在電子器件日益高度集成化和高頻化的今天，散熱問題已成為制約電子工業發展的關鍵因素之一。環氧樹脂因其優異的力學性能、電絕緣性和加工性能，廣泛應用于電子封裝、變壓器澆注體、線路板等領域。然而，純環氧樹脂的本征導熱率較低（僅0.17-0.23 W/m·K），極易導致運行過程中熱量積聚，引發內應力增加、制品開裂等一系列問題。

針對這一行業痛點，導熱填料改性成為提升環氧樹脂導熱性能的最有效手段之一。近年來，各種高導熱填料技術相繼涌現，其中 納米鋅填料 以其獨特優勢為行業發展提供了新方向。

 

一、環氧樹脂導熱機理與填料選擇原則

環氧樹脂的低導熱性主要源于其內部結構特性。聚合物內部部分或全部為非晶結構，對聲子輸運產生強烈散射；分子量分布寬導致結晶區的晶格結構不完整；制備和保存過程中引入的外部雜質和內部缺陷也會造成聲子散射。

通過添加高導熱無機填料，可以利用填料顆粒規整的晶格延長聲子運動的自由行程，減小聲子散射效應。當填料含量達到一定閾值時，填料之間形成相互接觸的 導熱網絡 ，顯著提升熱傳遞效率，這一轉變過程稱為"逾滲"現象。

常用的導熱填料按幾何維度可分為：

●  零維填料 ：氧化鋁（Al?O?）、氮化硼納米顆粒（BNNP）等

●  一維填料 ：碳纖維（CF）、碳納米管（CNTs）等

●  二維填料 ：氮化硼納米片（BNNS）、石墨烯納米片（GNPs）等

●  三維填料 ：三維石墨烯、三維氮化硼等

 

二、納米鋅填料的技術優勢

在眾多導熱填料中，納米鋅填料表現出獨特的技術特點。研究表明，通過表面修飾與高取向分布設計， 納米鋅填料在10%-30%的添加量下即可將環氧樹脂導熱率提升至1.5W/mK以上 ，同時不影響樹脂的機械與電氣性能。

這一性能表現得益于納米鋅填料的幾個關鍵優勢：

1.  高比表面積 ：納米尺度的鋅顆粒提供了更大的比表面積，增強了與環氧樹脂基體的界面接觸，促進了熱量的傳遞。

2.  表面可修飾性 ：納米鋅表面可通過各種偶聯劑進行功能化改性，改善與環氧樹脂的界面相容性。研究表明，適當的表面處理可以增加填料與整個樹脂體系的粘結性，提高樹脂組合物的彎曲強度。

3.  導熱網絡形成能力 ：納米鋅填料在適當工藝下能夠在環氧樹脂基體中形成高效的導熱網絡，顯著提升熱導率。

值得一提的是，肇慶市新潤豐高新材料有限公司在納米鋅填料制備工藝上進行了創新，通過表面修飾與高取向分布設計，實現了在較低填充量下達成高導熱率的目標。

 

三、表面改性技術的關鍵作用

納米填料表面能高，易團聚，難以在聚合物基體中均勻分散，這是納米填料應用面臨的主要挑戰。表面改性處理是解決這一問題的關鍵手段。

研究顯示，對填料進行適當的表面處理可以顯著提升復合材料的性能。例如，采用聚磷酸和丙烯酸共聚樹脂作為表面處理劑，可以增加填料與樹脂體系的粘結性，提高彎曲強度，改善環氧樹脂組合物的可操作性及可靠性。

另一種創新方法是通過微納米分子表面改性技術，對微米Al?O?填料表面進行納米Al?O?涂層處理。這種方法顯著改善了無機填料與環氧樹脂間的相互作用，實驗數據顯示，改性后的復合材料熱導率比未改性的純微米Al?O?/EP復合材料提升了約12.27％。

 

四、填料協同效應與多維復合體系

單一填料往往難以同時滿足導熱性、機械性能和電氣性能的多重要求。因此， 復合填料系統 成為近年來研究的熱點。

一種創新思路是采用"微米-納米雙填料系統"。其中，微米級填料以其較大的粒徑，能夠在復合材料中形成連續的導熱通道；而納米級填料則因其極高的比表面積，能夠填充微米級填料間的空隙，進一步構建更為致密、高效的導熱網絡。

例如，研究者將氮化硼（面內導熱系數高達200W/m·K）與空心玻璃微珠結合使用。空心玻璃微珠內部中空，介電常數比空氣略高，可以起到體積排除的作用，從而增加聲子傳輸通道以及搭建聲子傳輸網絡，同時降低環氧樹脂的介電常數和粘度。

 

五、應用前景與挑戰

高導熱環氧樹脂復合材料在電子器件散熱、電力設備絕緣、新能源電池管理等領域具有廣闊應用前景。隨著5G技術、物聯網和人工智能的快速發展，對高導熱電子封裝材料的需求將進一步增加。

然而，該領域仍面臨一些技術挑戰：

1.  填料分散穩定性 ：如何保證納米填料在樹脂基體中的長期穩定分散而不團聚，仍需進一步研究；

2.  綜合性能平衡 ：在提高導熱性的同時 ，如何保持甚至增強材料的機械性能、電氣絕緣性和耐老化性；

3.  工藝可行性 ：高填料含量往往導致體系粘度急劇上升，加工性能下降，需要開發新的成型工藝；

4.  成本控制 ：一些高性能填料（如氮化硼、碳納米管）成本較高，限制了其大規模應用。

 

六、結語

納米鋅填料技術為高導熱環氧復合材料的發展提供了新的解決方案。通過表面修飾與高取向分布設計，在相對較低的添加量下即可顯著提升環氧樹脂的導熱性能，同時保持其良好的機械和電氣性能，這為電子器件的熱管理提供了新的材料選擇。

未來的研究方向應當聚焦于開發新型復合填料系統，優化表面改性技術，探索低成本高效填料，以及創新復合材料制備工藝。隨著這些技術的不斷成熟，高導熱環氧樹脂復合材料必將在電子、電氣、新能源等領域發揮更為重要的作用。