聚合物基导热绝缘复合材料研究与应用进展

来源|中国电机工程学报，中国知网作者|陈明华，孟宏远，李誉，夏乾善，陈庆国*单位|工程电介质及其应用教育部重点实验室，哈尔滨理工大学电气与电子工程学院摘要：导热绝缘材料是保障微电子设备、电力装备工作效率和稳态运行必不可少的部分，但随着设备功率的提高，目前主流的硅基材料难以满足高集成技术、微电子封装、大功率电力装备等关键技术对材料导热、绝缘以及力学性能的要求，亟待开发下一代导热绝缘材料。聚合物基导热绝缘材料因其优异的绝缘、导热和机械延展等优异特性而被广泛关注，本文主要以聚合物基复合材料内部结构对导热、绝缘及力学性能的影响为基础，分析总结了填料种类、含量、填料尺寸以及填料的复合网络对聚合物热导率的影响规律，并对复合材料的结构设计方法及在各领域的应用现状进行了全面梳理与总结，为高导热绝缘复合材料的设计与性能优化提供指导，推动其规模化应用。

关键词：导热绝缘；聚合物复合材料；热导率；结构设计；应用00引言随着小型化、大功率电子器件及大功率电力装备的快速发展，高效散热已成为电子器件获得长寿命、高可靠性的重要因素。目前，有机硅在高精端电子器件灌封中应用较多，但由于有机硅灌封粘结性差，固化能力较差，限制了其广泛应用。相比于有机硅灌封材料，环氧基灌封材料价格便宜，且固化后强度较高，广泛应用于工业电子、变压器等领域，所占市场比例份额较高。在热界面材料应用中，从最初的导热硅脂发展到现在导热垫片、导热相变材料等，聚合物基热界面材料在所有产品中占比接近 90%，其中环氧树脂基热界面材料具有较高的热导率，且价格低廉，市场规模更是达到了 6800 万美元。目前，最高导热系数的硅脂也仅能达到 11 W/m·K，随着电力电子及高功率设备对导热和绝缘性能要求更高，导热硅脂已无法满足高集成电路、大功率器件的散热要求，且硅材料在热传导领域已难以有较大提升。同时，传统硅脂具有挥发度，使用一段时间后会固化，耐用性低，且更换时难以去除。相比之下，导热聚合物材料具有优异的电绝缘性能(电导率<1×10-9S/cm)，可有效防止电子器件短路。但是大多数聚合物导热系数(0.1~0.5 W/m·K)与硅基导热材料仍无法媲美，为了提高聚合物材料的导热性，研究人员尝试利用不同种类的导热填料如碳材料、金属、金属氧化物等来制备聚合物复合材料，有望解决导热性不足的问题，有广阔的发展空间。

图 1 聚合物基导热绝缘材料及其潜在应用聚合物的热导率受填料种类、含量和结构等参数的影响。一般来说，加入某些导电填料（碳、金属等）会影响到复合材料的绝缘性能，但通过控制含量等，可以使得热导率大幅度提高，同时降低后的绝缘性能也仍能满足设备的要求。除此之外，复合材料的力学性能（如热膨胀系数(CTE)）也会有所提升。目前，环氧树脂(EP)以及聚酰亚胺(PI)是导热绝缘材料目前主要研究的两种聚合物基体。相比之下，PI 成本更高，难以在商业中广泛应用，故在研究中主要使用相对较为便宜的 EP 作为基体，改性技术现已较为成熟。本文以聚合物基复合材料内部结构对导热、绝缘及力学性能的影响为基础，分析总结了填料种类、含量、填料尺寸以及填料的复合网络对聚合物热导率的影响规律，并对复合材料的设计原则及在各领域的应用现状进行了全面梳理与总结，为商用高导热绝缘材料的改性优化提供指导，进而推动其在高集成技术、微电子封装、高功率电力装备等关键领域的应用(图 1)。01热传导方式在固体中，热传递是由电子和声子共同作用产生的，声子和电子在热传导中的作用因材料的类型而不同，声子是通过集体原子振动能量的量子定义的，声子携带的热能类似于在系统内部传播的粒子，声子之间的散射会产生阻力，类似于气体分子的传输。金属导热中电子的贡献比非金属的大，半导体和绝缘体在内的介电固体中，晶格振动主导热传输。当热源接触到晶体晶格的一侧时，它会产生振动，由于晶体晶格的密集堆积，振动被传递到邻近的原子，从而使晶体材料中的热量传递(图 2a)。图 2 晶体和聚合物中的导热机制示意图由于聚合物晶体结构复杂，需要考虑结晶度、温度、大分子取向等诸多因素，因此在聚合物中热传导比较困难。聚合物中几乎没有自由电子可以传热，导热主要是由声子波引起的。当聚合物表面与热源接触，热量转移到最近的原子使其振动，再逐步向外传热，导致声子波热传递缓慢(图 2b)。声子携带的热能类似于在系统内部传播的粒子，声子之间的散射会产生阻力，类似于气体分子的传输。因此，针对声子导热提出了声子气体导热模型：在晶体结构中，热传递通过温度梯度驱动声子扩散，而材料内部的缺陷、边界等会影响声子的弛豫时间。根据气体动力学理论和德拜比热理论，结晶固体的晶格热导率可以表示为    (1)其中，Cv 是单位体积的比热容，νg是声子群速度，l 是声子平均自由程，τ 是弛豫时间。根据上式可以发现对于晶格热导率来说，与比热容，声子群速度和声子平均自由程有关。为了定量计算晶格热导率，必须求解声子玻尔兹曼输运方程。在实践中，获得声子玻尔兹曼输运方程的准确解是一项重大挑战。1951 年，Klemens 在玻尔兹曼输运方程的框架下系统地研究了不同声子散射机制对热导率的影响，并给出了求解玻尔兹曼输运方程计算晶格热导率的可行方法，称为 Klemens 模型。根据 Klemens模型，晶格热导率为   (2)其中 j 是波矢量极化数，νg是声子群速度，n是波矢量。然而，在该研究声子-声子散射过程中，普通散射和 Umklapp 散射被同等对待，在实际的声子-声子散射过程中，声子总动量守恒，正常散射不会产生热阻，但可以通过改变声子分布影响声子弛豫时间。因此，Klemens 模型存在着高估声子散射强度的问题，使得 k 低于实际值。Callaway 更好地解决了这个问题，他在实际计算过程中对于声子-声子散射分离了普通散射和 Umklapp 散射，改进了Klemens 模型中的不足，更符合不同散射对于声子热阻的影响，Callaway 模型被广泛用于计算固体材料的晶格热导率。