡組成了一個連續的界面，使得聲子可以有效地轉移，當 AA 含量為 8.4%時，PVA/AA 復合材料的導熱系數顯著提高至 0.7 W/m·K，比純 PVA 提高了 170%。強的 PVA-AA 分子相互作用和自組織的晶體結構是其獨特的界面性能改善和優異的熱導率提升的主要原因。自組裝法形成的晶體導熱“高鐵”使復合材料的熱導率比純基體顯著提高，是一種較為有效的方法。高分子聚合物由于相對分子質量大難以氣化，氣相沉積不利于復合材料制備，相反自組裝法更適用，得到兩種組分的復合膜。自組裝方法簡便易行，無須特殊裝置，通常以水為溶劑，沉積過程和膜結構可分子級控制，也可以利用連續沉積不同組分，制備膜層間二維甚至三維比較有序的結構，近年來受到廣泛的重視。但這種方法受到分子識別、組分和溶劑的影響，高分子聚合物需要識別分子的形狀大小以及可組裝的部位例如氫鍵、π 建等，才能找到最穩定、最接近的位置，并形成超過單個分子功能的聚集體。同時，大部分自組裝都是在溶液中進行的，溶劑對自組裝過程起著關鍵的作用，包括溶劑的類型、密度、pH 值以及濃度等，溶劑的性質可能會導致自組裝結構的改變，特別是會破壞共價鍵的溶劑，對自組裝的結果更是具有破壞作用。

3.3 三維結構設計Navid SaKhavand 通過融合氮化硼納米管(BNNT)和單層的 h-BN，設計了三維多孔柱狀 BN(PBN)，緩和了材料的各向異性，提高了復合材料的力學性能。Rouzbeh 對上述三維 PBN 和他的同素異形體BNNT、h-BN 進行了性能比較，發現三維結構的PBN產生了獨有的結、管、片的協同效應(圖 8a)，克服了內在的各向異性，平衡了熱傳輸性能，使得聲子散射盡可能地減弱，增強聲子的導熱。同時結、管、片形成三維導熱結構，更有利于熱傳遞。圖 8 3D 結構復合材料示意圖Jin Chen 利用納米纖維支撐的三維互聯氮化硼納米片(3D-C-BNNS)氣凝膠作為框架結構，將 EP 浸漬到氣凝膠中填充網絡結構，制備出高導熱絕緣納米復合材料，在較低的 BNNS(9.6%)填充體積下，納米復合材料導熱系數提高了 14 倍左右，同時其仍可保持 1015Ω·cm 的低體積電阻率。此外，利用冰模板自組裝與滲透法相結合的方法制備 3D-BNNS 氣凝膠網絡(圖 8b)，以及使用柔性氮化硼泡沫(BNF)和BNNS 構建三維結構網絡，通過設計三維結構的填料框架將聚合物填充到框架中，均有良好的借鑒意義。然而，上述三維結構的填料框架難以控制結構，且成本較高，目前只停留在實驗室研究階段。綜上，除了使用較佳導熱填料和復合填料外，還可通過控制材料內部的結構來改變聚合物的電熱力性能。通過設計合適的網絡結構，構造良好的導熱路徑，減少基體與填料的界面作用，降低聲子的散射，在微觀層面的精細研究有望為導熱絕緣復合材料帶來新突破。

04導熱絕緣復合材料應用聚合物復合材料主要是針對設備要求設計的，往往需要優異的導熱絕緣以及力學性能，以滿足各種高溫環境，絕緣導熱材料常以樹脂、硅膠、陶瓷為基底，添加無機物來達到要求，以橡膠、粘結劑、涂料等形式主要應用在電氣裝備、微電子、LED、照明、太陽能發電、交通運輸、航空航天、國防軍工及能源換熱設備等現代高科技領域。目前，導熱絕緣材料在電子封裝領域應用較為廣泛，聚合物復合導熱材料往往會有以下優點：1）成本低；2）易加工；3）介電常數低，通過添加不同填料，控制導熱成本低；4）耐腐蝕性好；5）重量輕、體積小、粘結性能好；6）合適的拉伸強度、膨脹系數較低。