摘要：隨著電子設(shè)備功率密度的提高，電子器件的電磁兼容和散熱問題日趨嚴(yán)重，兼具雙功能特性的導(dǎo)熱吸波材料成為解決該問題的新趨勢(shì)。目前，該類材料主要的研發(fā)思路是在高分子基體中同時(shí)加入導(dǎo)熱填料和吸波劑以實(shí)現(xiàn)材料的導(dǎo)熱吸波雙功能。然而，橡膠等高分子材料中功能填料添加量存在最大限度，導(dǎo)熱填料與吸波劑添加量存在此消彼長(zhǎng)的問題，難以實(shí)現(xiàn)兩種性能的協(xié)同提升。目前，尚無(wú)有效手段解決這一難題，只能通過(guò)協(xié)調(diào)兩種功能填料的添加比例，確定材料導(dǎo)熱和吸波性能的最優(yōu)平衡點(diǎn)。

鑒于影響材料導(dǎo)熱性能和吸波性能的因素很多，且各因素之間相互影響，本領(lǐng)域?qū)W者通過(guò)研究填料組分之間的關(guān)系，綜合分析了粒徑、結(jié)構(gòu)參數(shù)和成型工藝參數(shù)等因素對(duì)材料性能的影響，最終得到了對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有較高指導(dǎo)價(jià)值的組分調(diào)節(jié)機(jī)理和方法。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，導(dǎo)熱吸波材料的制備技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但仍存在一些技術(shù)瓶頸沒有突破，制約著整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。例如，缺乏材料微觀結(jié)構(gòu)和功能單元模型、通用設(shè)計(jì)理論不能指導(dǎo)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)、尚無(wú)兼具導(dǎo)熱與吸波功能的單組分填料等問題都嚴(yán)重制約了導(dǎo)熱吸波材料基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理論的發(fā)展。在導(dǎo)熱吸波材料的工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中，材料導(dǎo)熱性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)種類多，測(cè)試結(jié)果不具有對(duì)比性，而吸波性能目前存在兩種評(píng)價(jià)方法，其在評(píng)價(jià)指標(biāo)、測(cè)試原理、測(cè)試方法和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)等方面存在較大差異，檢測(cè)結(jié)果無(wú)法橫向比較。綜上，目前導(dǎo)熱吸波材料的性能評(píng)價(jià)缺少統(tǒng)一規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重制約了產(chǎn)品的推廣應(yīng)用。同時(shí)，導(dǎo)熱吸波材料的主要功能指標(biāo)還需要進(jìn)一步提升，以滿足實(shí)際使用的需求。

本文綜述了導(dǎo)熱吸波材料的研究歷程和最新研究進(jìn)展，分析了導(dǎo)熱吸波材料研究中需要解決的問題，并展望了其未來(lái)的研究熱點(diǎn)和技術(shù)發(fā)展方向，旨在為制備高性能導(dǎo)熱吸波材料提供參考，提升行業(yè)技術(shù)水平，改善產(chǎn)品性能。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)熱吸波材料 導(dǎo)熱性能 吸波性能

引言

隨著電子設(shè)備功率和集成度提升，系統(tǒng)內(nèi)部的功率密度越來(lái)越高，在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生大量廢熱。由于電子設(shè)備內(nèi)空間狹小、空氣流通性差，廢熱難以向設(shè)備外部及時(shí)傳導(dǎo)/輻射，導(dǎo)致器件溫度上升，造成設(shè)備工作性能下降甚至燒毀。因此，在高功率芯片、CPU 處理器等位置需要考慮器件的散熱問題，通常采用導(dǎo)熱硅橡膠把多余的熱量傳導(dǎo)至外界低溫環(huán)境中，避免器件過(guò)熱，且表層熱量沿面方向擴(kuò)散均勻，避免點(diǎn)熱源事故發(fā)生。

人們?cè)谕ㄟ^(guò)導(dǎo)熱硅橡膠解決散熱問題的同時(shí)，發(fā)現(xiàn)電子設(shè)備的電磁污染、信息泄露等問題也變得越來(lái)越嚴(yán)重。在密閉環(huán)境中大量電子元器件在工作時(shí)會(huì)向外界發(fā)射電磁輻射，對(duì)周圍設(shè)備造成電磁干擾，需要在電子元器件表面貼合吸波材料來(lái)解決這一問題。而電子設(shè)備內(nèi)部空間狹小，導(dǎo)熱硅橡膠已經(jīng)占據(jù)了器件表面縫隙空間，無(wú)法疊加使用吸波材料。因此，導(dǎo)熱吸波材料已經(jīng)成為解決電子設(shè)備高效散熱和電磁兼容問題最有效的手段。