02影响复合材料热导率因素聚合物基体热导率低，难以直接应用于导热场合中，故需掺杂一些高导热的金属、碳基材料及陶瓷等无机材料，来提高聚合物的导热性能。因此，两种材料共同作用决定了聚合物的热导率，填料种类、粒径、分散以及基体/填料界面作用等不同时均会对聚合物导热性产生影响。在利用高导热填料时，还需考虑复合材料力学性能、绝缘性能等。同时，设计方法及加工工艺等其他因素也会影响到复合材料整体性能。基于此，本文对复合材料的影响因素进行分类如图 3 所示，并对主要影响因素进行分析。图 3 复合材料导热性能影响因素2.1 填料种类目前，填充材料主要是金属、碳基材料以及高导热的无机材料。由于金属主要是通过电子导热，热导率较高；而利用纯声子导热的无机材料热导率普遍较低。金属填料包括 Ni、Cu、Ag 等，虽然能有效提高聚合物基复合材料的热导率，但随着填充量的提高，会使聚合物导电性能大幅上升，因此金属填料含量不宜过高。同时金属填料导热受分散和空间分布影响较大，难以广泛应用。碳基材料主要有石墨烯、碳纳米管等，由于碳基材料拥有连续结构以及优异的导热能力，且碳复合材料质量轻，适用于高要求环境。碳纳米纤维及一维碳纳米管有较好的纵向排列结构，导热效果更佳，但其受限于加工条件，难以直接使用。但 Han Donglin 发现，碳纳米纤维加工过程中间相沥青(MPP)的热导率更高，此时碳纤维结晶度高，取向平行于纤维轴，材料热导率大幅度提高。随着对石墨烯研究深入，研究者发现石墨烯微填充的复合材料热导率甚至超过了碳纳米管。这是因为石墨烯是二维碳材料，内部形成了良好的导热网络，而且高分子基体与石墨烯较好的耦合，降低了界面热阻，但由于石墨烯是二维碳材料，比表面积较大，在交联时难以提高掺杂量，限制了石墨烯在聚合物基导热绝缘材料中的应用。为了实现高分散性，目前研究主要是通过制作工艺以及表面功能化来提高石墨烯在聚合物中的分散。相较于其他碳材料，石墨烯价格相对较低，已在一些高要求导热领域应用，例如手机电池散热等。在实际生产中陶瓷填料使用最多，包括 BN(250~300 W/m·K)、AlN(200 W/m·K)、SiC 等。陶瓷材料晶体结构稳定，被广泛应用在实际生产中，但材料本身也存在问题，例如 BN 各向异性较强，AlN 颗粒遇水容易分解等。相较于单一填料而言，混合填料也会有效提升复合材料热导率，不同粒径优化了填料的填充密度，复合结构增强了填料的连续性；另一方面填料负载水平降低，降低了体系粘度，基体渗透到填充/矩阵界面中，改善了界面热阻。例如，Lee Sanchez Wa 设计 BN 和 Al2O3复合填料(图 4)，在 80 wt.%的混合BN-Al2O3填料含量下，EP 复合材料的热导率达到 1.72 W/m·K，相对于纯环氧树脂基体(0.22 W/m·K)增加约 7.8 倍；Rui Fan 设计的 Si@石墨/氮化铝/铝复合材料，在石墨-硅填充 53.1 vol%-5.93 vol%时，复合材料的 TC 高达 467.8 W/m·K。这些均证明了杂化填料协同作用的有效性。图 4 复合填料导热模型和热导率变化图2.2 填料含量复合材料中，随着填料含量的增多，聚合物热导率会产生变化。Lizhu Liu 探究了不同含量 AlN 填充到 PI 中所带来的影响，复合薄膜热导率与 AlN 含量呈正相关，当 AlN 含量为 9%时，复合材料的热导率达到 0.675 W/m·K，是纯 PI(0.211 W/m·K)的 3 倍。当 AlN 含量较少时，由于 AlN 颗粒含量相对较低，且被 PI 基体完全包覆，填料颗粒相互独立，不能形成完整的导热路径，复合材料热导率变化不明显。表 1 单填料聚合物热导率但一味增加填料含量，只会导致复合材料的力学性能变差。随着填料含量的增加，由于填料颗粒与基体之间的相容性较差，两者之间的结合力不能有效地传递应力，从而导致复合膜的抗拉强度降低。更为关键的是随着填充粒子的引入，粒子诱导的载流子空间电荷极化成为主导，特别是在较低频区域，载流子随着填料含量的增加而增加，空间电荷极化增强，导致复合材料的介电常数增大。同时团聚现象使得在复合膜中形成若干导电通道，降低复合材料击穿强度。综上，在利用高导热填料时要合理控制填充含量才会有效提升复合薄膜性能。2.3 填料尺寸填料的尺寸也会对聚合物热导率产生影响(图5)，小粒径填料连接虽好但接触面积较大，界面热阻较高，在相同填充含量下，大颗粒填料比表面积少，颗粒间张力均匀，不容易形成团聚体，颗粒相互渗透，在复合材料中起到良好的导热效果；同时，大粒径填料界面面积相对较小，界面极化微弱，对聚合物绝缘性能影响极其微弱。Meng Ma 利用不同尺寸的还原氧化石墨烯杂化填料负载氧化铝颗粒，制备了一系列基于 NFC 的复合薄膜，研究结果表明大粒径 Al2O3的比表面积颗粒比小粒径 Al2O3颗粒小，导致含有大粒径 Al2O3颗粒的薄膜具有更小的界面热阻和优异的热导率。图 5 不同粒径填充示意图以及热导率变化图然而，随着研究的深入发现，导热填料经过超细微化处理后也可以有效提升自身性能。相较于微米填料，纳米填料的复合材料能保持原较高热导性，但由纳米填料填充的复合材料力学性能有更大的提高，例如 CTE 降低，拉伸强度变大，极大程度提高了应用范围。这主要是因为填料纳米化导致材料自身结构发生变化，内部热导率提高，进而影响到复合材料性能。因此，大小粒径填料均可改善材料的导热性能，但大粒径填料更侧重于改善填料与集体的界面问题，而小粒径材料更着重于改善复合材料整体的应用性能同时仍能保持原有的热导率。目前，研究人员越来越偏向于选择纳米填充材料，其不仅可以有效维持原材料的较高热导率，而且能满足柔性电子器件对导热绝缘材料的力学性能要求，有更广的适用范围。