4.1 電子封裝隨著科技的發展，電子設備對熱管理的要求逐漸增高，由于半導體器件功率大，體積小，導致熱集聚，對電子設備性能壽命有嚴重的影響，因此對電子設備封裝有嚴格的導熱要求。電子封裝導熱包括芯片直接散熱，也包括元件間連接結構導熱，例如印刷電路板(PCB)的填充材料。電子封裝材料主要分為三種類型：金屬基封裝材料、陶瓷基封裝材料以及聚合物基導熱材料。金屬基封裝材料具有高導熱性能以及高強度和高可靠性等優點，常被應用于軍事和航天領域的電子封裝；陶瓷基封裝材料具有良好的絕緣性能、介電常數低、CTE 較低，同時具有良好的拉伸機械強度以及導熱性能，往往在高頻率下會表現出優異的性能，例如硅膠墊片、導熱硅脂等；聚合物基導熱材料由聚合物和無機填料組成，結合了無機材料的高導熱性能和絕緣性能以及有機聚合物的重量輕、易于加工同時價格低廉等優點，導熱性能雖然沒有金屬基材料優異，但改善后的導熱性能通常會比純有機聚合物高幾倍，足以滿足大多數電子封裝熱界面散熱，并且價格相較便宜，更適用于實際應用中。在聚合物中，EP 基熱固性樹脂在電子封裝領域大約占 90%的份額，往往比其他聚合物表現出更良好的導熱絕緣性能。相比于熱塑性樹脂，熱固性材料具有優異的耐熱性好、絕緣性能優良、抗腐蝕耐老化，但機械性能較差。本文主要討論半導體器件急需解決熱管理的三個領域：單芯片封裝、多芯片鏈接導熱(集成電路)、柔性電子封裝。4.1.1 芯片封裝降低芯片與導熱材料界面熱阻對電子封裝散熱至關重要，這就要求熱界面材料(TIMs)導熱效率高，同時較低的CTE來保持材料與芯片良好的接觸效果，盡可能減少氣隙。表3總結了目前商業用的導熱材料，熱導率在3-5 W/m·K，國內電子封裝的導熱絕緣材料主要是以硅脂、硅膠材料為主，通常在有機硅中添加少量無機物來提高復合材料的性能。表 3 商業熱傳導產品Han Yan將?Al2O3?接枝到BNNS表面的填料填充到硫化硅橡膠中制備了復合材料，當兩者1:1共填充30 wt%時，面內熱導率高達2.86 W/m·K，是純橡膠基體的2.8倍(1.01?W/m·K)，擁有高達 0.84 MPa的抗拉強度、3.89的介電常數、5.76×1011Ω·cm體積電阻率以及 -40.1℃玻璃化轉變溫度，高性能主要是因為雙填充物點-平面結構的協同作用，使得硅橡膠基體性能的提高。在電子封裝中，主要關注的參數是材料的熱導率和拉伸強度、CTE等。

例如納米填料由于高的表面/體積比，CTE較低使得界面相互作用減弱，大大增強了界面的熱傳遞面積，納米填料對TIMs的CTE以及導熱絕緣性能都有重要的影響，雖然復合材料導熱性能沒有很明顯的提升，但力學性能有較好的改善，使復合材料能很好地應用于芯片的封裝中。國外有許多研究者使用聚合物作為電子封裝導熱材料。Chao Chen 在 EP 中加入不同尺寸的球形氧化鋁，導熱系數顯著提高到 1.364 W/m·K，同時復合材料擁有優異的絕緣性能、高的熱穩定性、較低的CTE，可作為高功率電子器件封裝的高性能導熱材料，但制備球形 Al2O3顆粒的成本高以及制造工藝復雜，解決這些問題對該復合材料的大規模運用至關重要。Dongju Lee 對六方氮化硼納米片(h-BNNP)表面羥基化處理，減少了表面缺陷，改善了填料團聚問題，且羥基更益于與基體界面強結合，降低界面熱阻。EP 納米復合材料熱導率最高為 0.57 W/m·K，是純 EP 樹脂的 2.85 倍(圖 9)。盡管絕緣性能有所降低，但仍在可接受的范圍內。同時，這種制備方法簡單，操作方便，在實際應用測試中表現出優于商用導熱硅膠材料，納米復合材料在芯片封裝具有較大的應用前景。圖 9 芯片封裝試驗示意圖以及實驗溫度-時間曲線

