摘要：介紹了導熱硅凝膠的組成和特點，分別闡述了導熱硅凝膠在導熱機制、滲油性、密著力性能和電氣強度等方面的最新研究進展。綜述了

摘要：介紹了導熱硅凝膠的組成和特點，分別闡述了導熱硅凝膠在導熱機制、滲油性、密著力性能和電氣強度等方面的最新研究進展。綜述了導熱硅凝膠在航空電子設備、5G電子設備、動力電池以及測井儀等方面的應用，最后對其發展方向進行展望。

關鍵詞：導熱硅凝膠；熱界面材料；導熱機制；導熱系數；滲油性

00 前言

電子器件運行中功率的損耗主要轉化為熱能，從而造成電子設備溫度的上升和熱應力的增加，嚴重影響電子器件的可靠性和使用壽命，所以需要將這些多余熱能量盡快散出去。在這個散熱的過程中，熱界面材料就起到了至關重要的作用。熱界面材料主要用于填補電子器件與散熱器接觸時產生的微空隙及表面凹凸不平的孔洞，減少熱傳遞的熱阻。

近年來，隨著電子技術的迅速發展，電子器件的特征尺寸急劇減小，已從微米量級邁向納米量級，同時集成度每年以 40%~50% 的高速度遞增。隨著以高頻、高速為特征的 5G 時代的到來和 5G 技術的日臻成熟，智能穿戴、無人駕駛汽車、VR/AR 等各類無線移動終端設備正在得到大力地發展，出現了硬件零部件的升級、聯網設備數量的急劇增加以及天線數量的成倍增長。相對于 4G 無線移動終端設備，5G無線移動終端設備的芯片處理能力大幅提高到 4G 的 4~5 倍，因而功耗大幅提升，所產生的熱量也顯著提升；聯網設備數量大幅增加，5G 無線移動終端的天線數量也達到了 4G 無線移動終端的 5~10倍。5G無線移動終端還采用了不會對 5G信號產生屏蔽作用的陶瓷和玻璃外殼等新材料，但這些材料的散熱性能比金屬弱，因此需要導熱性能更優秀的材料。同時 5G 通信基站的建設也需要大量的熱界面材料起到快速散熱作用。因此，一方面電子技術的最新發展為熱界面材料開拓了全新的應用領域，使得熱界面材料在各類電子產品中的作用愈發重要，成為電子散熱工程中的重要材料，未來使用量也將持續大幅增加；另一方面，電子產品的持續更新升級對產業鏈上相關的熱界面材料提出了全新的性能要求和技術挑戰。

目前市場上常見的熱界面材料有導熱硅凝膠、導熱墊片、導熱硅脂、導熱膠粘劑、導熱膠帶、相變化材料、焊接材料和碳基導熱界面材料等。不同導熱界面材料的主要特點和優缺點如表1所示。

表1 典型熱界面材料的特點和優缺點綜述

本文介紹了導熱硅凝膠的組成和特點，分別闡述了導熱硅凝膠在導熱機制、滲油性、密著力性能和電氣強度等方面的最新研究進展。綜述了導熱硅凝膠在航空電子設備、5G 電子設備、動力電池以及測井儀等方面的應用，最后對其發展方向進行展望。

01 導熱硅凝膠的組成和特點

有機硅凝膠是一種是由液體和固體共同組成的稱之為“固液共存型材料”的特殊有機硅橡膠，以高分子化合物構成網狀結構，具有獨特的性能。其固化前一般分為 A、B 雙組分，在金屬鉑化合物的催化作用下，有機硅樹脂基體上的乙烯基或丙烯基與交聯劑分子上的硅氫基發生反應。整個反應硫化為加成反應，不會產生副產物，因此不會產生收縮。

硅橡膠是一種摩爾質量較高（一般在148000 g/mol以上）的直鏈狀聚有機硅氧烷，其與硅油類似的結構通式如圖1所示。

圖1 硅橡膠的結構

由圖1可知：R通常為甲基，但為了改善或提高某些性能，也可引入乙基、乙烯基、苯基和三氟醛基等其他基團，R′為羥基或烷基，n代表鏈接數。由Si—O—Si 鍵組成聚硅氧烷分子中的主鏈，其主要特性有：