目前，市場(chǎng)出現(xiàn)了各類型的導(dǎo)熱吸波貼片、導(dǎo)熱吸波涂料、導(dǎo)熱吸波殼體等產(chǎn)品，這類產(chǎn)品具有電磁雜波吸收功能良好和體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)導(dǎo)熱性能優(yōu)于傳統(tǒng)吸波材料，可以降低設(shè)備內(nèi)部熱阻值，增強(qiáng)產(chǎn)品的散熱能力，平衡熱量與電磁干擾帶來(lái)的雙重問題。

01 導(dǎo)熱吸波材料的研究歷程及進(jìn)展

近年來(lái)，以半導(dǎo)體元件為代表的電子器件尺寸越來(lái)越小，發(fā)熱量不斷提高，同時(shí)伴隨而來(lái)的電磁干擾問題也越來(lái)越嚴(yán)重。使用導(dǎo)熱吸波材料可以有效降低電子零部件的工作溫度，同時(shí)減少或屏蔽其產(chǎn)生的電磁雜波。基于市場(chǎng)需求，行業(yè)內(nèi)部總結(jié)出導(dǎo)熱吸波材料應(yīng)具備的基本性能特征，如表1 所示。

表1 導(dǎo)熱吸波材料的性能需求指標(biāo)

1.1 實(shí)驗(yàn)探索階段

導(dǎo)熱吸波材料整體研發(fā)思路大致相同，即向高分子基體中添加功能填料使材料具有導(dǎo)熱或吸波功能。吸波材料通常在基體中添加鐵氧體、羰基鐵、羥基鐵、羥基鎳、羥基鈷、導(dǎo)電聚苯胺、鈦酸鋇、石墨、碳纖維等吸波劑以獲得優(yōu)異的吸波性能，但填料與基體的導(dǎo)熱系數(shù)普遍偏低。導(dǎo)熱材料目前多采用氧化鋁、氧化鎂、氮化鋁、氮化硅、氮化硼等絕緣填料，這些填料均不具備吸波功能。各研發(fā)單位通常在前期導(dǎo)熱材料、吸波材料的研究基礎(chǔ)上，通過(guò)在基體材料中混合加入傳統(tǒng)導(dǎo)熱填料和吸波劑，獲得兼具導(dǎo)熱、吸波功能的材料。

然而，由于橡膠等基體材料中功能填料的加入總量存在上限，某種(導(dǎo)熱、吸波)填料添加量的提升必然造成另一種功能填料添加量的降低，使得導(dǎo)熱吸波材料的導(dǎo)熱性能與吸波性能存在此消彼長(zhǎng)的矛盾，難以實(shí)現(xiàn)材料導(dǎo)熱性能和吸波性能的同步提升。目前導(dǎo)熱吸波材料的研發(fā)只能通過(guò)綜合協(xié)調(diào)兩種填料的添加比例來(lái)平衡材料的導(dǎo)熱、吸波兩種性能指標(biāo)，無(wú)法滿足敏感電子器件對(duì)材料兼具電磁波吸收功能和高效熱傳導(dǎo)能力的要求。

導(dǎo)熱吸波材料的研發(fā)方法較為簡(jiǎn)單、常規(guī)，但制備出的導(dǎo)熱吸波材料難以實(shí)現(xiàn)高效熱傳導(dǎo)性能和強(qiáng)電磁波吸收的兼容。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從導(dǎo)熱、吸波單一功能材料的開發(fā)思路出發(fā)，尋找產(chǎn)生問題的原因，發(fā)現(xiàn)在材料微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要材料內(nèi)的吸波成分充分分散、隔離，以提高吸波效果、拓寬頻率范圍，而要提高材料的導(dǎo)熱性能，要求材料內(nèi)部高連續(xù)、低缺陷，形成熱通路網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致材料的導(dǎo)熱、吸波應(yīng)用在結(jié)構(gòu)方面存在設(shè)計(jì)矛盾，特別是導(dǎo)熱填料的加入還會(huì)影響吸波劑功能的發(fā)揮，不利于材料吸波性能的設(shè)計(jì)，增加了導(dǎo)熱吸波材料的開發(fā)難度和成本，延長(zhǎng)了開發(fā)周期。同時(shí)，導(dǎo)熱吸波材料主要是由導(dǎo)熱填料、吸波劑以及橡膠高分子基體組成，當(dāng)導(dǎo)熱劑和吸波劑的含量較高時(shí)，會(huì)帶來(lái)如材料的黏度增大、成型困難和成本提高等諸多問題，影響其在實(shí)際中的應(yīng)用。