2.4 复合材料界面相较于纯聚合物，复合填料比表面积增大，界面相容性较差，加上复合填料表面张力差异较大，导致填料粒子在聚合物中容易团聚；同时由于基体与填料接触不好，导致两者之间留有气隙，增大内部热阻，导热效率降低；由于大量界面的存在，导致声子散射严重，声子导热效率降低。由 Wang 等人的工作已经证明界面热阻对声子非弹性散射有极大的增强作用，多壁碳纳米管(MWCNT)和基体界面不完全接触增大了热阻，声子散射增强，严重影响复合材料的导热性能。因此，改善界面性质、降低界面热阻对于材料导热性能的改善起到了关键作用。Kunpeng Ruan 对石墨烯表面胺化获得的胺化石墨烯/PI 复合膜，热导率为 7.13 W/m·K，是纯 PI 膜的 8.2 倍左右；Jaehyun Wie 利用聚硅氮烷涂覆 BN，增强了填料和基体之间的界面附着力，填料含量为 75 wt%的聚硅氮烷改性 BN 表面的环氧复合材料具有 11.8 W/m·K 的最高热导率，是纯环氧树脂的 62 倍。上述研究均证明了界面功能化的有效性。此外，Kunpeng Ruan 还通过模态分析(EMT)模型成功证明了界面功能化对界面热阻改善的重要性，界面改性对复合材料性能的提升有着至关重要的作用。其他填料表面功能化复合材料如表 2 所示。表 2 填料表面功能化总结2.5 复合材料网络上述内容主要讨论随机分散的填料对复合材料导热所起到的作用，而构造连续导热网络效果更佳。复合网络减少了填料基体接触界面，从而降低界面对材料导热性能的影响，同时可以形成连续的导热通道，使填料作为导热主体，起主要导热作用。利用一维材料(例如 CNT 等)将二维片状材料连接起来，能够形成三维的导热网络。Ying Wang 构建了填充有氮化硼薄片(BN)作为导热桥的 3D 取向碳纤维(CF)的 EP 复合材料热网络结构(图 6)，有效拓宽了热传导路径并连接相邻纤维，降低热阻。5 vol%CF 和 40 vol% BN 的 BN/CF/EP 复合材料热导率高达3.1 W/m·K，其电导率仅为 2.5×10-4S/cm。图 6 随机分布和 3D 复合材料结构

除此之外，也可利用前驱体或三维网络框架使填料在基体中形成三维互联通热通道，形成三维导热网络。例如 Jingchao Li 利用多糖凝胶固定 3D 泡沫模板， 将氮化硼纳米片 填充到聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料中，形成 3D 导热网络。与商业硅胶垫(1.5 W/m·K)相比，在 25% 的低填充量时，热导率可以达到相同的水平，但复合材料的密度(1.27 g/cm3)远低于硅垫片，大大降低了复合材料的体积和重量。接下来针对复合材料结构设计方法进行总结。03导热绝缘复合材料结构设计聚合物基复合材料热导率受到上述各种因素影响，在设计高导热材料时，必须平衡各影响因素关系，既要提高导热绝缘性能，同时也要保持良好的力学性能。目前，简单填充高导热填料已经不能满足于市场和研究的需要，通过对复合材料微观结构与宏观性能的构效关系，建立复杂微观环境下复合材料深层导热机制，有望进一步提高复合材料的导热特性，如减少声子散射、减少界面热阻、构造良好的导热结构等。因此，深入研究聚合物的微观结构与其宏观特性的构效关系很有必要。3.1 定向结构设计高定向导热需要内部填料沿着特定方向排列，热量会优先选择该定向导热路径传导，确保热量导出到外部。在实验室可通过机械工艺使填料定向，如注射成型、热压成型以及静电纺丝等都可以使材料定向排列；也可在加工过程中通过剪切或拉伸流定向、外部场如电场磁场等使填料定向排列。定向结构是设计高定向导热材料的关键，一维(CNTS)和二维(BNNS)材料在加工时易定向，具有较高的定向热导率。Kai Wu 通过简单地真空辅助过滤制备了基于纤维素纳米纤维(CNFs)/氟化氮化硼纳米(f-BNNSs)的定向结构薄膜。该薄膜具有高定向导热及可生物降解等优势，f-BNNS 自身之间充分连接且易形成定向结构，f-BNNS 与 CNF 之间强相互作用，使制备的复合膜强韧、具有更高的面内热导率(30.25 W/m·K)，同时复合膜在 1000 Hz 下具有 4.86 的低介电常数，其绝缘特性优于纯 CNFs。除通过真空辅助过滤法制备定向结构外，还可通过热压法使填料定向分布。热压法是将填料颗粒与聚合物颗粒混合，然后将其压缩成型，形成一种聚合物被填料颗粒包裹着的结构，聚合物导热主要通过外层的填充材料来完成。即使填充含量较低，由于基体与填料接触面积较大，也可形成稳定的导热通道。Tengbo Ma 利用真空过滤-热压法制备具有仿珍珠层状结构的多巴胺功能化氮化硼纳米片(BNNS@PDA)/芳纶纳米纤维(ANF)复合薄膜，具有较高的面内热导率(3.94 W/m·K)，同时薄膜抗拉强度达到 36.8 MPa，这都归因于多巴胺的羟基与 ANF的羧基和氨基形成氢键，减少薄膜内部缺陷。Yanchun Han 将 SiN 颗粒和 EP 混合后的材料热压制备复合材料，由于填料形成了连续的网状结构，增强导热的连续性，当填料体积达到 30%时，复合材料的面内导热系数可达 1.8 W/m·K，在高频测试条件下，复合材料表现出较低的介电常数和介电损耗。上述研究结果表明通过热压法形成的复合材料界面接触更好，界面作用弱，在一定程度上增大复合材料的面内导热性能和降低材料介电常数和损耗，同时通过控制热压温度和压力可以有效改变复合材料内部结构组成，形成高定向连续导热网络。此外，外场定向排列高导热填充材料也是一种较好实现高定向结构导热的方式，通过外场可以实现填料在聚合物内任意定向。例如，Hong-BaeK Cho 利用电场开关设计定向 BNNS，通过控制改变直流场方向所形成的二维定向结构拥有高面内方向的导热路径(图 7a)。图 7 外场定向法复合材料内部结构图