（1）物理化學性質穩定，基本不受溫度影響，可在 50~250 ℃的溫度范圍內使用，電氣絕緣性能和耐高低溫性能（-50~250 ℃）都很優異。
（2）無需底涂劑或表面處理劑，便能與大多數常見電子器件或其他材料的表面起到物理黏附，且固化過程中無副產物產生，無收縮。
（3）體系無色透明，作為灌封材料使用時可方便觀察灌封組件內部結構。固化后呈半凝固態，對許多被粘物具有良好的黏附性和密封性能，具有極優的抗冷熱交變性能。
（4）可操作時間較長，雙組分混合后不會快速凝膠。加熱會促進固化，可通過調整固化溫度來靈活控制固化時間。具備較好的自流平性，方便流入電路中微型組件間的細微之處。
（5）針對不同應用場景，可靈活調整凝膠的硬度、流動性、固化時間等性能，也可添加功能性填料，制備具有阻燃性、導電性或導熱性的硅凝膠。
（6）自修復能力良好，受外力開裂后，具有自動愈合的能力，同時起到防水、防潮和防銹等作用。

導熱硅凝膠則是一種凝膠狀態的導熱材料，通過把有機硅凝膠和導熱填料復合在一起形成的一種具有導熱性能的有機硅凝膠。它具有較高的導熱系數和較低的壓縮變形應力，容易操作，可實現應用時的可連續性自動化生產。它能解決導熱硅脂性能可靠性差的問題，起到導熱墊片的作用，且在某些性能方面，更優于導熱墊片。其與導熱墊片的比較如表2所示。

表2 導熱硅凝膠和導熱墊片的比較

02 導熱硅凝膠的研究進展

近幾年，學術界和產業界對導熱硅凝膠的研究主要集中在如何提高導熱性能，以及在保持足夠導熱性能的基礎上，如何做到減少或避免滲油問題，增加在被貼基材上的密著力性能，以及在硬度、電氣強度等方面的研究。

2.1 導熱機制的研究進展

硅橡膠材料本身是熱絕緣體，因此限制了其在導熱散熱領域中的應用。目前一般通過兩種方法來提高其導熱性能：（1）改善硅橡膠的本征導熱系數。如提高結晶度，利用聲子在晶格中的傳播導熱。但該方法復雜、成本高，難以實現大規模的工業化生產。（2）在硅橡膠中加入具有較高導熱系數的導熱填料如氮化鋁、氮化硼和碳納米管等，制備填充型導熱復合材料。該方法因易于加工成型和低成本而被廣泛應用。

目前按照是否可導電，導熱硅橡膠中使用的導熱填料可分為導電型導熱填料和絕緣型導熱填料。導電型導熱填料包括鎳、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熱，因此導熱系數較高。但隨著導電性填料的加入，硅橡膠的電絕緣性能會降低，限制了應用領域。而絕緣型導熱填料主要是金屬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合材料在電子、電氣領域的應用更廣。

陳誠研究了硅橡膠的導熱系數和體積電阻率在不同氧化鋁添加量下的變化趨勢。發現隨著氧化鋁的增加，硅橡膠的導熱系數也上升。當氧化鋁的質量分數為 75％時，復合材料的導熱系數由純硅橡膠的0.17 W/（m·K）提升到0.54 W/（m·K）。而體積電阻率隨著氧化鋁含量增加而下降，當氧化鋁的填充質量為 70% 時，硅橡膠的體積電阻率下降了一個數量級。同時，硅橡膠的拉伸強度及斷裂伸長率都隨著氧化鋁含量增加而增加。作者還選用氮化鋁和碳化硅研究了填料復配對硅橡膠導熱性能的影響。

錢榮研究了單組分碳化硅填料對導熱硅膠墊導熱系數的影響。發現當碳化硅體積分數為 60%時，硅膠體系的導熱系數達到了最高值，為 1.3 W/（m·K）。作者認為在碳化硅體積分數為 60%以下時，碳化硅填料已經在基體中形成了較完整的導熱網絡。此外作者還使用偶聯劑對碳化硅填料進行表面功能化處理，使得復合材料的空隙率由處理前的 11% 降到 2%，導熱系數也從之前的峰值1.3 W/（m·K）繼續升高至 3.5 W/（m·K）。這是因為碳化硅填料經過硅烷偶聯劑的表面功能化處理后，改善了硅橡膠和碳化硅之間的界面相容性，使得基體和填料得到更充分的接觸。