針對(duì)材料導(dǎo)熱和吸波性能的影響因素較多且不同因素之間存在交叉作用的情況，該領(lǐng)域?qū)W者通過(guò)研究功能填料組分、顆粒尺寸、結(jié)構(gòu)參數(shù)以及成型工藝參數(shù)等多因素之間的影響關(guān)系，綜合分析各因素共同作用對(duì)材料性能的影響，試圖獲得具有實(shí)際指導(dǎo)價(jià)值的調(diào)控機(jī)制和方法。

Zivkovic 等采用氮化硼(BN) 作為功能填料，利用 BN的高導(dǎo)熱特性以及電磁參數(shù)可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，制備兼具導(dǎo)熱和吸波功能的環(huán)氧樹脂基材料，通過(guò)粉體直接添加、機(jī)械混合、高溫固化等工藝完成了環(huán)氧樹脂基導(dǎo)熱吸波材料的制備，并與現(xiàn)有成熟產(chǎn)品性能進(jìn)行對(duì)比，最終制備出的材料的導(dǎo)熱系數(shù)和電磁參數(shù)如表2 所示。

表2 負(fù)載不同 BN含量的環(huán)氧樹脂熱導(dǎo)率和復(fù)介電常數(shù)

Zou 等以氧化鋁粉作為導(dǎo)熱劑，羰基鐵粉作為電磁波吸收劑，烯基硅油和含氫硅油為黏接劑制備導(dǎo)熱吸波硅橡膠，研究了羰基鐵粉和氧化鋁粉的配比對(duì)硅橡膠硫化前黏度、硫化后導(dǎo)熱和吸波性能的影響，旨在為導(dǎo)熱吸波材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。制備的導(dǎo)熱吸波材料的導(dǎo)熱系數(shù)為2W/(m·K)，熱阻抗為 6℃·cm2/W，在5~15 GHz的頻率范圍內(nèi)反射率小于-5db，樣品的顯微形貌圖片如圖1 所示。

圖1 (a)氧化鋁、(b)羰基鐵、(c)W-4 的掃描電鏡圖和(d)W-4 的放大圖

Wang 等開發(fā)出一系列導(dǎo)熱型電磁波吸收片，在不改變?cè)O(shè)備 PCB設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)排除界面空氣、提升散熱效率來(lái)解決設(shè)備的過(guò)熱問題，同時(shí)通過(guò)吸波功能解決設(shè)備內(nèi)部或設(shè)備之間的電磁干擾行為，具有操作簡(jiǎn)便、效果顯著的特點(diǎn)(圖2)，驗(yàn)證了導(dǎo)熱吸波材料的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖2 導(dǎo)熱吸波材料在屏蔽罩內(nèi)的使用示意圖

1.2 導(dǎo)熱吸波材料的工業(yè)級(jí)規(guī)模化制備

基于以上技術(shù)基礎(chǔ)，國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)也逐步研發(fā)出適用于規(guī)模化導(dǎo)熱吸波材料制備的技術(shù)。Ding等提出以丙烯酸樹脂作為基體材料，氧化鋁、氧化鋅作為導(dǎo)熱填料，采用鐵氧體和金屬顆粒作為吸波成分，通過(guò)混合壓制得到無(wú)硅導(dǎo)熱吸波材料。Lai等以固體硅橡膠為基體材料，加入不同成分的導(dǎo)熱、吸波粉體填料，按照配比將各組分混合均勻，通過(guò)模壓成型工藝制備出導(dǎo)熱吸波材料。由于導(dǎo)熱吸波材料在電子信息領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)外主要的電磁防護(hù)材料生產(chǎn)單位均通過(guò)自主開發(fā)導(dǎo)熱吸波功能粉體、復(fù)配功能粉體等方式生產(chǎn)各類型的導(dǎo)熱吸波材料產(chǎn)品，如表3 所示。