4.1.2 集成電路封裝相比于傳統多組件電子模塊(約 250 cm2)的電子封裝來說，3D 集成模擬 CMOS 電路(約 1cm2)導熱就會變得更為復雜。通過三維芯片堆棧技術以及通過硅通孔(TSV)互連所設計的 3D 芯片堆，使設備的尺寸和重量大大減小，同時提高了系統的整體性能，但也產生了熱通量問題。目前依靠提高堆棧芯片接口導熱來降低三維熱管理難度，同時亦利用高導熱可折疊柔性聚合物，通過嵌入集成電路內部，將熱量有序排出，是 3D 堆棧芯片散熱的主要方法。熱固性聚合物熱導率高但拉伸強度等力學性能較差，隨著填料體積分數提高，聚合物流動性差，粘度增大，CTE 升高，復合材料難以緊密貼合堆棧芯片接口，導致界面之間存在氣隙，對接口處導熱有嚴重的影響。同時，針對集成電路中某些高產熱芯片，可在復合材料和散熱器件間填充微量的相變材料，在相變時放出或吸收大量熱以達到快速降溫，將相變材料微量填充在聚合物與芯片間，相變材料吸熱溶解傳遞熱量。當器件不工作時，相變材料凝固蓄能。同時相變材料具有一定的彈性，可保證接觸界面貼合，增強導熱效果。目前非有機相變材料已經廣泛應用于電機降溫以及電腦硬件冷卻等行業中，未來可深入探索其在集成電路中的應用潛力。

4.1.3 柔性電子封裝近十多年，移動設備(如手機、平板電腦等智能設備)向著多功能化、更輕、更薄甚至可彎曲的方向快速發展，內部電子元件的小型化、集成化、大功率密度逐步實現，電子器件的每平方面積熱流增加導致嚴重的散熱問題，危及電子設備的可靠性和壽命；同時下一代電子產品必將向著柔性方向發展，這要求新的導熱材料不光具有較高的熱導率，還需有較好的可折疊性。正如前部分所講，金屬材料的延展性好，但其剛性差，通常易碎且難以彎折，柔性聚合物復合材料能滿足上述要求。設計的復合材料要有高的界面導熱系數、良好的絕緣性能、靈活的結構，以解決柔性電子器件在使用中的過熱問題。由于石墨烯具有極高的導熱性能、優異的機械柔韌性以及大的縱橫比，利用不同功能化的石墨烯作為柔性 TIMs 具有較好的效果。但石墨烯電導率高，通過對石墨烯表面功能化可有效改善絕緣性能，是設計柔性導熱材料的最佳選擇(表 4)。表 4 柔性復合材料導熱性和電導率Li Peng設計無碎片的氧化石墨烯薄膜(GF)，解決了導電性問題。利用大塊氧化石墨烯和微氣囊結構(由半富勒烯機械擠壓形成)設計的無碎片氧化石墨烯基薄膜，其熱導率可達到 1940±113 W/m·K，優于以往的石墨烯的材料(1434 W/m·K)。同時其具有高達 16%的高斷裂伸長率，可承受 180° 無縫折疊 6000 次以上，180° 彎曲 10 萬次仍能保持材料的完整性。盡管在氧化石墨烯表面形成局部微褶結構，但不影響整體結構的表面光滑性，保證了在實際的導熱中與襯底良好接觸，不會產生高熱阻。大面積多功能 GFs 可以很容易地集成到大功率柔性設備中，實現高效的熱管理。