涂春潮等選用不同粒徑（0.3、6.0、20.0 μm）的氮化硼按照不同的質量分數比例加入硅橡膠基體中，研究對復合材料導熱系數和熱膨脹系數的影響。結果發現，當添加量為 150份時，硅橡膠的導熱系數能達到 3.25 W/（m·K），且對機械性能沒有顯著影響。作者同時發現，復合材料的熱膨脹系數隨氮化硼用量的增加而降低。

2.2 滲油性的研究進展

硅凝膠硫化后為固液共存的狀態，交聯密度較低（為加成型硅橡膠的 1/10~1/5），使得制得的導熱硅凝膠容易出現滲油的問題，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熱率的同時，需要避免滲油的產生。導熱硅凝膠的交聯密度越大，其滲油量越小。這是因為交聯密度大的導熱硅凝膠體系中，更多的有機硅高分子相互反應和交聯成完整的網絡結構體系，流動性好、未交聯樹脂基本上不存在，哪怕有微量存在，由于完整網絡結構體系在單位體積形成密集的交聯點數，未交聯樹脂在運動時與網絡結構產生較大的摩擦系數，阻礙了這些未交聯樹脂的流動，因此減少了滲油量的產生。不同交聯密度下導熱硅凝膠網絡結構體系示意圖如圖2所示。

圖2 不同交聯密度導熱硅凝膠的示意圖

楊敦等采用 α，ω-二乙烯基聚二甲基硅氧烷為基礎硅油，Al2O3為導熱填料，研究了基礎硅油的黏度、體系中 Si—H/Si—Vi 的物質的量比、擴鏈劑/交聯劑的物質的量比及填料用量對導熱硅凝膠滲油的影響。研究結果表明：基礎硅油的黏度越大，導熱硅凝膠的滲油量越小；體系中隨著Si—H/Si—Vi的物質的量的比值增大以及導熱填料 Al2O3 用量的增加，材料的滲油量都會減小。而隨著擴鏈劑/交聯劑的物質的量的比值增大，材料的滲油量則會逐漸增大；當擴鏈劑/交聯劑的物質的量的比值達到一定值時，甚至會導致材料交聯度過低而無法成型。

許豐光采用乙烯基硅油和生膠為基礎聚合物，氧化鋁、氧化鋅、氫氧化鋁和改性氧化鋁為導熱填料，研究了填料用量、生膠硅油比和不同類型填料對導熱硅凝膠流速、滲油率的影響。研究結果表明：導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，隨著導熱填料的不斷增加，導熱系數增加，導熱硅凝膠的流速出現明顯的下降，滲油率也逐漸降低；隨著生膠硅油比的增大，導熱硅凝膠的流速降低，滲油減少；氧化鋅的導熱系數比氧化鋁的高，同時氧化鋅的粒徑比氧化鋁的小，吸油值較高，滲油率也就相對要低；而改性后的氧化鋁導熱系數比未改性的氧化鋁高，且和硅油的接觸效果更好，就更利于構建導熱通路，在保持較好的導熱系數的同時，滲油率更低，流速更高。

2.3 密著力性能的研究進展

在某些應用場合，如電池模組的 PET 膜和鋁合金之間對導熱硅凝膠有一定的密著力性能要求。導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，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聚力。密著力大小取決于膠體產生的界面粘接力與本體內聚力中較小者。如果膠體的粘接力小于膠體本身被破壞時所需要的內聚力時，發生界面破壞，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聚力時，發生內聚破壞，密著力大小主要取決于本體內聚力。

黃琪等以 α，ω-二乙烯基硅油為基礎聚合物，含氫硅油為交聯劑，Al2O3 為導熱填料，通過加成反應制備導熱硅凝膠，研究了基礎聚合物的黏度大小、交聯劑中活性氫含量、Si—H/Si—Vi 的物質的量的比值、導熱填料的用量等參數對導熱硅凝膠密著力的影響。研究結果表明：隨著基礎聚合物黏度的變大，導熱硅凝膠密著力先增加后降低，選用黏度500 mPa·s 的基礎聚合物，密著力相對最好；隨著交聯劑中氫含量的增加，導熱硅凝膠的密著力先增加再減低，選用氫含量為 0.1 的含氫硅油，密著力相對最好；隨著 Si—H/Si—Vi 的物質的量的比值升高，導熱硅凝膠的密著力先增加再降低，Si—H/Si—Vi的物質的量的比值為 0.8 時，密著力相對最好；隨著導熱填料的增加，導熱硅凝膠的密著力先增加再降低，導熱填料和基體的質量比為8時，密著力相對最好。

