淺談導(dǎo)熱凝膠的研究方向

導(dǎo)熱凝膠作為導(dǎo)熱界面材料代表產(chǎn)品之一，由于具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)和較低的壓縮變形應(yīng)力，容易操作，可實現(xiàn)可連續(xù)性自動化生產(chǎn)而備受關(guān)注。隨著5G技術(shù)日漸成熟，電子設(shè)備的散熱要求越來越高，對導(dǎo)熱凝膠的性能要求也越來越高，其中在高導(dǎo)熱性能，以及在保持足夠?qū)嵝阅艿幕A(chǔ)上，減少或避免滲油，增加與被貼基材的密著力（粘附力）、耐老化等性能，是近年來的主要研究方向。

1、高導(dǎo)熱性能

目前提高硅膠導(dǎo)熱系數(shù)的常規(guī)方法是在硅橡膠中加入具有較高導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱劑粉體如準球/球形/角形氧化鋁、耐水解氮化鋁、單峰氮化硼、類球形氧化鎂、單峰氫氧化鋁、氧化鋅和碳納米管等功能性粉體，經(jīng)過攪拌、混合和封裝制成的凝膠狀導(dǎo)熱材料。

目前按照是否可導(dǎo)電，導(dǎo)熱硅橡膠中使用的導(dǎo)熱劑粉體可分為導(dǎo)電型導(dǎo)熱劑粉體和絕緣型導(dǎo)熱劑粉體。導(dǎo)電型導(dǎo)熱劑粉體包括鎳、銅、銀和鋁等金屬顆粒及碳材料，主要通過聲子和電子機制同時導(dǎo)熱，因此導(dǎo)熱系數(shù)較高。但隨著導(dǎo)電性填料的加入，硅橡膠的電絕緣性能會降低，限制了應(yīng)用領(lǐng)域。而絕緣型導(dǎo)熱劑粉體主要是金屬氧化物和碳族元素的化合物，即使在高填充量情況下，電絕緣性能幾乎不受影響，因此絕緣型硅橡膠復(fù)合材料在電子、電氣領(lǐng)域的應(yīng)用更廣。

2、低滲油性

硅凝膠硫化后為固液共存的狀態(tài)，交聯(lián)密度較低（為加成型硅橡膠的1/10~1/5），使得制得的導(dǎo)熱硅凝膠容易出現(xiàn)滲油的問題，從而污染電子器件，降低其長時間工作的可靠性，因此在提高有機硅樹脂導(dǎo)熱率的同時，需要避免滲油的產(chǎn)生。

導(dǎo)熱硅凝膠的交聯(lián)密度越大，其滲油量越小。這是因為交聯(lián)密度大的導(dǎo)熱硅凝膠體系中，更多的有機硅高分子相互反應(yīng)和交聯(lián)成完整的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系，流動性好、未交聯(lián)樹脂基本上不存在，因此減少了滲油量的產(chǎn)生。

導(dǎo)熱硅凝膠的流速和滲油率成正比，流速越大，滲油率越大；在硅油黏度保持不變時，隨著導(dǎo)熱劑粉體的不斷增加，導(dǎo)熱系數(shù)增加，導(dǎo)熱硅凝膠的流速出現(xiàn)明顯的下降，滲油率也逐漸降低。對于吸油值較高的導(dǎo)熱劑粉體，其滲油率相對更低，另外通過改性后使導(dǎo)熱劑粉體和硅油的接觸效果更好，就更利于構(gòu)建導(dǎo)熱通路，在保持較好的導(dǎo)熱系數(shù)的同時，滲油率更低。

3、高密著力（粘附力）

在某些應(yīng)用場合，如電池模組的PET膜和鋁合金之間對導(dǎo)熱硅凝膠有一定的密著力（粘附力）性能要求。導(dǎo)熱硅凝膠的密著力性能主要與膠體的黏性和本體強度相關(guān)，膠體的黏性決定了其在粘接界面上的粘接強度的大小，本體強度則決定了膠體本身被破壞時所需要的力，即通常所說的膠體的內(nèi)聚力。

密著力大小取決于膠體產(chǎn)生的界面粘接力與本體內(nèi)聚力中較小者。如果膠體的粘接力小于膠體本身被破壞時所需要的內(nèi)聚力時，發(fā)生界面破壞，密著力大小主要取決于膠體的粘接力即黏性；如果膠體的粘接力大于膠體本身被破壞時所需要的內(nèi)聚力時，發(fā)生內(nèi)聚破壞，密著力大小主要取決于本體內(nèi)聚力。

通過選擇合適粘度的基礎(chǔ)聚合物，調(diào)控交聯(lián)劑中的氫含量、導(dǎo)熱劑粉體與基體的質(zhì)量比等來改善導(dǎo)熱凝膠的密著力。

4、耐老化性

傳統(tǒng)導(dǎo)熱凝膠在存儲和使用過程中經(jīng)常會由于受熱和零部件擠壓容易出現(xiàn)“垂流”和“開裂”等現(xiàn)象，耐候性差，導(dǎo)致界面熱阻的大幅升高，廢熱無法及時導(dǎo)出，最終影響到電子設(shè)備的工作表現(xiàn)和使用壽命。

有研究表明通過對有機硅進行改性，增強了導(dǎo)熱凝膠的附著力、耐熱性；以及通過對導(dǎo)熱劑粉體進行改性，及復(fù)合導(dǎo)熱劑粉體等設(shè)計合理配方，既能在整體上提高導(dǎo)熱性能，又能賦予了導(dǎo)熱凝膠高耐候性、高附著力、抗老化性，改善導(dǎo)熱凝膠遷移、變硬、開裂現(xiàn)象。

結(jié)語

目前，導(dǎo)熱硅凝膠僅限于有機硅基體與常見的導(dǎo)熱劑粉體的共混復(fù)合，所得到的導(dǎo)熱硅凝膠的綜合性能欠佳，無法應(yīng)用于高端領(lǐng)域。因此，需要從有機硅樹脂本體、導(dǎo)熱劑粉體以及本體和導(dǎo)熱劑粉體復(fù)合等方面來提升導(dǎo)熱硅凝膠的綜合性能，如從有機硅基體的類型、分子量及其分布、黏度、比例等方面進行基體的設(shè)計，引入功能側(cè)鏈等方式進行基體的改性，借助樹枝狀或大環(huán)形結(jié)構(gòu)的含氫硅氧烷對基體進行交聯(lián)度優(yōu)化，對導(dǎo)熱劑粉體進行表面功能化，基體和導(dǎo)熱劑粉體復(fù)合時對填料的雜化處理等，這些都將成為導(dǎo)熱硅凝膠研究的新方向。

隨著高頻、高速5G時代的到來，電子器件的集成度的提高、聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量的增加以及天線數(shù)量的增長，設(shè)備的功耗不斷增大，發(fā)熱量也隨之快速上升。具有優(yōu)異綜合性能的新型導(dǎo)熱硅凝膠也必將成為戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域必不可少的材料之一，并廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。

參考來源：

陳維斌《導(dǎo)熱硅凝膠的研究與應(yīng)用進展》（中國膠粘劑）

林偉毅等《一種高耐候性的導(dǎo)熱凝膠組合物及其制備方法》（發(fā)明專利）