此外，Xiongwei Wang 利用真空過濾技術制備含少量聚乙烯醇(PVA)的高導熱絕緣、柔性的氟化石墨烯復合膜(圖 10)，含有 93%氟化石墨烯復合膜可以適應人類手指的重復彎曲變形，含有 73.3%氟化石墨烯復合膜甚至可以忍受更復雜的折疊而不造成任何損傷。圖 10 柔性 dfGF 復合膜實物圖和散熱效果圖氟化石墨烯復合薄膜力學性能的顯著提高主要與氟化石墨烯與 PVA 鏈之間的強相互作用有關，一方面 PVA 促進脫落的氟化石墨烯在水中的分散，同時還作為粘結劑增強相鄰氟化石墨烯納米片之間的連接。這種 TIMs 可在保持良好的絕緣性能的同時，還能達到 61.3 W/m·K 的超高面內熱導率。可折疊、高功率智能設備必將主導下一代電子產品，這就需要強大的熱管理系統來解決散熱問題，相應的導熱材料必須有較好的導熱絕緣性能以及優秀的力學性能，可伸縮、多功能的石墨烯薄膜是最好的選擇(不同柔性材料性能見表 4)，其能夠開發成具有超高導熱絕緣性以及突出靈活性的新型工程材料，在航空航天和智能手機等領域的下一代高頻柔性/可穿戴電子產品中具有較高應用價值。但由于石墨烯成本高、制備困難，難以大規模使用。不久的將來，上述實驗方法(例如功能化、微褶結構、定向垂直排列結構)和技術可以推廣到其他 2D 納米材料(如 BN、MoS2、Mo2C、和 Black phosphorus(黑磷))，將為高性能超柔性材料建立堅實的選擇庫，在下一代可穿戴式柔性電子設備擁有極大的潛在應用。4.2 電機導熱絕緣電動汽車、船舶等交通設備電機定子繞組絕緣導熱材料一方面可提高電機的綜合性能和使用壽命，另一方面可提高電機功率密度和效率，增加主絕緣導熱系數 50%，空冷發電機的效率將能增加 20%。圖 11 是電機繞組結構以及散熱效果圖。圖 11 電機繞組結構和測試紅外圖隨著電動汽車的發展，其核心部件牽引電機功率密度逐漸提高，熱管理成為在可變負載條件下防止過熱的關鍵，電機繞組和疊片之間的熱導率是電機熱分析中最關鍵的參數之一，該系數取決于絕緣材料和繞組的制造工藝。通常電動機銅導線絕緣層熱導率低于0.5 W/m·K，而電機中金屬部件的熱導率遠遠大于其周圍絕緣材料的熱導率，使得銅線散熱困難，出現熱集聚限制牽引電機的性能，過高的溫度還會使電機的可靠性下降，甚至直接引起電機故障。使用高導熱絕緣的繞組和槽襯墊是提高電機功率密度的有效策略。電機定子繞組大多數是云母絕緣材料，其優秀的絕緣能力為電機繞組提供了較高的放電電壓，但云母熱導率僅為 0.2-0.3 W/m·K，熱老化問題嚴重，同時延伸能力差組件之間產生空隙，進一步降低熱傳導效率，也為局部放電提供了條件，加速了電機老化和失效。西門子公司在 EP 中填充特殊處理的球形 SiO2，用來替代云母絕緣材料，有效提高了導熱能力且復合材料拉伸強度和熱膨脹性能明顯提升，該方法使電機定子棒耐久性提高了 13 倍；東芝公司在生產云母帶的過程中，在玻璃纖維粘結樹脂中加入高導熱氮化硼，開發了氫冷渦輪發電機用高導熱絕緣材料；GE 公司開發增強型聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)云母膠帶，采用 PET薄膜作為云母紙的基材，經過優化的真空壓力浸漬(VPI)處理，與傳統絕緣系統相比，增強型 PET 云母系統具有更好的導熱耐壓(VE)特性。大型船舶以及超高速飛機的出現，要求電機要有更高的扭矩密度和有效載荷效率，然而問題在于輸出功率的提高需要更好的熱管理來應對增加的熱量，高功率和高電流密度要求更薄的繞組絕緣。