除此之外，Hong-Baek Cho 又通过电场实现了法向高定向的 BaFe12O19填充 Si 基纳米复合薄膜(图 7b)。Kiho Kim 使用外电场沿热传输方向垂直排列 TiO2改性的 BN 粒子，高介电 TiO2在电场极化作用下导致 BN 粒子垂直排列。当填充 20 vol%时，面内热导率从 0.78 W/m·K 增加到 1.54 W/m·K，同时这种复合材料表现出更好的机械性能。综上，真空辅助过滤主要是为了将未参与组合的原料清除，减少内部缺陷。而真空过滤配合热压法可将组装的二维纳米片结构压制成紧密的复合薄膜层，沿平面内形成较多的层状结构，有利于平面定向导热。但这种方法制备得复合薄膜较为粗糙，层与层之间连接微弱。同时，该方法难以形成法向的定向排列，由于电子封装中热界面材料需要从热器件的整个表面到散热器(即 CPU 到散热器)的散热，具有垂直取向结构的聚合物复合材料更容易在垂直方向表现出快速散热和大热通量，意味着在电子封装等要求高法向热导率的场合难以应用。相比之下，外场定向法具有较大的优势，其操作方便，且较为容易实现，在内部电场的作用下，可以实现任意方向导热通道(面内以及法向)，更好解决了热压法单向定向的缺点，是目前较为实用的一种方法。3.2 不定向结构设计相比于填料随机分散制备的复合材料，连续导热通道具有更优秀的导热性能，随机分散难以保证填料不集聚。自组装法是一种简单形成连续导热通道的方法，其过程并不是大量原子、离子、分子之间的简单叠加，而是若干个体之间同时自发地发生并集合在一起，形成一个紧密而又有序的整体，是一种整体的复杂的协同作用。分子自组装是利用生物亲和力或基团间的键合力，搭建规则的晶体结构。Hongxia Zeng 通过简单的蒸发诱导自组装法制备了由 BNNS 和氧化纤维素纳米晶体(OCNC)组成的大规模高性能人造珍珠层状复合材料。在 11.6 vol%的相对低填充负载下表现出 10.9 W/m·K 的热导率以及 197.3 MPa 的优异拉伸强度，其优异的综合特性来自于其独特的珍珠层状结构和稳健的界面相互作用，保证了复合材料拥有双方的共同特性。此外，Gun-Ho Kim 发现热沿共价键连接的链传递比由弱范德华力相互作用连接的链之间的传递更有效，特别是氢键(h 键)的效果更好。它可以连接许多部分和单元，对于热传导链间的连接设计有很大的灵活性。h 键增加分子键强度已经被证明是提高聚合物导热性的有效方法。Liwen Mu 利用自组装结晶法制备聚乙烯醇(PVA)/氨基酸(AA)复合材料，通过 h 键形成连续的晶体网络组成了一个连续的界面，使得声子可以有效地转移，当 AA 含量为 8.4%时，PVA/AA 复合材料的导热系数显著提高至 0.7 W/m·K，比纯 PVA 提高了 170%。强的 PVA-AA 分子相互作用和自组织的晶体结构是其独特的界面性能改善和优异的热导率提升的主要原因。自组装法形成的晶体导热“高铁”使复合材料的热导率比纯基体显著提高，是一种较为有效的方法。高分子聚合物由于相对分子质量大难以气化，气相沉积不利于复合材料制备，相反自组装法更适用，得到两种组分的复合膜。自组装方法简便易行，无须特殊装置，通常以水为溶剂，沉积过程和膜结构可分子级控制，也可以利用连续沉积不同组分，制备膜层间二维甚至三维比较有序的结构，近年来受到广泛的重视。但这种方法受到分子识别、组分和溶剂的影响，高分子聚合物需要识别分子的形状大小以及可组装的部位例如氢键、π 建等，才能找到最稳定、最接近的位置，并形成超过单个分子功能的聚集体。同时，大部分自组装都是在溶液中进行的，溶剂对自组装过程起着关键的作用，包括溶剂的类型、密度、pH 值以及浓度等，溶剂的性质可能会导致自组装结构的改变，特别是会破坏共价键的溶剂，对自组装的结果更是具有破坏作用。

3.3 三维结构设计Navid SaKhavand 通过融合氮化硼纳米管(BNNT)和单层的 h-BN，设计了三维多孔柱状 BN(PBN)，缓和了材料的各向异性，提高了复合材料的力学性能。Rouzbeh 对上述三维 PBN 和他的同素异形体BNNT、h-BN 进行了性能比较，发现三维结构的PBN产生了独有的结、管、片的协同效应(图 8a)，克服了内在的各向异性，平衡了热传输性能，使得声子散射尽可能地减弱，增强声子的导热。同时结、管、片形成三维导热结构，更有利于热传递。图 8 3D 结构复合材料示意图Jin Chen 利用纳米纤维支撑的三维互联氮化硼纳米片(3D-C-BNNS)气凝胶作为框架结构，将 EP 浸渍到气凝胶中填充网络结构，制备出高导热绝缘纳米复合材料，在较低的 BNNS(9.6%)填充体积下，纳米复合材料导热系数提高了 14 倍左右，同时其仍可保持 1015Ω·cm 的低体积电阻率。此外，利用冰模板自组装与渗透法相结合的方法制备 3D-BNNS 气凝胶网络(图 8b)，以及使用柔性氮化硼泡沫(BNF)和BNNS 构建三维结构网络，通过设计三维结构的填料框架将聚合物填充到框架中，均有良好的借鉴意义。然而，上述三维结构的填料框架难以控制结构，且成本较高，目前只停留在实验室研究阶段。综上，除了使用较佳导热填料和复合填料外，还可通过控制材料内部的结构来改变聚合物的电热力性能。通过设计合适的网络结构，构造良好的导热路径，减少基体与填料的界面作用，降低声子的散射，在微观层面的精细研究有望为导热绝缘复合材料带来新突破。