表3 近年來(lái)導(dǎo)熱吸波材料性能對(duì)比

國(guó)外生產(chǎn)企業(yè)在材料組分設(shè)計(jì)方面不僅對(duì)材料主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)(導(dǎo)熱系數(shù)、電磁波衰減系數(shù)、密度等) 進(jìn)行了評(píng)估，同時(shí)也考慮了具體使用環(huán)境的相關(guān)要求(耐高溫性能、揮發(fā)性能等)，進(jìn)行了三元甚至四元復(fù)合功能填料配方設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱吸波雙功能的兼容。在工藝技術(shù)途徑方面，可以歸納為：功能粉體制備→多類別粉體復(fù)配→粉體表面處理→基體高分子改性→組分正向設(shè)計(jì)→均勻化分散→固化成型→修正邊緣。圖3 為國(guó)外某型導(dǎo)熱吸波材料產(chǎn)品的掃描電子顯微鏡圖片，可以看出材料內(nèi)部填充有大量球狀顆粒，通過(guò)物相分析證明其功能填料主要包括氧化鋅、氧化鋁、羰基鐵、鋁硅鐵合金。

圖3 導(dǎo)熱吸波材料的掃描電鏡照片

基于國(guó)內(nèi)外同行單位的研究基礎(chǔ)，筆者所在單位結(jié)合自身電磁防護(hù)主專業(yè)方向，探索高性能導(dǎo)熱吸波材料的制備技術(shù)，通過(guò)開展材料電磁特性和導(dǎo)熱性能調(diào)控、導(dǎo)熱吸波雙功能多組分功能粉體復(fù)配、橡膠基導(dǎo)熱吸波材料成型控制等多項(xiàng)研究，掌握了硅橡膠材料電磁波衰減特性與熱傳導(dǎo)功能兼容設(shè)計(jì)技術(shù)、復(fù)合功能填料分散可控方法等核心制備工藝，突破了制約導(dǎo)熱吸波材料性能提升的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了材料導(dǎo)熱/吸波雙功能的調(diào)控，完成了橡膠基材料單一功能的開發(fā)到多功能集成的跨越，開發(fā)出完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能導(dǎo)熱吸波材料，典型產(chǎn)品的電子顯微鏡圖片如圖4所示。

圖4 筆者所在單位研發(fā)的導(dǎo)熱吸波材料的 SEM圖

02 現(xiàn)階段導(dǎo)熱吸波材料研究存在的問題

經(jīng)過(guò)十多年發(fā)展，導(dǎo)熱吸波材料已日益標(biāo)準(zhǔn)化、體系化，工業(yè)級(jí)的導(dǎo)熱吸波材料產(chǎn)品也已經(jīng)定型批量生產(chǎn)，其性能穩(wěn)步提升，已應(yīng)用在軍民電子設(shè)備領(lǐng)域，這就需要人們進(jìn)行深入思考：導(dǎo)熱吸波材料的生產(chǎn)制備技術(shù)已經(jīng)有了迅猛突破，還存在哪些技術(shù)瓶頸沒有突破，制約著整個(gè)行業(yè)發(fā)展。筆者根據(jù)在行業(yè)內(nèi)多年的從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為導(dǎo)熱吸波材料還存在以下四個(gè)方面問題。

2.1 導(dǎo)熱吸波材料的微觀結(jié)構(gòu)模型及設(shè)計(jì)理論尚未建立

由于導(dǎo)熱吸波材料屬于工程應(yīng)用材料領(lǐng)域，研究的重點(diǎn)一直以提高性能為主要目標(biāo)，即直接采用不同種類、不同形態(tài)的功能粉體進(jìn)行復(fù)配，通過(guò)調(diào)整添加量改善性能，并未從微觀層面出發(fā)對(duì)不同種填料間的相互作用機(jī)理進(jìn)行深入研究。導(dǎo)熱吸波材料一般由基體高分子材料與多種功能填料復(fù)合而成，功能填料的成分、添加量、微觀形貌、分布狀態(tài)對(duì)材料電磁特性、熱傳導(dǎo)效能的影響規(guī)律還沒有相應(yīng)的物理模型和指導(dǎo)理論。

根據(jù)傳統(tǒng)的導(dǎo)熱增強(qiáng)相“海-島”結(jié)構(gòu)模型以及電磁波吸收機(jī)理開展導(dǎo)熱吸波材料的組分設(shè)計(jì)，理論設(shè)計(jì)預(yù)期與實(shí)際測(cè)試結(jié)果之間存在較大誤差，理論不能有效指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。因此，材料微觀結(jié)構(gòu)和功能單元模型的缺失、理論與工業(yè)化生產(chǎn)的脫節(jié)、多種功能填料復(fù)合使用指南空白等一系列應(yīng)用理論的滯后，嚴(yán)重制約著導(dǎo)熱吸波材料基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理論的發(fā)展。

