一文了解導(dǎo)熱材料

      陶氏進(jìn)軍電磁屏蔽市場(chǎng)，押寶導(dǎo)（散）熱材料。隨著5G浪潮的來(lái)襲，電子行業(yè)先進(jìn)材料也迎來(lái)了發(fā)展機(jī)遇。散熱是電子設(shè)備正常運(yùn)行必須克服的問(wèn)題，對(duì)電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，導(dǎo)熱材料、器件是不可缺少的關(guān)鍵。在儲(chǔ)能材料的設(shè)計(jì)、制備中，材料的導(dǎo)熱性也是需要考慮的重點(diǎn)。那么，目前的導(dǎo)熱材料有哪些？導(dǎo)熱材料的發(fā)展趨勢(shì)如何？本期帶你一文了解導(dǎo)熱材料，歡迎大家討論交流。

      導(dǎo)熱材料主要用于解決電子設(shè)備的散熱問(wèn)題，用于發(fā)熱源和散熱器的接觸界面之間，通過(guò)使用導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于空氣的熱界面材料，提高電子元器件的散熱效率。由于空氣是熱的不良導(dǎo)體，不能有將發(fā)熱元器件散發(fā)的熱量有效傳導(dǎo)，會(huì)影響器件工作穩(wěn)定性及使用壽命。導(dǎo)熱材料與器件的功能是填充發(fā)熱元器件與散熱元器件之間的空氣間隙，提高導(dǎo)熱效率。

      導(dǎo)熱材料

      導(dǎo)熱材料分類眾多，目前廣泛應(yīng)用的導(dǎo)熱材料包括合成石墨材料、導(dǎo)熱填隙材料、導(dǎo)熱凝膠、導(dǎo)熱硅脂、相變材料等。

      不同導(dǎo)熱材料特點(diǎn)

      對(duì)于電子器件而言，高分子絕緣材料具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和易改性、易加工的特點(diǎn)，使其具有其他材料不可比擬、不可取代的優(yōu)異性能。但是一般高分子材料都是熱的不良導(dǎo)體，其導(dǎo)熱系數(shù)一般都低于 0.5 Wm-1K-1。一些常見(jiàn)的高分子在室溫下的導(dǎo)熱系數(shù)如下表所示。

      常見(jiàn)高分子材料導(dǎo)熱系數(shù)

      按制備工藝導(dǎo)熱高分子聚合物材料可以大致分為兩大類：本征型導(dǎo)熱聚合物和填充型導(dǎo)熱聚合物。

      本征型導(dǎo)熱聚合物材料是指在合成及成型加工聚合物的過(guò)程中通過(guò)改變分子和鏈節(jié)結(jié)構(gòu)，或者通過(guò)外力的作用改變分子和分子鏈的排列來(lái)獲得特殊物理結(jié)構(gòu)，從而提高材料的導(dǎo)熱性能。但是，目前想制備這種本征型導(dǎo)熱高分子材料比較困難且成本高。

      本征型導(dǎo)熱聚合物材料的制備有以下幾種主要途徑：

     （1）合成具有高導(dǎo)熱的共軛結(jié)構(gòu)聚合物。如聚乙炔、聚苯胺和聚噻吩等，通過(guò)電子導(dǎo)熱機(jī)制實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)。

     （2）通過(guò)外界的模壓或者定向拉伸，以及外加電場(chǎng)或者磁場(chǎng)等外力使小分子單體在聚合的時(shí)候有序排列，從而增加其聚合物的有序性和結(jié)晶度，進(jìn)而通過(guò)聲子振動(dòng)來(lái)獲得本征型導(dǎo)熱絕緣高分子材料。

     （3）在制備聚合物材料的時(shí)候，盡量減少材料內(nèi)部的缺陷，從而通過(guò)減少聲子散射來(lái)提高材料本征導(dǎo)熱系數(shù)的方法。

     （4）可以通過(guò)化學(xué)合成剛性鏈或者容易結(jié)晶的小分子單體或者在分子鏈上引入液晶結(jié)構(gòu)，這樣的小分子單體聚合以后可以使聚合物的結(jié)晶度或者分子間的作用力增強(qiáng)，從而提高聚合物的導(dǎo)熱系數(shù)。

      顧名思義，填充型導(dǎo)熱高分子材是通過(guò)向聚合物基體中添加高導(dǎo)熱填料的方法來(lái)制備。相對(duì)制備本征型導(dǎo)熱聚合物材料，其加工工藝簡(jiǎn)單，操作過(guò)程容易掌握，加工成本低廉，經(jīng)適當(dāng)工藝處理可用于某些特殊領(lǐng)域，可進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。因此目前國(guó)內(nèi)外導(dǎo)熱聚合物材料的研究主要集中在填充型導(dǎo)熱聚合物材料。

