【导语】5G时代巨大数据流量对于通讯终端的芯片、天线等部件提出了更高的要求，器件功耗大幅提升的同时，引起这些部位发热量的急剧增加。热管理材料是当前5G射频芯片、毫米波天线、无线充电、无线传输、IGBT、印刷线路板、AI和物联网等领域最为有效的散热材料，具有不可替代性。

一、什么是热管理?

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。

当微电子材料或器件相互接合时，实际的接触面积只有宏观接触面积的10%，其余的均为充满空气的间隙，而空气导热系数低于0.03W/(m·K)，是热的不良导体，这会降低系统散射效率。使用具有高热导率和延展性的热界面材料（TIM）填充这些间隙，从而在微电子器件和散热器间建立无间隙的接触，可以大幅度降低接触热阻。

热界面材料的工作示意图

理想的TIM材料应具备以下几种特性：①高热性，减少热界面材料本身的热阻；②高柔韧性，保证在较低安装压力条件下热界面材料能够最充分地填充接触表面的空隙，保证热界面材料与接触面间的接触热阻很小；③绝缘性；④安装简便并具可拆性；⑤适用性广，既能被用来填充小空隙，又能填充大缝隙。

聚合物具有高柔韧性、绝缘性的特点，广泛应用于热界面材料。而作为热界面材料，高的热导率是必需的。而通常的聚合物材料以及橡胶材料的热导率都比较低，添加无机填料比如氧化铝、氮化铝、碳化硅、氮化硼以及碳纳米管等，可以有效改善聚合物材料的热导率，但是一直以来存在的问题是：无机填料的加入，会使聚合物材料变脆、变硬，可加工性和柔韧性下降，这些恰恰使得聚合物作为高可加工材料的优势丧失殆尽。目前国际、国内针对材料柔韧性下降这个问题并没有很好的解决方案，通常的做法是使用柔韧性尽量好的聚合物基体材料，另外，在保持材料柔韧性和获得高热导率之间寻求一个良好的平衡。

二、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。

三、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. A 2018, 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（ΔT_max=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。