2.2 導(dǎo)熱吸波材料的性能評(píng)價(jià)與測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一

導(dǎo)熱吸波材料最重要的性能指標(biāo)是導(dǎo)熱系數(shù)和吸波性能。而目前行業(yè)單位內(nèi)對(duì)這兩個(gè)性能在評(píng)價(jià)指標(biāo)、測(cè)試原理、測(cè)試方法以及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)方面都存在著較大差異，互相之間的測(cè)試數(shù)據(jù)相差很大，導(dǎo)致該類產(chǎn)品在研制、使用過(guò)程中無(wú)章可循，嚴(yán)重制約了該類產(chǎn)品的推廣應(yīng)用，具體分析如下。

2.2.1 熱導(dǎo)率

目前，行業(yè)內(nèi)針對(duì)導(dǎo)熱吸波材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試主要采用以下兩個(gè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：(1)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn) ASTM D5470《熱導(dǎo)性電絕緣材料熱傳輸特性標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》;(2) 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn) GB/T22588-2008《閃光法測(cè)量熱擴(kuò)散系數(shù)或?qū)嵯禂?shù)》。

圖5 ASTM D5470 熱流法測(cè)試裝置的基本構(gòu)造示意圖

圖5為 ASTM D5470 熱流法測(cè)試裝置的基本構(gòu)造示意圖，測(cè)試原理是通過(guò)對(duì)樣品施加一定的熱流量、壓力來(lái)測(cè)試樣品的厚度和在熱板/冷板間的溫度差，從而得到樣品的導(dǎo)熱系數(shù)，這種測(cè)試方式更能模擬實(shí)際的使用狀態(tài)，接近實(shí)際使用場(chǎng)景。GB/T22588-2008 等同于美標(biāo) ASTM E1461《用閃光法確定固體熱擴(kuò)散率試驗(yàn)方法》，采用高強(qiáng)度的能量脈沖對(duì)小而薄的圓盤試樣進(jìn)行短時(shí)間的輻照，熱擴(kuò)散系數(shù)的值通過(guò)試樣的厚度和低溫表面溫度上升到某一值所需要的時(shí)間來(lái)計(jì)算，實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)是材料的熱擴(kuò)散系數(shù)，其導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算公式為 λ=α·Cp·ρ(α為熱擴(kuò)散系數(shù)，Cp為比熱容，ρ為體積密度)。

在很多文獻(xiàn)中均提出 ASTM D5470 和 GB/T22588-2008 兩種測(cè)試方法的結(jié)果較為接近，認(rèn)為兩種結(jié)果可以交叉使用對(duì)比。筆者認(rèn)為兩種測(cè)試方法存在顯著差距，從測(cè)試方法可以看出，ASTM D5470 可以通過(guò)測(cè)試三個(gè)不同厚度的樣品的擬合曲線來(lái)消除界面熱阻因素，反映出使用狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)，而 GB/T22588-2008 是一種激光閃射法，反映的是材料自身內(nèi)部的熱傳導(dǎo)性，但沒有考慮界面接觸熱阻的影響。因此，不能簡(jiǎn)單認(rèn)為結(jié)果較為接近就混淆兩種測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。筆者通過(guò)長(zhǎng)期的工作經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為 ASTM D5470 更為適合導(dǎo)熱吸波材料這種墊片類產(chǎn)品的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試。

2.2.2 吸波性能

目前，衡量導(dǎo)熱吸波材料的電磁波吸收性能主要通過(guò)兩個(gè)指標(biāo)：(1)反射率;(2)電磁波衰減系數(shù)。

(1)反射率。按照 GJB 2039A-2011《雷達(dá)吸波材料反射率測(cè)試方法》直接對(duì)導(dǎo)熱吸波材料進(jìn)行電磁波吸收性能的測(cè)試，該方法是國(guó)內(nèi)對(duì)吸波材料性能進(jìn)行評(píng)價(jià)使用最廣泛的一種方法，測(cè)試時(shí)電磁波信號(hào)由網(wǎng)絡(luò)分析儀通過(guò)一個(gè)天線發(fā)射，信號(hào)入射到待測(cè)樣品并被反射出去，反射后的信號(hào)被另一個(gè)天線接收并送至網(wǎng)絡(luò)分析儀。由于吸波材料的作用，發(fā)射功率和接收功率存在一定差值，這一差值轉(zhuǎn)化成 dB 為單位的數(shù)值就是樣品的反射率，測(cè)試系統(tǒng)如圖6 所示。

