热管理材料的最新进展如何？什么是热管理?

现阶段，在5G、大数据、人工智能、物联网、工业4.0等领域技术不断渗透与升级背景下，电子器件的小型化与功率密度持续攀高导致热能快速积累、安全性减弱、使用寿命缩短等问题凸显，带动国内热管理材料市场需求不断提升、规模不断扩大。

目前我国热管理材料企业整体实力较弱，国产产品主要集中在中低端市场，高端材料与关键技术受限，高端产品进口依赖性较强。未来本土企业还需加大产品研发力度，不断突破关键技术，进而加快布局高端市场步伐，国内热管理材料行业未来还有巨大发展空间。



1、热管理材料



热管理，顾名思义，就是对“热”进行管理，英文是：Thermal Management。热管理系统广泛应用于国民经济以及国防等各个领域，控制着系统中热的分散、存储与转换。先进的热管理材料构成了热管理系统的物质基础，而热传导率则是所有热管理材料的核心技术指标。



热管理材料是指通过调整成分增加系统功率输出的材料，其主要功能在于提高产品散热效果、提高热传导效率、保证系统工作温度适宜，是消费电子、汽车电子、动力电池、通信设备等领域必备材料。根据成分不同，热管理材料可分为热油脂、相变材料、热传导弹性体、碳基热界面材料等。



热管理材料产业链上游为高分子聚合物、硅橡胶、导电导热颗粒等原材料供应商；中游为思泉新材、华峰铝业、博恩、世兴科技、飞荣达等热管理材料生产商；下游为消费电子、汽车电子、通信设备、数据中心、动力电池、储能等应用领域。



热管理材料行业发展受国家政策大力支持，工信部发布的《基础电子元器件产业发展行动计划（2021-2023）》提出，支持电子元器件上游电子陶瓷材料、磁性材料、电池材料等电子功能材料，电子浆料等工艺与辅助材料的研发和生产，提升配套能力，推动关键环节电子专用材料研发与产业化。新思界产业分析人员表示，未来在政策持续利好下，我国热管理材料高端市场国产替代进程将不断加快，行业发展潜力巨大。



2、5G时代高功率、高集成、高热量趋势明显，热管理成为智能手机的“硬需求”



2022年以来，5G技术迈向全面普及，消费电子产品向高功率、高集成、轻薄化和智能化方向加速发展。由于集成度、功率密度和组装密度等指标持续上升，5G时代电子器件在性能不断提升的同时，工作功耗和发热量急剧升高。据统计，电子器件因热集中引起的材料失效占总失效率的65%~80%。为避免过热带来的器件失效，导热硅脂、导热凝胶、石墨导热片、热管和均热板（VC）等技术相继出现、持续演进，散热管理已经成为5G时代电子器件的“硬需求”。



目前，电子器件使用的散热技术主要包括石墨散热、金属背板、边框散热、导热凝胶散热等导热材料以及热管、VC等导热器件。其中，导热凝胶、导热硅脂、石墨片和金属片主要在中小型电子产品使用，热管和VC则主要用在笔记本、电脑、服务器等中大型电子设备。



导热系数和厚度是评估散热材料的核心指标。传统手机散热材料以石墨片和导热凝胶等热界面材料为主，但是石墨片存在导热系数相对较低，热界面材料则存在厚度相对较大等问题。在手机厂商的推动下，石墨烯材料持续取得突破，开始切入到消费电子散热应用；热管和VC厚度不断降低，开始从电脑、服务器等领域渗透到智能手机领域。



3、热管理材料的最新研究进展



聚合物基导热材料主要研究集中在填充型导热聚合物方向，用于导热界面材料的聚合物基体主要有：有机硅、环氧树脂、聚氨酯及聚异丁烯等。导热填料类型主要有：⑴碳类，如无定型碳、石墨、金刚石、碳纳米管和石墨烯等；⑵陶瓷类，如氮化硼（BN）、氮化铝（AlN）、氮化硅（Si3N4）、碳化硅（SiC）、氧化镁（MgO）、氧化铝（Al2O3）和氧化硅（SiO2）等。填料的添加量、形状、尺寸、混合比例、表面处理及取向、团聚、网络结构等都对聚合物基导热材料的热导率有很大的影响。目前，研究者主要将精力集中在设计新型的聚合物/填料复合材料，主要通过优化导热填料的本征化学/物理结构、定构导热填料的三维网络等方式提高聚合物复合材料的导热性能。



华东理工大学吴唯教授课题组通过Cu2+的原位还原，实现了在二维氮化硼（BN）片层对零维纳米Cu球的负载，制备出全新的BN@Cu杂化填料。由于这种BN@Cu杂化填料特殊的结构特征，一方面提高了填料表面粗糙度，二维BN填料表面因零维纳米Cu球的凸起更易形成稳定的导热网络；另一方面增大了填料与基体间接触面积，使热量从聚合物基体以声子传递形式经二维BN平台作用再通过纳米Cu球传导提供了更通畅的通道，减少了声子散射。二者共同作用的结果，有效提高了聚合物的热导率。通过对不同负载量下杂化填料对聚合物导热性能的研究，获得了对构建导热网络最为有效的填料结构，将聚合物导热系数提高了500%。这类新型杂化导热填料相对于单一导热填料而言，不仅在构建导热网络的能力上体现出明显优势，还能大幅降低接触热阻，对提高聚合物导热性能研究具有重要的科学意义及应用价值

南京理工大学化工学院吴凯副教授一直致力于聚合物复合材料的热管理研究，围绕导热系数低和耐温性问题提出了一系列提高聚合物复合材料导热性能的新方法。例如，构筑贯穿双网络结构（Compos. Sci. Technol.2016, 130, 28（一区）;Compos. Sci. Technol. 2017, 151,193（一区））、设计隔离双网络结构（ACS Appl. Mater.Interfaces 2017, 9, 7637（一区）;Compos. Sci. Technol.2017, 151, 193（一区））、二维导热纳米片边缘选择性羟基化的策略（J. Mater. Chem. A2018, 6, 11863（一区）;ACS Appl. Mater. Interfaces 2017,9, 30035（一区）;ACS Appl. Mater. Interfaces 2019,11, 40685（一区））等。



上海大学纳米科学与技术研究中心丁鹏研究员团队开发出热响应性的导热材料，通过材料自身结构设计实现了材料在特定温度条件下触发的主动热响应行为，将其应用于电子器件上表现出主动散热的智能热管理效果。基于可调控的强共价键作为永久交联网络，氢键作为可牺牲和可恢复的交联网络组成双交联氮化硼网络。结合可相变的聚乙二醇，制备了热响应聚合物复合材料。通过密度泛函理论（DFT）以及分子动力学模拟（MD）计算，模拟了不同比例的羟基化氮化硼（BNNSs-OH）和聚乙烯醇（PVA）之间所成氢键键能以及所成氢键个数，对双交联网络进行了调控。结果表明，BNF（B1P1.5）具有良好的弹性和较高的抗压强度。此外，对导热网络进行了优化设计，得到了具有良好导热性能和传热性能的聚乙二醇/氮化硼/双交联网络热响应聚合物复合材料。得到的热响应聚合物复合材料具有良好的散热性能（ΔTmax=10℃)，同时能够通过自身形状的变化显示器件温度的变化。这一研究工作通过材料结构设计和性能调控，促进了多功能导热复合材料的发展。