Hiep Nguyen 設計的用于船舶推進電機定子絕緣的耐放電 EP/黏土納米復合材料用于高扭矩大電流密度電機，通過采用納米復合材料將云母絕緣材料的導熱系數從 0.25 W/m·K 提高到 0.7 W/m·K，無需設備重新設計，即可實現扭矩密度 14%的大幅度提高。繞組和磁芯的傳熱效率差，也限制了電機和發電機的功率密度。為了解決這個問題，Weijun Yin 利用高性能 AlN 陶瓷復合介質涂層用于電機和發電機。陶瓷涂層的導熱性和溫度穩定性大大高于常規材料，可以直接應用于磁芯上作為縫隙絕緣，通過電泳沉積(EPD)將其包覆在銅導體上作為繞組絕緣。與傳統的槽襯和繞組絕緣相比，銅繞組和定子/轉子鐵芯之間的熱阻可降低一個數量級，導熱能力是傳統材料的 10 倍，具有優異的介電性能和耐熱性，在-54℃至 250℃的極寬溫度范圍內多次循環測試仍能保持電機性能，這可使電機功率密度至少提高 50%。EP 由于價格便宜、電熱力學性能好，在各領域已經廣泛使用，特別是作為絕緣材料在電機和設備中的應用占很大的比例。但純 EP 熱導率差，電機工作時繞組內溫度高，導致絕緣劣化，絕緣使用時間遠遠低于預期壽命。在 EP 中加入微米或納米填料使得材料熱導率提高這種改進可使定子繞組的溫度降低，有效緩解了繞組絕緣熱老化問題，機器效率提升延長使用壽命，在相同負載下絕緣材料使用更少，減小了電機體積和重量。4.3 航天航空領域導熱航空航天飛行器中包含著先進高功率、復雜、小尺寸的電子器件，電子器件有效載荷承受著越來越大的熱負擔。同時由于飛行器通常會在極端環境下工作，航天材料需要具備高玻璃化轉變溫度、優異的熱穩定性、高模量、耐化學性和不燃性，圖12 總結了航天應用中常用的導熱聚合物。圖 12 航天應用導熱聚合物摩擦和導熱是影響航空飛機制動部件的兩個重要因素，所用材料需是韌性好、摩擦系數以及高導熱性能的輕質聚合物。Mengbo Qian 在聚酰胺 6(PA6)中加入碳化硅晶須(SCWS)作為增強劑，添加 2%的SCWS 使 PA6 的拉伸強度提高 37.6％(58.2 MPa)。同時，斷裂伸長率是純 PA6 斷裂伸長率的五倍以上(約280％)，斷裂韌性提高了七倍左右。此外，添加 30％的 SCWS 將摩擦系數從 PA6 的 0.31 降低到 0.15，極大改善了抗磨性能。機械和抗磨性能的顯著改善主要歸因于 SCWS 的高剛度以及與 PA6 基質的強界面相互作用，在航空航天和汽車應用中生產先進的齒輪和軸承零件具有廣闊的前景。碳納米管由于獨特的性質，作為航空航天復合材料的組成部分被廣泛研究。CNT 復合材料正逐步被考慮應用于電子記憶機械設備中，垂直排列的碳納米管以及其他材料相互配合，組成良好的導熱系統。Lin Jing 通過在 CNT 外層封裝氮化硼納米管(BNNT)，證明了垂直排列的碳納米管陣列的導熱系數提高了近 2 倍(從約 15.5 W/m·K 增至 29.5 W/m·K)，同軸 BNNT 和 CNT 增強了導熱，外部 BNNT 充當了附加的導熱路徑，而不會損害內部 CNT 的導熱性，為后續研究垂直排列的碳納米管高定向導熱填料提供了新思路。Trompeta 設計了多壁碳納米管/EP 復合材料，通過滲流理論研究填充含量對復合材料電導率、熱穩定性以及納米力學性能的影響。結果表明，當多壁碳納米管填充 3%時，可在 EP 中均勻分散，并且在此臨界濃度下復合材料的絕緣性能最好。