04导热绝缘复合材料应用聚合物复合材料主要是针对设备要求设计的，往往需要优异的导热绝缘以及力学性能，以满足各种高温环境，绝缘导热材料常以树脂、硅胶、陶瓷为基底，添加无机物来达到要求，以橡胶、粘结剂、涂料等形式主要应用在电气装备、微电子、LED、照明、太阳能发电、交通运输、航空航天、国防军工及能源换热设备等现代高科技领域。目前，导热绝缘材料在电子封装领域应用较为广泛，聚合物复合导热材料往往会有以下优点：1）成本低；2）易加工；3）介电常数低，通过添加不同填料，控制导热成本低；4）耐腐蚀性好；5）重量轻、体积小、粘结性能好；6）合适的拉伸强度、膨胀系数较低。4.1 电子封装随着科技的发展，电子设备对热管理的要求逐渐增高，由于半导体器件功率大，体积小，导致热集聚，对电子设备性能寿命有严重的影响，因此对电子设备封装有严格的导热要求。电子封装导热包括芯片直接散热，也包括元件间连接结构导热，例如印刷电路板(PCB)的填充材料。电子封装材料主要分为三种类型：金属基封装材料、陶瓷基封装材料以及聚合物基导热材料。金属基封装材料具有高导热性能以及高强度和高可靠性等优点，常被应用于军事和航天领域的电子封装；陶瓷基封装材料具有良好的绝缘性能、介电常数低、CTE 较低，同时具有良好的拉伸机械强度以及导热性能，往往在高频率下会表现出优异的性能，例如硅胶垫片、导热硅脂等；聚合物基导热材料由聚合物和无机填料组成，结合了无机材料的高导热性能和绝缘性能以及有机聚合物的重量轻、易于加工同时价格低廉等优点，导热性能虽然没有金属基材料优异，但改善后的导热性能通常会比纯有机聚合物高几倍，足以满足大多数电子封装热界面散热，并且价格相较便宜，更适用于实际应用中。在聚合物中，EP 基热固性树脂在电子封装领域大约占 90%的份额，往往比其他聚合物表现出更良好的导热绝缘性能。相比于热塑性树脂，热固性材料具有优异的耐热性好、绝缘性能优良、抗腐蚀耐老化，但机械性能较差。本文主要讨论半导体器件急需解决热管理的三个领域：单芯片封装、多芯片链接导热(集成电路)、柔性电子封装。4.1.1 芯片封装降低芯片与导热材料界面热阻对电子封装散热至关重要，这就要求热界面材料(TIMs)导热效率高，同时较低的CTE来保持材料与芯片良好的接触效果，尽可能减少气隙。表3总结了目前商业用的导热材料，热导率在3-5 W/m·K，国内电子封装的导热绝缘材料主要是以硅脂、硅胶材料为主，通常在有机硅中添加少量无机物来提高复合材料的性能。表 3 商业热传导产品Han Yan将 Al2O3 接枝到BNNS表面的填料填充到硫化硅橡胶中制备了复合材料，当两者1:1共填充30 wt%时，面内热导率高达2.86 W/m·K，是纯橡胶基体的2.8倍(1.01 W/m·K)，拥有高达 0.84 MPa的抗拉强度、3.89的介电常数、5.76×1011Ω·cm体积电阻率以及 -40.1℃玻璃化转变温度，高性能主要是因为双填充物点-平面结构的协同作用，使得硅橡胶基体性能的提高。在电子封装中，主要关注的参数是材料的热导率和拉伸强度、CTE等。

例如纳米填料由于高的表面/体积比，CTE较低使得界面相互作用减弱，大大增强了界面的热传递面积，纳米填料对TIMs的CTE以及导热绝缘性能都有重要的影响，虽然复合材料导热性能没有很明显的提升，但力学性能有较好的改善，使复合材料能很好地应用于芯片的封装中。国外有许多研究者使用聚合物作为电子封装导热材料。Chao Chen 在 EP 中加入不同尺寸的球形氧化铝，导热系数显著提高到 1.364 W/m·K，同时复合材料拥有优异的绝缘性能、高的热稳定性、较低的CTE，可作为高功率电子器件封装的高性能导热材料，但制备球形 Al2O3颗粒的成本高以及制造工艺复杂，解决这些问题对该复合材料的大规模运用至关重要。Dongju Lee 对六方氮化硼纳米片(h-BNNP)表面羟基化处理，减少了表面缺陷，改善了填料团聚问题，且羟基更益于与基体界面强结合，降低界面热阻。EP 纳米复合材料热导率最高为 0.57 W/m·K，是纯 EP 树脂的 2.85 倍(图 9)。尽管绝缘性能有所降低，但仍在可接受的范围内。同时，这种制备方法简单，操作方便，在实际应用测试中表现出优于商用导热硅胶材料，纳米复合材料在芯片封装具有较大的应用前景。图 9 芯片封装试验示意图以及实验温度-时间曲线

4.1.2 集成电路封装相比于传统多组件电子模块(约 250 cm2)的电子封装来说，3D 集成模拟 CMOS 电路(约 1cm2)导热就会变得更为复杂。通过三维芯片堆栈技术以及通过硅通孔(TSV)互连所设计的 3D 芯片堆，使设备的尺寸和重量大大减小，同时提高了系统的整体性能，但也产生了热通量问题。目前依靠提高堆栈芯片接口导热来降低三维热管理难度，同时亦利用高导热可折叠柔性聚合物，通过嵌入集成电路内部，将热量有序排出，是 3D 堆栈芯片散热的主要方法。热固性聚合物热导率高但拉伸强度等力学性能较差，随着填料体积分数提高，聚合物流动性差，粘度增大，CTE 升高，复合材料难以紧密贴合堆栈芯片接口，导致界面之间存在气隙，对接口处导热有严重的影响。同时，针对集成电路中某些高产热芯片，可在复合材料和散热器件间填充微量的相变材料，在相变时放出或吸收大量热以达到快速降温，将相变材料微量填充在聚合物与芯片间，相变材料吸热溶解传递热量。当器件不工作时，相变材料凝固蓄能。同时相变材料具有一定的弹性，可保证接触界面贴合，增强导热效果。目前非有机相变材料已经广泛应用于电机降温以及电脑硬件冷却等行业中，未来可深入探索其在集成电路中的应用潜力。

4.1.3 柔性电子封装近十多年，移动设备(如手机、平板电脑等智能设备)向着多功能化、更轻、更薄甚至可弯曲的方向快速发展，内部电子元件的小型化、集成化、大功率密度逐步实现，电子器件的每平方面积热流增加导致严重的散热问题，危及电子设备的可靠性和寿命；同时下一代电子产品必将向着柔性方向发展，这要求新的导热材料不光具有较高的热导率，还需有较好的可折叠性。正如前部分所讲，金属材料的延展性好，但其刚性差，通常易碎且难以弯折，柔性聚合物复合材料能满足上述要求。设计的复合材料要有高的界面导热系数、良好的绝缘性能、灵活的结构，以解决柔性电子器件在使用中的过热问题。由于石墨烯具有极高的导热性能、优异的机械柔韧性以及大的纵横比，利用不同功能化的石墨烯作为柔性 TIMs 具有较好的效果。但石墨烯电导率高，通过对石墨烯表面功能化可有效改善绝缘性能，是设计柔性导热材料的最佳选择(表 4)。表 4 柔性复合材料导热性和电导率Li Peng设计无碎片的氧化石墨烯薄膜(GF)，解决了导电性问题。