2.4 其他方面的研究進展

王紅玉等以雙組分硅凝膠為聚合物基體，氧化鋁和氧化鋅為導熱填料，通過氣相法白炭黑調整觸變性，制備點膠式導熱硅凝膠，研究了導熱硅凝膠的導熱系數、硬度、壓縮形變和電氣強度等性能在高溫、濕熱和冷熱沖擊 3 種老化過程后的變化。研究結果表明：導熱硅凝膠在經歷三種老化過程后的導熱系數都有所增加，其中高溫老化后導熱系數的升高最為顯著，表明導熱硅凝膠的導熱性不會因經過老化過程而降低；老化后導熱硅凝膠的電氣強度有所降低，但仍然能夠保持 60% 以上，硬度提高了 50% 以上，在 0.34 MPa 下的壓縮形變降低，保持在原來的40%以上。

03 導熱硅凝膠的應用

2017 年 1 月 13 日，MarketsandMarkets 公司發布報告預測，全球有機硅凝膠市場在 2016 年到 2026年間將以 6.9% 的復合年增長率增長，預計到 2026年將達到 19.6 億美元，其中電氣和電子占最大的市場份額。有機硅凝膠已在一些子行業，如汽車電子產品、LED照明、高壓絕緣和光伏等領域起到防護涂料、封裝和灌封劑等的應用。此外，還有一些應用，如高度敏感的電路、半導體和其他電子元件和組件，要求有機硅凝膠在高、低溫度下都具有穩定性。目前導熱硅凝膠已在 LED 燈具、通信設備、5G基站和汽車電子等領域中被廣泛應用，如針對手機電子元件熱管理，導熱硅凝膠可以替代傳統的導熱墊片，均勻地涂覆在芯片的封裝表面，具有成本低、室溫下或電子元件發熱時固化從而提高接觸面積的特點。

3.1 在航空電子設備中的應用

王晨等通過技術排查發現，某型航空電子產品交換機低溫數據丟包故障的原因為原設計使用的導熱墊片的局部應力過大。對導熱硅凝膠、導熱硅脂、導熱膠和導熱墊片等 4 種熱界面材料的物理性能和應用范圍進行分析，以及對部分樣品進行實際裝配試驗，試驗結果表明：相對于導熱硅脂、導熱膠和導熱墊片等傳統介質材料，導熱硅凝膠作為新型熱界面材料在高低溫性能測試、墜撞安全測試、持續震動試驗等多項針對性測試中都取得了更好的試驗結果，可以應用于航空電子產品的生產。

3.2 在5G電子設備中的應用

趙志壘對新型導熱硅凝膠材料在 5G 電子設備中應用的實際特性進行分析研究，發現新型導熱硅凝膠材料的使用既可增進熱能的傳導效應，又能實現熱能的傳導。作者發現與傳統的導熱材料相比，將新型導熱硅凝膠材料使用在電子元件的應用之中，能夠有效地提升信號的傳播效率，也能促進新型導熱硅凝膠材料的高質量應用。這是因為使用成本較低的傳統導熱材料，雖然能優化導熱性，但卻降低了熱能的傳遞。

另外在5G設備的外殼制造中，人們仍舊選擇傳統的高分子復合材料，雖然能夠提升承載力，但是卻不能有效地滿足散熱的要求，這就導致信息化的傳遞質量逐漸降低。為了有效地提升新型導熱硅凝膠材料的使用質量，加快新型導熱硅凝膠材料在5G電子設備中的傳遞使用，就要在當前的外殼制造中將新型導熱硅凝膠材料添加在高分子材料之中。但是由于很多設計技術的限制，新型導熱硅凝膠材料并不能和部分的高分子材料所兼容，因此在現階段的使用中已經將電導損耗作為基礎，確保電流的穩定性。同時在此基礎上實現新型導熱硅凝膠材料的有效使用，一方面提升了外殼制造的質量；另一方面也推動了電子設備的技術創新和改革優化。