由于多壁碳納米管是高結晶度結構，隨著填料的增多，EP 復合材料的熱穩定性逐漸增強，但會使納米力學性能受到很大影響，其抗拉強度和彈性性能明顯減弱。多壁碳納米管是一種高導熱材料，為了更好的控制滲流閾值，提高填料和基體的相容性，還可以從將多壁碳納米管功能化方面考慮，提高多壁碳納米管的填充量，使其應用于航天航空領域中。總之，在航天領域很多熱管理技術仍需突破，性能優異的新材料以及界面設計對器件的性能會產生顯著的影響，例如二維材料以及人造金剛石材料的出現為下一代航天導熱材料提供了新的選擇，垂直排列的碳納米管以及金屬納米線復合材料，使導熱絕緣復合材料又提升了一個高度，有望廣泛應用于航天領域電子產品封裝。新一代飛機、旋翼機、無人機和導彈在視覺和熱特性、輕量化、速度提高和機動性等方面的需求刺激了對先進材料和系統的開發。納米碳材料是理想的候選者，可集成在不同的技術中，通過界面處理等改性達到所需性能。但納米碳材料也有一些問題，例如如何提高填充體積、如何大規模生產、如何使得復合材料粘結性增強等問題，解決上述問題將有效推動聚合物/納米碳復合導熱絕緣材料在航空航天工程領域推廣應用。

4.4 LED 導熱墊片LED 因高流明效率和長壽命成為通用照明的主要光源，但 LED 在工作過程中產生大量熱嚴重縮短LED 的壽命。LED 與散熱器之間的 TIMs 的高導熱性是 LED 散熱的關鍵因素，有效的散熱保證了 LED 的穩定運行。據研究，LED 的工作溫度每上升 10℃，效率就會減少 10%，使用時間也會相應折損 5%，故結合高導熱 TIMs 設計良好的熱管理系統至關重要。LED 熱管理系統由 TIMs 以及散熱器組成。通常散熱器由銅鋁組成，而 TIMs 通常是硅脂或或其復合材料，但隨著功率的提高，硅脂基體越來越難以滿足條件。Minh Canh Vu 將 10 mm 的剝離氟化石墨烯膜(EGF)作為散熱襯底和 TIMs，對大功率 LED 進行散熱，與商業 PI 薄膜(0.3 W/m·K)作為柔性基片和商業熱墊 5000S35(5 W/m·K)作對比，表現出優異的面內熱導率(242 W/m·K)和平面熱導率(21.8 W/m·K)，在相同實驗環境下 EGF 薄膜散熱溫度明顯低于上述兩種商業材料(圖 13)。同時該材料表現出來的柔韌性也是其他材料無可比擬的。
圖 13 LED 導熱墊片實驗結果在此基礎上，Minh CanhVu 又以垂直排列-氧化石墨烯(VA-GO)支架在氬氣環境中還原為 VA-石墨烯支架，隨后通過模板輔助化學氣相沉積方法轉化為 VA-SiC 片狀支架，EP 被填充在 3D 骨架空白區域以制備復合材料。在 3.71%的SiC 片含量下具有 14.32 W/m·K 的超高穿透平面熱導率，形成了更有序的互連熱傳導網絡。將相同厚度VA-SiC/EP復合材料與商業導熱墊 5516(熱導率為 3.1 W/m·K)比較，在相同的測試環境下，運行 20分鐘后，使用導熱墊 5516 和 VA-SiC/EP 復合材料時 LED 模塊的溫度分別升高到 141℃和 116℃，VA-SiC/EP 復合材料的模塊在冷卻過程中在 20 分鐘內恢復到室溫，而 5516 的模塊在 30 分鐘內恢復到相同狀態，表明VA-SiC/EP 復合材料的熱傳導優越性。