利用大块氧化石墨烯和微气囊结构(由半富勒烯机械挤压形成)设计的无碎片氧化石墨烯基薄膜，其热导率可达到 1940±113 W/m·K，优于以往的石墨烯的材料(1434 W/m·K)。同时其具有高达 16%的高断裂伸长率，可承受 180° 无缝折叠 6000 次以上，180° 弯曲 10 万次仍能保持材料的完整性。尽管在氧化石墨烯表面形成局部微褶结构，但不影响整体结构的表面光滑性，保证了在实际的导热中与衬底良好接触，不会产生高热阻。大面积多功能 GFs 可以很容易地集成到大功率柔性设备中，实现高效的热管理。此外，Xiongwei Wang 利用真空过滤技术制备含少量聚乙烯醇(PVA)的高导热绝缘、柔性的氟化石墨烯复合膜(图 10)，含有 93%氟化石墨烯复合膜可以适应人类手指的重复弯曲变形，含有 73.3%氟化石墨烯复合膜甚至可以忍受更复杂的折叠而不造成任何损伤。图 10 柔性 dfGF 复合膜实物图和散热效果图氟化石墨烯复合薄膜力学性能的显著提高主要与氟化石墨烯与 PVA 链之间的强相互作用有关，一方面 PVA 促进脱落的氟化石墨烯在水中的分散，同时还作为粘结剂增强相邻氟化石墨烯纳米片之间的连接。这种 TIMs 可在保持良好的绝缘性能的同时，还能达到 61.3 W/m·K 的超高面内热导率。可折叠、高功率智能设备必将主导下一代电子产品，这就需要强大的热管理系统来解决散热问题，相应的导热材料必须有较好的导热绝缘性能以及优秀的力学性能，可伸缩、多功能的石墨烯薄膜是最好的选择(不同柔性材料性能见表 4)，其能够开发成具有超高导热绝缘性以及突出灵活性的新型工程材料，在航空航天和智能手机等领域的下一代高频柔性/可穿戴电子产品中具有较高应用价值。但由于石墨烯成本高、制备困难，难以大规模使用。不久的将来，上述实验方法(例如功能化、微褶结构、定向垂直排列结构)和技术可以推广到其他 2D 纳米材料(如 BN、MoS2、Mo2C、和 Black phosphorus(黑磷))，将为高性能超柔性材料建立坚实的选择库，在下一代可穿戴式柔性电子设备拥有极大的潜在应用。4.2 电机导热绝缘电动汽车、船舶等交通设备电机定子绕组绝缘导热材料一方面可提高电机的综合性能和使用寿命，另一方面可提高电机功率密度和效率，增加主绝缘导热系数 50%，空冷发电机的效率将能增加 20%。图 11 是电机绕组结构以及散热效果图。图 11 电机绕组结构和测试红外图随着电动汽车的发展，其核心部件牵引电机功率密度逐渐提高，热管理成为在可变负载条件下防止过热的关键，电机绕组和叠片之间的热导率是电机热分析中最关键的参数之一，该系数取决于绝缘材料和绕组的制造工艺。通常电动机铜导线绝缘层热导率低于0.5 W/m·K，而电机中金属部件的热导率远远大于其周围绝缘材料的热导率，使得铜线散热困难，出现热集聚限制牵引电机的性能，过高的温度还会使电机的可靠性下降，甚至直接引起电机故障。使用高导热绝缘的绕组和槽衬垫是提高电机功率密度的有效策略。电机定子绕组大多数是云母绝缘材料，其优秀的绝缘能力为电机绕组提供了较高的放电电压，但云母热导率仅为 0.2-0.3 W/m·K，热老化问题严重，同时延伸能力差组件之间产生空隙，进一步降低热传导效率，也为局部放电提供了条件，加速了电机老化和失效。西门子公司在 EP 中填充特殊处理的球形 SiO2，用来替代云母绝缘材料，有效提高了导热能力且复合材料拉伸强度和热膨胀性能明显提升，该方法使电机定子棒耐久性提高了 13 倍；东芝公司在生产云母带的过程中，在玻璃纤维粘结树脂中加入高导热氮化硼，开发了氢冷涡轮发电机用高导热绝缘材料；GE 公司开发增强型聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)云母胶带，采用 PET薄膜作为云母纸的基材，经过优化的真空压力浸渍(VPI)处理，与传统绝缘系统相比，增强型 PET 云母系统具有更好的导热耐压(VE)特性。大型船舶以及超高速飞机的出现，要求电机要有更高的扭矩密度和有效载荷效率，然而问题在于输出功率的提高需要更好的热管理来应对增加的热量，高功率和高电流密度要求更薄的绕组绝缘。Hiep Nguyen 设计的用于船舶推进电机定子绝缘的耐放电 EP/黏土纳米复合材料用于高扭矩大电流密度电机，通过采用纳米复合材料将云母绝缘材料的导热系数从 0.25 W/m·K 提高到 0.7 W/m·K，无需设备重新设计，即可实现扭矩密度 14%的大幅度提高。绕组和磁芯的传热效率差，也限制了电机和发电机的功率密度。为了解决这个问题，Weijun Yin 利用高性能 AlN 陶瓷复合介质涂层用于电机和发电机。陶瓷涂层的导热性和温度稳定性大大高于常规材料，可以直接应用于磁芯上作为缝隙绝缘，通过电泳沉积(EPD)将其包覆在铜导体上作为绕组绝缘。与传统的槽衬和绕组绝缘相比，铜绕组和定子/转子铁芯之间的热阻可降低一个数量级，导热能力是传统材料的 10 倍，具有优异的介电性能和耐热性，在-54℃至 250℃的极宽温度范围内多次循环测试仍能保持电机性能，这可使电机功率密度至少提高 50%。EP 由于价格便宜、电热力学性能好，在各领域已经广泛使用，特别是作为绝缘材料在电机和设备中的应用占很大的比例。但纯 EP 热导率差，电机工作时绕组内温度高，导致绝缘劣化，绝缘使用时间远远低于预期寿命。在 EP 中加入微米或纳米填料使得材料热导率提高这种改进可使定子绕组的温度降低，有效缓解了绕组绝缘热老化问题，机器效率提升延长使用寿命，在相同负载下绝缘材料使用更少，减小了电机体积和重量。4.3 航天航空领域导热航空航天飞行器中包含着先进高功率、复杂、小尺寸的电子器件，电子器件有效载荷承受着越来越大的热负担。同时由于飞行器通常会在极端环境下工作，航天材料需要具备高玻璃化转变温度、优异的热稳定性、高模量、耐化学性和不燃性，图12 总结了航天应用中常用的导热聚合物。