圖6 弓形法掃頻測(cè)量系統(tǒng)示意圖

(2)電磁波衰減系數(shù)。電磁波衰減系數(shù)是一種理論屬性，并非用于指示一種物料在一個(gè)微波設(shè)備內(nèi)的性能，而是根據(jù)損耗材料的復(fù)合介電常數(shù)和復(fù)合磁導(dǎo)率計(jì)算而得，是一種嚴(yán)格比較兩種吸收物料性能的方法。電磁波衰減系數(shù)可以直觀地體現(xiàn)出材料使用過(guò)程中對(duì)器件內(nèi)部電磁雜波的衰減，相關(guān)研究學(xué)者及生產(chǎn)企業(yè)逐漸采用這一指標(biāo)衡量材料的性能，但是目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)針對(duì)該指標(biāo)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，各單位根據(jù)各自硬件條件進(jìn)行測(cè)試，具體方法如表4 所示。

表4 電磁波衰減系數(shù)測(cè)試方法

筆者認(rèn)為，由于反射率主要用于測(cè)量平板型材料的吸波性能，測(cè)試源與吸波材料的距離較遠(yuǎn)，與導(dǎo)熱吸波材料的實(shí)際使用場(chǎng)景區(qū)別較大，測(cè)試結(jié)果更傾向于反映材料的吸波性能，并不能準(zhǔn)確地表征材料在器件內(nèi)部對(duì)電磁雜波的衰減，因此，電磁波衰減系數(shù)更加適合評(píng)價(jià)導(dǎo)熱吸波材料的吸波性能。

綜上所述，目前導(dǎo)熱吸波材料主要性能指標(biāo)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)還存在著種類繁多、標(biāo)準(zhǔn)各異的問題，在實(shí)際開發(fā)生產(chǎn)過(guò)程中還存在著很多由于行業(yè)規(guī)范性不強(qiáng)帶來(lái)的問題。由于缺乏統(tǒng)一化、專業(yè)化的導(dǎo)熱吸波材料性能測(cè)試方法與標(biāo)準(zhǔn)，各單位采用不同的測(cè)試方法獲得了差異顯著的結(jié)果，導(dǎo)致目前缺乏評(píng)判導(dǎo)熱吸波材料主要性能的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)后續(xù)裝備設(shè)計(jì)人員在導(dǎo)熱吸波材料的選型、使用和評(píng)價(jià)方面的指導(dǎo)性差，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)缺失、通用性不強(qiáng)，產(chǎn)品工藝及質(zhì)量輸入要素不完善，制約了整個(gè)行業(yè)的規(guī)范性發(fā)展。

2.2.3 導(dǎo)熱吸波材料的功能粉體填料無(wú)重大突破

導(dǎo)熱吸波材料的性能主要通過(guò)添加功能粉體來(lái)實(shí)現(xiàn)，材料的功能特性主要是由功能填料的性能決定。目前各單位生產(chǎn)的導(dǎo)熱吸波材料基本是將兩種以上單一功能粉體進(jìn)行復(fù)配，實(shí)現(xiàn)雙功能的復(fù)合，但是高分子基體材料中功能填料最多添加 90%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))左右，單純采用高導(dǎo)熱陶瓷、磁性粉體進(jìn)行復(fù)配已經(jīng)接近于理論性能極限，難以進(jìn)一步提升材料的導(dǎo)熱吸波功能。

雖然已有開發(fā)出兼具導(dǎo)熱、吸波功能的粉體材料(如碳纖維、改性氮化鋁、炭黑等)的相關(guān)報(bào)道，但尚未見使用單一功能填料真正實(shí)現(xiàn)高分子基體材料導(dǎo)熱、吸波性能共同提升的報(bào)道，且由于這類新型粉體材料大多數(shù)均需要納米尺度的摻雜、修飾、改性，合成方法復(fù)雜、工藝重復(fù)性差，無(wú)法保證產(chǎn)品性能穩(wěn)定，嚴(yán)重限制著這些新材料在導(dǎo)熱吸波領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用。同時(shí)這類粉體材料與基體高分子混合時(shí)，兩者物質(zhì)間界面相容性低，容易出現(xiàn)大面積宏觀偏析現(xiàn)象，極大地影響了填料性能的發(fā)揮。導(dǎo)熱吸波材料經(jīng)過(guò)多年的開發(fā)，迫切需要新型可規(guī)模化制備的雙功能增強(qiáng)粉體，通過(guò)單一粉體實(shí)現(xiàn)材料電磁波吸收功能和熱傳導(dǎo)能力的同步提升，解決生產(chǎn)中需要進(jìn)行復(fù)合填料的篩選以及成分配比調(diào)控等問題，為制備新型導(dǎo)熱吸波材料提供性能優(yōu)異的功能粉體原料。