隨著對材料微觀內部研究的深入，低成本、輕質靈活、耐腐蝕的高導熱柔性新材料將陸續被開發，從而可篩選設計出針對某一工況特征的導熱絕緣材料，有望成為 LED 的最終熱管理解決方案。4.5 電池包基于相變材料導熱現如今電動汽車快速發展，高能量密度、快速充放電都是市場對電動汽車電池提出的更高要求。然而，在增加能量密度、縮短充電時間的同時，電池會產生更多的熱量，影響電池效率和壽命，甚至有自燃的危險，危害財產和人身安全；同時，電池包內溫度分布不均勻會破壞電子平衡，減少功率輸出，因此在不斷增加電池組數量和重量的情況下，如何快速散熱一直是困擾電動汽車電池的一個難題。目前，大多數研究是基于相變材料(PCM)配合其他組件來設計電池包熱管理系統，電池的溫度可以長期保持在相變溫度附近范圍內，而且基于相變材料的設計具有較為強大的散熱能力以及緊湊的結構。Ling 等人優化了基于相變材料熱管理系統的結構，將電池組直接插入 PCM@EG 復合材料中，配合傳統液冷系統使用。相比之下，該混合導熱系統不僅效率高，而且重量輕、結構簡單，可靈活適應任意形狀的電池。同時，這種設計有助于節省高達94.1%的 PCM質量和高達 55.6%的體積，降低成本。雖然上述設計較傳統液冷系統性能大幅度的提升，但液冷系統的安全性能以及龐大體積還是不容忽視。因此，目前熱管理系統研究的主流是 PCM 配合熱管使用，可以進一步提升系統的散熱能力，同時縮小系統體積，減少成本。Nandy Putra 利用RT44HC 相變材料以及熱管作為電動汽車電池被動冷卻系統，RT44HC 相變材料較低的熔化溫度，可以使得系統工作時吸收傳遞更多的熱量，保證電池組內部的溫度平衡。模擬實驗證明該熱管理系統可以使電池組表面溫度降低 33.2℃，相較于未使用相變材料的系統(最高可降低26℃)，性能提高了30%左右。除此之外，Wu 進一步簡化了熱管輔助 PCM 的電池熱管理系統，他們將熱管轉移至電池組內部，有效增大了導熱界面。工作過程中，電池內部熱量被 PCM 吸收傳至熱管，然后通過熱管的蒸發段傳導到冷凝器段。一方面，由于添加了高熱導率的 EG，復合 PCM 的熱導率比純 PCM 的熱導率高約 30 倍，另一方面，熱管增加了導熱界面，進一步提高了PCM@EG 復合材料的吸熱率，并將電池組的熱量排出到外部環境中。總之，要提高熱管理系統的散熱性能，需要合理的結構和高導熱 PCM 的相互配合，才能保證熱量快速地從電池內部排到冷卻介質中。然而，由于缺乏成本效益和結構的復雜性，相變材料難以大范圍使用。作為熱管理系統中的被動冷卻方式，系統工作難以控制，且被動冷卻系統都是和電池箱殼連接在一起的，損壞后難以更換，這對設計工藝和后期維修無疑是巨大的挑戰。現在對電動汽車熱管理系統的設計仍處于研究階段，雖然已經有成熟的冷卻系統投入使用，但也存在著體積大、成本高以及水冷導致的安全隱患問題，對主動冷卻系統的改進仍是主要攻克的問題。熱傳導聚合物復合材料為電池組熱系統設計開辟了一扇新的窗口，結合設計的導熱系統，可有效促進電池組的導熱散熱，提高安全性能。二者該怎樣結合是未來需要著重考慮的問題。