图 12 航天应用导热聚合物摩擦和导热是影响航空飞机制动部件的两个重要因素，所用材料需是韧性好、摩擦系数以及高导热性能的轻质聚合物。Mengbo Qian 在聚酰胺 6(PA6)中加入碳化硅晶须(SCWS)作为增强剂，添加 2%的SCWS 使 PA6 的拉伸强度提高 37.6％(58.2 MPa)。同时，断裂伸长率是纯 PA6 断裂伸长率的五倍以上(约280％)，断裂韧性提高了七倍左右。此外，添加 30％的 SCWS 将摩擦系数从 PA6 的 0.31 降低到 0.15，极大改善了抗磨性能。机械和抗磨性能的显着改善主要归因于 SCWS 的高刚度以及与 PA6 基质的强界面相互作用，在航空航天和汽车应用中生产先进的齿轮和轴承零件具有广阔的前景。碳纳米管由于独特的性质，作为航空航天复合材料的组成部分被广泛研究。CNT 复合材料正逐步被考虑应用于电子记忆机械设备中，垂直排列的碳纳米管以及其他材料相互配合，组成良好的导热系统。Lin Jing 通过在 CNT 外层封装氮化硼纳米管(BNNT)，证明了垂直排列的碳纳米管阵列的导热系数提高了近 2 倍(从约 15.5 W/m·K 增至 29.5 W/m·K)，同轴 BNNT 和 CNT 增强了导热，外部 BNNT 充当了附加的导热路径，而不会损害内部 CNT 的导热性，为后续研究垂直排列的碳纳米管高定向导热填料提供了新思路。Trompeta 设计了多壁碳纳米管/EP 复合材料，通过渗流理论研究填充含量对复合材料电导率、热稳定性以及纳米力学性能的影响。结果表明，当多壁碳纳米管填充 3%时，可在 EP 中均匀分散，并且在此临界浓度下复合材料的绝缘性能最好。由于多壁碳纳米管是高结晶度结构，随着填料的增多，EP 复合材料的热稳定性逐渐增强，但会使纳米力学性能受到很大影响，其抗拉强度和弹性性能明显减弱。多壁碳纳米管是一种高导热材料，为了更好的控制渗流阈值，提高填料和基体的相容性，还可以从将多壁碳纳米管功能化方面考虑，提高多壁碳纳米管的填充量，使其应用于航天航空领域中。总之，在航天领域很多热管理技术仍需突破，性能优异的新材料以及界面设计对器件的性能会产生显著的影响，例如二维材料以及人造金刚石材料的出现为下一代航天导热材料提供了新的选择，垂直排列的碳纳米管以及金属纳米线复合材料，使导热绝缘复合材料又提升了一个高度，有望广泛应用于航天领域电子产品封装。新一代飞机、旋翼机、无人机和导弹在视觉和热特性、轻量化、速度提高和机动性等方面的需求刺激了对先进材料和系统的开发。纳米碳材料是理想的候选者，可集成在不同的技术中，通过界面处理等改性达到所需性能。但纳米碳材料也有一些问题，例如如何提高填充体积、如何大规模生产、如何使得复合材料粘结性增强等问题，解决上述问题将有效推动聚合物/纳米碳复合导热绝缘材料在航空航天工程领域推广应用。

4.4 LED 导热垫片LED 因高流明效率和长寿命成为通用照明的主要光源，但 LED 在工作过程中产生大量热严重缩短LED 的寿命。LED 与散热器之间的 TIMs 的高导热性是 LED 散热的关键因素，有效的散热保证了 LED 的稳定运行。据研究，LED 的工作温度每上升 10℃，效率就会减少 10%，使用时间也会相应折损 5%，故结合高导热 TIMs 设计良好的热管理系统至关重要。LED 热管理系统由 TIMs 以及散热器组成。通常散热器由铜铝组成，而 TIMs 通常是硅脂或或其复合材料，但随着功率的提高，硅脂基体越来越难以满足条件。Minh Canh Vu 将 10 mm 的剥离氟化石墨烯膜(EGF)作为散热衬底和 TIMs，对大功率 LED 进行散热，与商业 PI 薄膜(0.3 W/m·K)作为柔性基片和商业热垫 5000S35(5 W/m·K)作对比，表现出优异的面内热导率(242 W/m·K)和平面热导率(21.8 W/m·K)，在相同实验环境下 EGF 薄膜散热温度明显低于上述两种商业材料(图 13)。同时该材料表现出来的柔韧性也是其他材料无可比拟的。
图 13 LED 导热垫片实验结果在此基础上，Minh CanhVu 又以垂直排列-氧化石墨烯(VA-GO)支架在氩气环境中还原为 VA-石墨烯支架，随后通过模板辅助化学气相沉积方法转化为 VA-SiC 片状支架，EP 被填充在 3D 骨架空白区域以制备复合材料。在 3.71%的SiC 片含量下具有 14.32 W/m·K 的超高穿透平面热导率，形成了更有序的互连热传导网络。将相同厚度VA-SiC/EP复合材料与商业导热垫 5516(热导率为 3.1 W/m·K)比较，在相同的测试环境下，运行 20分钟后，使用导热垫 5516 和 VA-SiC/EP 复合材料时 LED 模块的温度分别升高到 141℃和 116℃，VA-SiC/EP 复合材料的模块在冷却过程中在 20 分钟内恢复到室温，而 5516 的模块在 30 分钟内恢复到相同状态，表明VA-SiC/EP 复合材料的热传导优越性。随着对材料微观内部研究的深入，低成本、轻质灵活、耐腐蚀的高导热柔性新材料将陆续被开发，从而可筛选设计出针对某一工况特征的导热绝缘材料，有望成为 LED 的最终热管理解决方案。4.5 电池包基于相变材料导热现如今电动汽车快速发展，高能量密度、快速充放电都是市场对电动汽车电池提出的更高要求。然而，在增加能量密度、缩短充电时间的同时，电池会产生更多的热量，影响电池效率和寿命，甚至有自燃的危险，危害财产和人身安全；同时，电池包内温度分布不均匀会破坏电子平衡，减少功率输出，因此在不断增加电池组数量和重量的情况下，如何快速散热一直是困扰电动汽车电池的一个难题。目前，大多数研究是基于相变材料(PCM)配合其他组件来设计电池包热管理系统，电池的温度可以长期保持在相变温度附近范围内，而且基于相变材料的设计具有较为强大的散热能力以及紧凑的结构。