2.2.4 導(dǎo)熱吸波材料性能仍需進(jìn)一步提高

散熱和電磁兼容是直接決定電子器件工作性能和使用壽命的兩個(gè)重要因素，器件工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量如果無(wú)法及時(shí)傳導(dǎo)至外界環(huán)境，必然造成自身溫度的大幅度升高、工作穩(wěn)定性下降甚至燒毀，而器件間的電磁干擾則會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備的正常工作。因此，在成本預(yù)算范圍內(nèi)，電子設(shè)備在生產(chǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程中通常會(huì)選擇性能盡可能高的導(dǎo)熱襯墊(熱導(dǎo)率通常大于 5W/(m·K))和吸波貼片(工作頻段反射率小于-10 dB)。使用導(dǎo)熱吸波材料的主要目的就是改善設(shè)備內(nèi)部電子器件的熱量堆積情況，同時(shí)減少或屏蔽其產(chǎn)生的電磁干擾，減小占用空間，提高內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊性，如圖7 所示，但其主要指標(biāo)與單一功能材料還有一定差距，而現(xiàn)有吸波材料的有效吸收范圍大多位于較高頻段內(nèi)，要想實(shí)現(xiàn)在P/L/S 等波段的低厚度強(qiáng)吸收依舊存在一定困難，使用導(dǎo)熱吸波材料的輔助優(yōu)勢(shì)還不足以彌補(bǔ)主要功能指標(biāo)的差距，造成其使用領(lǐng)域受到一定局限。

圖7 導(dǎo)熱吸波材料使用示意圖

03 導(dǎo)熱吸波材料未來(lái)研究發(fā)展方向

導(dǎo)熱吸波材料作為新型多功能電磁防護(hù)材料，經(jīng)過(guò)十多年的不懈努力，已經(jīng)取得了可喜的成果并且實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，目前導(dǎo)熱吸波材料的研究在國(guó)內(nèi)受到較高關(guān)注，結(jié)合已取得的成果，未來(lái)該領(lǐng)域應(yīng)著重開展以下幾個(gè)方面的研究。

3.1 建立新型材料結(jié)構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)雙功能一體化設(shè)計(jì)

由于目前缺乏可以指導(dǎo)生產(chǎn)的導(dǎo)熱吸波材料功能單元體模型和相應(yīng)的組分設(shè)計(jì)方法，未來(lái)在導(dǎo)熱吸波材料機(jī)理方面，可以選取成熟的單一功能粉體填料為基礎(chǔ)，建立復(fù)合粉體/高分子基體的功能單元體模型。揭示基于“功能粉體/高分子基體”結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)熱網(wǎng)鏈搭建機(jī)制，開展粉體分布對(duì)界面熱傳導(dǎo)性能的影響規(guī)律研究。同時(shí)，結(jié)合吸波劑的電磁波吸收原理，提取材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，分析材料內(nèi)部高導(dǎo)熱網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波響應(yīng)的影響規(guī)律，開展導(dǎo)熱網(wǎng)鏈分布參數(shù)與吸波劑微觀形態(tài)的協(xié)同設(shè)計(jì)，綜合調(diào)整材料內(nèi)部的導(dǎo)熱網(wǎng)鏈分布參數(shù)和配套的吸波劑成分及微觀尺寸，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱性能與吸波性能的同步提升。

3.2 建立專業(yè)性的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)行業(yè)統(tǒng)一規(guī)范的評(píng)價(jià)體系

鑒于導(dǎo)熱吸波材料的評(píng)價(jià)指標(biāo)、測(cè)試原理、測(cè)試方法以及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)方面都存在著較大差異的現(xiàn)狀，未來(lái)行業(yè)內(nèi)的科研、生產(chǎn)單位必將討論出臺(tái)關(guān)于導(dǎo)熱吸波材料性能測(cè)試方法與要求的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，建立完整的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)體系，對(duì)該領(lǐng)域產(chǎn)品的研制、生產(chǎn)和性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行必要的技術(shù)規(guī)范和引導(dǎo)，進(jìn)一步促進(jìn)該領(lǐng)域技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展，以充分發(fā)揮“標(biāo)準(zhǔn)先行”的指導(dǎo)作用和對(duì)該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的促進(jìn)作用。

