一文了解导热材料

      陶氏进军电磁屏蔽市场，押宝导（散）热材料。随着5G浪潮的来袭，电子行业先进材料也迎来了发展机遇。散热是电子设备正常运行必须克服的问题，对电子设备来说，导热材料、器件是不可缺少的关键。在储能材料的设计、制备中，材料的导热性也是需要考虑的重点。那么，目前的导热材料有哪些？导热材料的发展趋势如何？本期带你一文了解导热材料，欢迎大家讨论交流。

      导热材料主要用于解决电子设备的散热问题，用于发热源和散热器的接触界面之间，通过使用导热系数远高于空气的热界面材料，提高电子元器件的散热效率。由于空气是热的不良导体，不能有将发热元器件散发的热量有效传导，会影响器件工作稳定性及使用寿命。导热材料与器件的功能是填充发热元器件与散热元器件之间的空气间隙，提高导热效率。

      导热材料

      导热材料分类众多，目前广泛应用的导热材料包括合成石墨材料、导热填隙材料、导热凝胶、导热硅脂、相变材料等。

      不同导热材料特点

      对于电子器件而言，高分子绝缘材料具有独特的结构和易改性、易加工的特点，使其具有其他材料不可比拟、不可取代的优异性能。但是一般高分子材料都是热的不良导体，其导热系数一般都低于 0.5 Wm-1K-1。一些常见的高分子在室温下的导热系数如下表所示。

      常见高分子材料导热系数

      按制备工艺导热高分子聚合物材料可以大致分为两大类：本征型导热聚合物和填充型导热聚合物。

      本征型导热聚合物材料是指在合成及成型加工聚合物的过程中通过改变分子和链节结构，或者通过外力的作用改变分子和分子链的排列来获得特殊物理结构，从而提高材料的导热性能。但是，目前想制备这种本征型导热高分子材料比较困难且成本高。

      本征型导热聚合物材料的制备有以下几种主要途径：

     （1）合成具有高导热的共轭结构聚合物。如聚乙炔、聚苯胺和聚噻吩等，通过电子导热机制实现热传导。

     （2）通过外界的模压或者定向拉伸，以及外加电场或者磁场等外力使小分子单体在聚合的时候有序排列，从而增加其聚合物的有序性和结晶度，进而通过声子振动来获得本征型导热绝缘高分子材料。

     （3）在制备聚合物材料的时候，尽量减少材料内部的缺陷，从而通过减少声子散射来提高材料本征导热系数的方法。

     （4）可以通过化学合成刚性链或者容易结晶的小分子单体或者在分子链上引入液晶结构，这样的小分子单体聚合以后可以使聚合物的结晶度或者分子间的作用力增强，从而提高聚合物的导热系数。

      顾名思义，填充型导热高分子材是通过向聚合物基体中添加高导热填料的方法来制备。相对制备本征型导热聚合物材料，其加工工艺简单，操作过程容易掌握，加工成本低廉，经适当工艺处理可用于某些特殊领域，可进行工业化生产。因此目前国内外导热聚合物材料的研究主要集中在填充型导热聚合物材料。

      目前用于制备高导热绝缘聚合物复合材料的传统导热填料主要可以分为以下几种：（1）金属类填料，如铜、银、金、镍和铝等。（2）碳类填料，如无定形碳、石墨、金刚石、碳纳米管和石墨烯等。（3）陶瓷类填料，这类填料是用的最多的一类，如氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)、氧化镁 (MgO)、氧化铍(BeO)、氧化铝(Al2O3)、氧化锌(ZnO)、氧化硅(SiO2)等。后续将陆续介绍具体导热高聚物相关研究进展及改性方法。

      导热行业产业链：从材料到器件

      导热材料是导热器件的上游原料，器件是在材料的基础上进行的二次开发。上游原料材料包括石墨，PI膜，硅橡胶，塑料粒子等，下游应用主要集中在消费电子、通信基站、电动电池等领域，包括通讯、计算机、手机终端、汽车电子、家用电子、国防军工等。

      导热材料及器件行业产业链

      导热材料行业具有较高的进入壁垒，此类产品在终端中的成本占比并不高，但其扮演的角色非常重要，因而供应商稳定性较好、获利能力稳定。所谓的壁垒可简单理解为技术壁垒和供应商认证壁垒。技术壁垒就是材料研发的资金投入及专利技术积累。与多数材料化工行业相类似，导热材料行业的供应商一旦进入其体系，轻易不会更换。

      国际市场上，导热材料行业已经形成了相对比较稳定的市场竞争格局，主要由国外的几家知名厂家垄断，导热材料主要由贝格斯、莱尔德、罗杰斯、松下等欧美和日本企业垄断。合成石墨产品的高端客户市场主要由日本松下、中石科技和碳元科技支撑。

      国际上知名导热材料厂商

      在国内市场方面，我国导热材料领域起步较晚，在巨大的市场需求推动下，近年来生产企业的数量迅速增加，但绝大多数企业品种少，同质性强，技术含量不高，产品出货标准良莠不齐，未形成产品的系列化和产业化，多在价格上开展激烈竞争。（后续机会介绍国内导热材料相关企业。）

      行业市场趋势

      消费电子走向小型化、轻薄化、智能化，5G商用带来的通信基站设备投入，以及动力电池的蓬勃发展有望大幅拉动导热材料需求。经测算，2017年仅智能手机和平板电脑市场，所需的合成石墨导热材料就达到将近百亿规模。据BCC预测，全球界面导热材料的市场规模将从2015年的7.64亿美元提高到2020年的11亿美元，复合增长率可达7.1%。

      全球导热界面材料规模预测（来源：BCC Research）

      综合来看，导热材料潜在需求十分广阔。在消费电子领域，硬件设备的泛智能化时代到来，高精密度的智能手机、笔记本电脑等产品对导热等需求不断强烈；此外5G的建设将会带来大量的基站建设投入，导热产品在通信领域同样有着广泛应用；而在新兴领域中，数据中心、汽车电子的应用需求不断展开，将会为对应导热材料产品带来更广阔的应用市场空间。