Ling 等人优化了基于相变材料热管理系统的结构，将电池组直接插入 PCM@EG 复合材料中，配合传统液冷系统使用。相比之下，该混合导热系统不仅效率高，而且重量轻、结构简单，可灵活适应任意形状的电池。同时，这种设计有助于节省高达94.1%的 PCM质量和高达 55.6%的体积，降低成本。虽然上述设计较传统液冷系统性能大幅度的提升，但液冷系统的安全性能以及庞大体积还是不容忽视。因此，目前热管理系统研究的主流是 PCM 配合热管使用，可以进一步提升系统的散热能力，同时缩小系统体积，减少成本。Nandy Putra 利用RT44HC 相变材料以及热管作为电动汽车电池被动冷却系统，RT44HC 相变材料较低的熔化温度，可以使得系统工作时吸收传递更多的热量，保证电池组内部的温度平衡。模拟实验证明该热管理系统可以使电池组表面温度降低 33.2℃，相较于未使用相变材料的系统(最高可降低26℃)，性能提高了30%左右。除此之外，Wu 进一步简化了热管辅助 PCM 的电池热管理系统，他们将热管转移至电池组内部，有效增大了导热界面。工作过程中，电池内部热量被 PCM 吸收传至热管，然后通过热管的蒸发段传导到冷凝器段。一方面，由于添加了高热导率的 EG，复合 PCM 的热导率比纯 PCM 的热导率高约 30 倍，另一方面，热管增加了导热界面，进一步提高了PCM@EG 复合材料的吸热率，并将电池组的热量排出到外部环境中。总之，要提高热管理系统的散热性能，需要合理的结构和高导热 PCM 的相互配合，才能保证热量快速地从电池内部排到冷却介质中。然而，由于缺乏成本效益和结构的复杂性，相变材料难以大范围使用。作为热管理系统中的被动冷却方式，系统工作难以控制，且被动冷却系统都是和电池箱壳连接在一起的，损坏后难以更换，这对设计工艺和后期维修无疑是巨大的挑战。现在对电动汽车热管理系统的设计仍处于研究阶段，虽然已经有成熟的冷却系统投入使用，但也存在着体积大、成本高以及水冷导致的安全隐患问题，对主动冷却系统的改进仍是主要攻克的问题。热传导聚合物复合材料为电池组热系统设计开辟了一扇新的窗口，结合设计的导热系统，可有效促进电池组的导热散热，提高安全性能。二者该怎样结合是未来需要着重考虑的问题。

05结论与展望热传导是一种不定向传播方式，聚合物基复合导热材料填料的纵横比以及尺寸、直径和比表面积尤为重要。从一般的角度来看，似乎对于这些参数中的每一个越高越好。然而，在某些情况下纳米材料并不一定是适用的，例如未改性的纳米填料比表面积大，界面相容性较差，填料/基体张力大，使得填料容易聚合，反而不利于热导率提高，同时界面增多使得界面积累电荷加剧，极化增强，复合材料的绝缘性能降低。其次，通过处理填料/基体界面来降低热阻也可有效提高聚合物热导率。但以往工作表明，填料界面功能化是一把双刃剑，可增加填料/基体界面的热导率，也可降低填料的固有热导率。而目前界面功能化的挑战是确定如何在不损失填料固有热导率的情况下降低界面热阻。除此之外，处理方法也非常重要，尤其是在粘度和样品孔隙率方面。正如本文第三部分对复合材料结构设计所述，设计三维导热填充结构可有效的提升复合材料的热导率，同时对材料力学性能也有所改进，例如拉伸强度、热膨胀以及柔韧性等。在复合材料中，各向异性纳米填料的排列将直接影响热导率，其在填料排列方向上显著提高。但实际上，大体积的三维结构加工相对困难，特别是对于工业规模化应用，材料的结构和几何方面的研究在未来仍是重点。在电子封装、电子绕组绝缘等领域，如何高效导热是关键瓶颈问题之一，并且随着设备功率的逐渐提高，这一问题将更为突出。设计高导热绝缘材料配合热管理系统，是解决这一问题的重要策略。因此，设计高导热复合材料仍是未来需要关注的对象，未来可在以下几个方面继续深入研究：1）结合理论仿真和实际更深入了解聚合物复合材料微观导热机理。尽管目前对材料的内部导热机制研究较多，但还是缺乏统一、细致的理论模型，需系统的从更微观角度揭示材料导热机理。只有理解材料的深层导热机制，明确影响导热特性的关键参数和作用规律，才能设计出高性能导热绝缘材料。当下在理论计算和原位表征技术的最新进展可作为研究这一问题的重要工具。2）结构设计更有益于提升聚合物复合材料导热绝缘特性。如今电子设备快速发展，单使用高导热填料已经不能满足大功率器件的要求。通过设计复合材料结构，可以有效地提升材料导热性能，同时对复合材料的力学性能等也会产生积极地影响。但目前仍缺乏指导高性能导热绝缘材料的设计原则，且缺乏适合规模化的高效制备技术。3）继续探究新型高导热绝缘材料。商业领域主要使用硅材料，优异的热传导性能使其在导热领域应用多年，但随着电子器件大功率化、微体积化，这种热传导材料已经不能满足器件的使用要求。目前比较有潜力的材料是碳填充复合材料（如石墨烯）。虽然填充碳材料会提高聚合物的电导率，但其导热性能也能得到显著提高，且当填充达到阈值前，复合材料仍能保持良好的绝缘性能。同时碳复合材料具有优异的力学性能，例如较好的柔韧性、较高的拉伸强度以及较高的玻璃转化温度等，使碳复合导热绝缘材料在未来应用更加广阔。但由于其较差的界面润湿性和成本等问题，将其运用到实际中仍是挑战。4）实验产品到商品的转化。由于大部分聚合物复合材料仍处于研究阶段，实验室通常不考虑材料成本，实验条件、实验要求比较严格，还存在着随机误差等因素影响样品性能的可重复性。除此之外，在商业化的道路上，还要综合考虑适用性、寿命以及效率等其它问题。因此高性能导热绝缘材料的实际应用仍需努力。在过去十年中，研究人员使用有机基复合材料达到与金属相当的热导率，且碳纤维在复合材料中取得了巨大进展，使用微米和纳米颗粒也取得了一些令人鼓舞的结果。但目前仍面临严峻挑战，例如如何充分利用高导电填料(如石墨烯、碳纳米管和石墨)的固有热导率并获得尽可能接近理论值的性能。导热绝缘材料在现代科技发展中是至关重要的一环，未来还需要继续研发高性能的导热绝缘材料，降低设计成本并简化制作流程，才能实现规模化应用的终极目标。