3.3 探索新型功能粉體制備技術(shù)，提高功能填料性能

為了滿足高精尖電子設(shè)備對(duì)導(dǎo)熱吸波材料的性能要求，以鏈狀高分子材料(硅橡膠)為應(yīng)用對(duì)象，開發(fā)真正意義上兼具導(dǎo)熱、吸波雙功能的粉體填料，突破原有性能指標(biāo)上限，從根本上解決目前制約導(dǎo)熱吸波材料性能提升的瓶頸問題。目前新材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)是石墨烯，作為二維sp2鍵雜化的單層碳原子晶體，其低維結(jié)構(gòu)可顯著削減晶界處聲子的邊界散射，具有獨(dú)特的二維周期蜂窩狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)單元中所存在的穩(wěn)定碳六元環(huán)賦予其優(yōu)異的熱性能，被認(rèn)為是優(yōu)秀的導(dǎo)熱材料。此外，通過(guò)對(duì)石墨烯粉體進(jìn)行表面修飾(引入磁性粉體顆粒如鋇鐵氧體、鎳鋅鐵氧體等)，進(jìn)而將其添加在基底材料中改善材料整體的阻抗匹配特性，提升電磁波吸收性能，有望研發(fā)出新型石墨烯導(dǎo)熱吸波材料。未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)這也將成為導(dǎo)熱吸波材料領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。

3.4 結(jié)合多學(xué)科研究成果，探索導(dǎo)熱吸波材料性能提升新思路

隨著相關(guān)仿真技術(shù)的進(jìn)步以及人工材料、智能材料及薄膜型吸波材料制備水平的提高，新型材料設(shè)計(jì)方法手段日趨成熟，實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料電磁參數(shù)的主動(dòng)設(shè)計(jì)，突破了傳統(tǒng)材料對(duì)電磁特性的局限，給材料性能設(shè)計(jì)及制備提供了新的自由度。以此為技術(shù)基礎(chǔ)，通過(guò)材料組分解決熱量傳輸要求，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足對(duì)電磁波的高效吸收。這一方向結(jié)合了電磁場(chǎng)與微波、材料科學(xué)、微納加工等領(lǐng)域最新的研究成果，學(xué)科交叉性強(qiáng)、未來(lái)應(yīng)用前景廣闊，已經(jīng)逐步引起國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的關(guān)注，將成為導(dǎo)熱吸波材料領(lǐng)域的研究新熱點(diǎn)。

04 結(jié)語(yǔ)與展望

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外在導(dǎo)熱吸波材料的研制方面已經(jīng)開展了深入研究，取得了可喜的成果，也正是由于前期的迅猛發(fā)展，導(dǎo)熱吸波材料已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)發(fā)展的瓶頸期，性能進(jìn)一步提升還需要解決很多關(guān)鍵問題。未來(lái)導(dǎo)熱吸波材料的研究趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)方向：開展功能單元體模型模擬仿真及性能影響機(jī)理的研究，為實(shí)際生產(chǎn)制備提供理論指導(dǎo)，建立針對(duì)導(dǎo)熱吸波材料的指標(biāo)參數(shù)和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)行業(yè)統(tǒng)一規(guī)范的評(píng)價(jià)體系，將是導(dǎo)熱吸波材料行業(yè)規(guī)范發(fā)展的必經(jīng)之路，研發(fā)新體系的導(dǎo)熱吸波功能粉體，開發(fā)真正意義上兼具導(dǎo)熱、吸波雙功能的粉體填料，以及利用新思路、新方法設(shè)計(jì)制備新型智能型導(dǎo)熱吸波材料。

目前，與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，國(guó)內(nèi)導(dǎo)熱吸波材料性能還存在一定差距。該類材料主要用于高精尖電子設(shè)備研制、生產(chǎn)，且多數(shù)產(chǎn)品涉及國(guó)家安全，各國(guó)均嚴(yán)格限制高性能產(chǎn)品的出口，國(guó)內(nèi)用戶單位需要在國(guó)際市場(chǎng)高價(jià)采購(gòu)國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品，隨時(shí)面臨技術(shù)封鎖和禁止出口的風(fēng)險(xiǎn)，因此有必要加大自主研發(fā)力度，突破研發(fā)制備過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)高性能導(dǎo)熱吸波材料國(guó)產(chǎn)化。
責(zé)任編輯：彭菁