      目前用于制備高導(dǎo)熱絕緣聚合物復(fù)合材料的傳統(tǒng)導(dǎo)熱填料主要可以分為以下幾種：（1）金屬類填料，如銅、銀、金、鎳和鋁等。（2）碳類填料，如無(wú)定形碳、石墨、金剛石、碳納米管和石墨烯等。（3）陶瓷類填料，這類填料是用的最多的一類，如氮化硼(BN)、氮化鋁(AlN)、氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)、氧化鎂 (MgO)、氧化鈹(BeO)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鋅(ZnO)、氧化硅(SiO2)等。后續(xù)將陸續(xù)介紹具體導(dǎo)熱高聚物相關(guān)研究進(jìn)展及改性方法。

      導(dǎo)熱行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈：從材料到器件

      導(dǎo)熱材料是導(dǎo)熱器件的上游原料，器件是在材料的基礎(chǔ)上進(jìn)行的二次開(kāi)發(fā)。上游原料材料包括石墨，PI膜，硅橡膠，塑料粒子等，下游應(yīng)用主要集中在消費(fèi)電子、通信基站、電動(dòng)電池等領(lǐng)域，包括通訊、計(jì)算機(jī)、手機(jī)終端、汽車電子、家用電子、國(guó)防軍工等。

      導(dǎo)熱材料及器件行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈

      導(dǎo)熱材料行業(yè)具有較高的進(jìn)入壁壘，此類產(chǎn)品在終端中的成本占比并不高，但其扮演的角色非常重要，因而供應(yīng)商穩(wěn)定性較好、獲利能力穩(wěn)定。所謂的壁壘可簡(jiǎn)單理解為技術(shù)壁壘和供應(yīng)商認(rèn)證壁壘。技術(shù)壁壘就是材料研發(fā)的資金投入及專利技術(shù)積累。與多數(shù)材料化工行業(yè)相類似，導(dǎo)熱材料行業(yè)的供應(yīng)商一旦進(jìn)入其體系，輕易不會(huì)更換。

      國(guó)際市場(chǎng)上，導(dǎo)熱材料行業(yè)已經(jīng)形成了相對(duì)比較穩(wěn)定的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局，主要由國(guó)外的幾家知名廠家壟斷，導(dǎo)熱材料主要由貝格斯、萊爾德、羅杰斯、松下等歐美和日本企業(yè)壟斷。合成石墨產(chǎn)品的高端客戶市場(chǎng)主要由日本松下、中石科技和碳元科技支撐。

      國(guó)際上知名導(dǎo)熱材料廠商

      在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)方面，我國(guó)導(dǎo)熱材料領(lǐng)域起步較晚，在巨大的市場(chǎng)需求推動(dòng)下，近年來(lái)生產(chǎn)企業(yè)的數(shù)量迅速增加，但絕大多數(shù)企業(yè)品種少，同質(zhì)性強(qiáng)，技術(shù)含量不高，產(chǎn)品出貨標(biāo)準(zhǔn)良莠不齊，未形成產(chǎn)品的系列化和產(chǎn)業(yè)化，多在價(jià)格上開(kāi)展激烈競(jìng)爭(zhēng)。（后續(xù)機(jī)會(huì)介紹國(guó)內(nèi)導(dǎo)熱材料相關(guān)企業(yè)。）

      行業(yè)市場(chǎng)趨勢(shì)

      消費(fèi)電子走向小型化、輕薄化、智能化，5G商用帶來(lái)的通信基站設(shè)備投入，以及動(dòng)力電池的蓬勃發(fā)展有望大幅拉動(dòng)導(dǎo)熱材料需求。經(jīng)測(cè)算，2017年僅智能手機(jī)和平板電腦市場(chǎng)，所需的合成石墨導(dǎo)熱材料就達(dá)到將近百億規(guī)模。據(jù)BCC預(yù)測(cè)，全球界面導(dǎo)熱材料的市場(chǎng)規(guī)模將從2015年的7.64億美元提高到2020年的11億美元，復(fù)合增長(zhǎng)率可達(dá)7.1%。

      全球?qū)峤缑娌牧弦?guī)模預(yù)測(cè)（來(lái)源：BCC Research）

      綜合來(lái)看，導(dǎo)熱材料潛在需求十分廣闊。在消費(fèi)電子領(lǐng)域，硬件設(shè)備的泛智能化時(shí)代到來(lái)，高精密度的智能手機(jī)、筆記本電腦等產(chǎn)品對(duì)導(dǎo)熱等需求不斷強(qiáng)烈；此外5G的建設(shè)將會(huì)帶來(lái)大量的基站建設(shè)投入，導(dǎo)熱產(chǎn)品在通信領(lǐng)域同樣有著廣泛應(yīng)用；而在新興領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)中心、汽車電子的應(yīng)用需求不斷展開(kāi)，將會(huì)為對(duì)應(yīng)導(dǎo)熱材料產(chǎn)品帶來(lái)更廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)空間。