3.3 在動力電池上的應用

動力電池絕大部分都采用鋰離子電芯，具有能量密度高和使用壽命長等優勢，但也存在較大的安全隱患。當遇到水分侵入、短路、過載、外殼破損和溫度過高等情形時，鋰電池有發生燃燒、甚至爆炸的風險，這也為鋰離子電池的安全使用帶來了挑戰。當用于電動汽車時，鋰電池還要經歷更為嚴苛的應用環境。在電動汽車正常行駛過程中，鋰電池可能承受的沖擊包括持續振動、大幅溫度變化、雨水浸泡等，而在電池故障及交通意外條件下（如撞擊、墜河），可能承受的沖擊還包括局部短路、過載、強機械沖擊、水或其他液體浸泡、火災等。因此，在復雜甚至意外環境下維持鋰電池的安全運行，保護電動車內駕乘人員的安全，是各方都追求的目標。若采用導熱阻燃型硅凝膠來封裝動力電池電芯，則能夠大大提升動力電池組的安全性能，導熱硅凝膠能起到防水密封、阻燃密封、散熱以及減震固定的作用。

張春暉等以兩端乙烯基聚硅氧烷、一端帶有乙烯基的聚硅氧烷及全甲基聚硅氧烷為基礎聚合物進行復配，以含氫硅油為交聯劑，以乙烯基 MQ 硅樹脂及六甲基二硅氮烷深度處理的氣相法白炭黑為補強填料，微米級氧化鋁及氫氧化鋁為導熱及阻燃填料，再加入炔醇抑制劑及復合增黏劑、鉑催化劑，制得雙組分導熱阻燃型有機硅凝膠。制得的導熱硅凝膠具有柔軟、界面黏附力好、耐候好、耐溫性能好等特點，將導熱阻燃型硅凝膠用于動力電池封裝時，可以帶來極佳的防水、減振、防爆以及散熱等作用，從而極大提升電池組的安全性能。

3.4 在測井儀熱管理中的應用

近年來，高溫、高壓井的勘探及開發愈加受到石油企業的重視，要讓測井儀在井下溫度超過200℃的高溫、高壓井內正常工作，不出現信噪比下降、工作壽命降低甚至儀器被燒毀等問題，就需要采用特殊的熱管理方法對測井儀進行必要的熱保護。田志賓等從溫度和熱流兩個方面采用仿真模擬法，對導熱硅凝膠填充型測井儀和常規測井儀的熱管理效果進行了比較。模擬結果表明，導熱硅凝膠增加了熱源至吸熱體間的換熱路徑，降低了界面熱阻，熱源至吸熱體間的溫差從常規測井儀的33.0℃下降至 24.0 ℃。同時，導熱硅凝膠自身也以顯熱形式吸收了近 20% 的熱源自發總熱量，具有一定的蓄熱作用。在強化換熱及顯熱蓄熱的共同作用下，導熱硅凝膠填充型測井儀的熱源最高溫度相比常規測井儀下降了 43.7 ℃。實測結果顯示熱源最高溫度從 165.2 ℃下降至 117.8 ℃，其與吸熱體的溫差從 39.7 ℃下降至 28.0 ℃，驗證了導熱硅凝膠的熱管理效果。

04 結語

導熱硅凝膠作為一種特殊的熱界面材料被廣泛地應用在各個領域，但目前國內導熱硅凝膠的高端市場基本上被國外熱界面材料公司所占據，國內導熱硅凝膠的技術參差不齊。

目前，導熱硅凝膠僅限于有機硅基體與常見的導熱粉體的共混復合，所得到的導熱硅凝膠的綜合性能欠佳，無法應用于高端領域。因此，需要從有機硅樹脂本體、導熱粉體以及本體和導熱粉體復合等方面來提升導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計，引入功能側鏈等方式進行基體的改性，借助樹枝狀或大環形結構的含氫硅氧烷對基體進行交聯度優化，對導熱填料進行表面功能化，基體和導熱填料復合時對填料的雜化處理等，這些都將成為導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、聯網設備數量的增加以及天線數量的增長，設備的功耗不斷增大，發熱量也隨之快速上升。具有優異綜合性能的新型導熱硅凝膠也必將成為戰略性新興領域必不可少的材料之一，并廣泛應用于各個領域。

參考文獻 略

題目 | 導熱硅凝膠的研究與應用進展

作者 | 陳維斌

單位 | 1.美信新材料股份有限公司；⒉廣東省高性能特種粘接材料工程技術研究中心

原文 | DOI：10.13416/j.ca.2022.07.001