05結論與展望熱傳導是一種不定向傳播方式，聚合物基復合導熱材料填料的縱橫比以及尺寸、直徑和比表面積尤為重要。從一般的角度來看，似乎對于這些參數中的每一個越高越好。然而，在某些情況下納米材料并不一定是適用的，例如未改性的納米填料比表面積大，界面相容性較差，填料/基體張力大，使得填料容易聚合，反而不利于熱導率提高，同時界面增多使得界面積累電荷加劇，極化增強，復合材料的絕緣性能降低。其次，通過處理填料/基體界面來降低熱阻也可有效提高聚合物熱導率。但以往工作表明，填料界面功能化是一把雙刃劍，可增加填料/基體界面的熱導率，也可降低填料的固有熱導率。而目前界面功能化的挑戰是確定如何在不損失填料固有熱導率的情況下降低界面熱阻。除此之外，處理方法也非常重要，尤其是在粘度和樣品孔隙率方面。正如本文第三部分對復合材料結構設計所述，設計三維導熱填充結構可有效的提升復合材料的熱導率，同時對材料力學性能也有所改進，例如拉伸強度、熱膨脹以及柔韌性等。在復合材料中，各向異性納米填料的排列將直接影響熱導率，其在填料排列方向上顯著提高。但實際上，大體積的三維結構加工相對困難，特別是對于工業規模化應用，材料的結構和幾何方面的研究在未來仍是重點。在電子封裝、電子繞組絕緣等領域，如何高效導熱是關鍵瓶頸問題之一，并且隨著設備功率的逐漸提高，這一問題將更為突出。設計高導熱絕緣材料配合熱管理系統，是解決這一問題的重要策略。因此，設計高導熱復合材料仍是未來需要關注的對象，未來可在以下幾個方面繼續深入研究：1）結合理論仿真和實際更深入了解聚合物復合材料微觀導熱機理。盡管目前對材料的內部導熱機制研究較多，但還是缺乏統一、細致的理論模型，需系統的從更微觀角度揭示材料導熱機理。只有理解材料的深層導熱機制，明確影響導熱特性的關鍵參數和作用規律，才能設計出高性能導熱絕緣材料。當下在理論計算和原位表征技術的最新進展可作為研究這一問題的重要工具。2）結構設計更有益于提升聚合物復合材料導熱絕緣特性。如今電子設備快速發展，單使用高導熱填料已經不能滿足大功率器件的要求。通過設計復合材料結構，可以有效地提升材料導熱性能，同時對復合材料的力學性能等也會產生積極地影響。但目前仍缺乏指導高性能導熱絕緣材料的設計原則，且缺乏適合規模化的高效制備技術。3）繼續探究新型高導熱絕緣材料。商業領域主要使用硅材料，優異的熱傳導性能使其在導熱領域應用多年，但隨著電子器件大功率化、微體積化，這種熱傳導材料已經不能滿足器件的使用要求。目前比較有潛力的材料是碳填充復合材料（如石墨烯）。雖然填充碳材料會提高聚合物的電導率，但其導熱性能也能得到顯著提高，且當填充達到閾值前，復合材料仍能保持良好的絕緣性能。同時碳復合材料具有優異的力學性能，例如較好的柔韌性、較高的拉伸強度以及較高的玻璃轉化溫度等，使碳復合導熱絕緣材料在未來應用更加廣闊。但由于其較差的界面潤濕性和成本等問題，將其運用到實際中仍是挑戰。4）實驗產品到商品的轉化。由于大部分聚合物復合材料仍處于研究階段，實驗室通常不考慮材料成本，實驗條件、實驗要求比較嚴格，還存在著隨機誤差等因素影響樣品性能的可重復性。除此之外，在商業化的道路上，還要綜合考慮適用性、壽命以及效率等其它問題。因此高性能導熱絕緣材料的實際應用仍需努力。在過去十年中，研究人員使用有機基復合材料達到與金屬相當的熱導率，且碳纖維在復合材料中取得了巨大進展，使用微米和納米顆粒也取得了一些令人鼓舞的結果。但目前仍面臨嚴峻挑戰，例如如何充分利用高導電填料(如石墨烯、碳納米管和石墨)的固有熱導率并獲得盡可能接近理論值的性能。導熱絕緣材料在現代科技發展中是至關重要的一環，未來還需要繼續研發高性能的導熱絕緣材料，降低設計成本并簡化制作流程，才能實現規模化應用的終極目標。