科学技术的日新月异，使电子设备向轻量化、集成化、小型化、多功能化等方向发展，仪器散热空间缩小、功率密度不断增加，导致热流分布不均，局部过热问题已严重影响设备的稳定性和使用性能。研究表明，电子设备和器件的工作温度每升高10～15℃，使用寿命会缩短1/2 ，控制温度已成为设备稳定、可靠、安全运行的迫切要求。 

热界面材料是一种广泛应用于集成电路封装和电子散热的材料，主要用来填补发热器和散热器之间的微孔隙和凹凸不平的孔洞，从而排除空气间隙[空气热导率只有0.026W/（m·K）]，增加有效的热传导通道，降低接触热阻，提高散热效率。聚合物材料具有质轻、柔韧性好、加工性能突出、电绝缘性和耐腐蚀性好等优点，在热界面材料中的市场占比高达90%以上。大多数聚合物热导率一般集中在0.1～0.5W/（m·K），但是用于高密度集成电子设备中的热界面材料热导率最少要求为1W/（m·K），有的电子封装热界面材料甚至要求热导率达到10W/（m·K）以上。

提高聚合物热导率的方法主要有2种：（1）设计聚合物链形态，合成本征型导热高分子材料，该方法工艺复杂，难以实现大规模生产；（2）使用高导热填料填充聚合物基体。在聚合物中添加高导热填料是制备热界面材料的常用方法，具有成本低、工艺简单、适用性广等优点。石墨烯是目前已知的热导率最高、强度最高、厚度最薄的二维纳米材料，其共轭分子面结构和独特的二维单原子晶格模型，能为声子传导提供理想的二维通路，将石墨烯与聚合物复合是近年来制备高热导率热界面材料的研究重点，被广泛应用于5G通信网络、电子消费产品、人工智能、发光二极管（LED）等领域。笔者介绍了聚合物热界面材料的导热机理，综述了石墨烯的本征特性对聚合物热界面材料导热性能的影响，从多角度、多维度介绍了提高聚合物材料热导率的方法。

1、聚合物热界面材料的导热机理

材料的导热性能是内部所有微观粒子如分子、电子、声子和光子导热的总和。基于电子迁移的热传导主要存在于金属及聚苯胺、聚吡咯、聚乙炔、聚噻吩等导电聚合物中，这类材料在电子迁移过程中携带了大量能量，导热性能突出，但其绝缘性较差，在热界面材料中的应用受限。对于光子传热，要求材料具有良好的透光性，且要在特殊温度环境下才能直接生效。大多数聚合物热界面材料中没有自由电子，主要依靠声子来传递热量。声子并非真正的粒子，是一种用来描述晶格振动规律的能量量子。由热导率计算公式可知，声子的平均自由程是影响聚合物材料导热能力的主要因素，然而在聚合物中结晶不完善，非晶区链段的无规缠结以及界面和缺陷的存在使声子散射现象严重，导致声子传播行程极小，导热性能较差。将聚合物与导热填料复合，增加导热通路，提升聚合物结构的有序性，是改善聚合物材料导热性能的高效方法。

填充型高导热聚合物复合材料的导热机理可用渗流理论解释：当填料含量较低时，聚合物是连续相，填料在聚合物基体中孤立存在，彼此之间互不相连，形成类似“海-岛”结构，填料对提高聚合物热导率的贡献不大；当填料含量增加时，填料之间彼此接触，形成局部导热链或导热网，体系的热导率明显增大；若继续增加导热填料含量至渗流阈值，导热链之间相互联结，形成贯穿于整个体系的导热网络，热流沿连续的填料网络进行传输，声子散射小，复合材料的导热性能显著提高。

常用的导热填料分为金属粒子（Ag、Cu、Al等）、无机填料（Al₂O₃、ZnO、BN、SiC等）和碳基材料（石墨烯、碳纳米管、金刚石、碳纤维等）。石墨烯的热传导主要由声子贡献，一些学者认为石墨烯表面的原子可以和聚合物分子链相互缠结形成夹层，从而降低界面声子散射和界面热阻，同时石墨烯因独特的二维结构和高导热系数、超大比表面积等特性，在较低含量下能显著提高聚合物材料的导热性能。但聚合物/石墨烯热界面材料的导热性能也受多种因素影响，如石墨烯的本征特性、聚合物和石墨烯之间的界面作用、分子结构设计、材料取向、工艺条件等。石墨烯的厚度、尺寸、缺陷、含量等本征特性对聚合物/石墨烯热界面材料的导热性能影响很大，了解石墨烯本征特性对聚合物导热性能的影响，掌握提高聚合物/石墨烯复合材料热导率的方法，对新型热界面材料的研究具有十分重要的意义。

2、石墨烯的本征特性对聚合物热界面材料导热性能的影响

石墨烯厚度、尺寸的影响

随石墨烯层数增加，声子散射产生横向分量，其本征热导率的降低会影响聚合物热界面材料的导热性能。此外，选择大尺寸的石墨烯能减少体系界面数量，进而减少声子散射和界面热阻，提高热导率。 

但石墨烯片层越薄，越易在聚合物基体中折叠、扭曲形成褶皱，这些变形会成为声子散射点削弱复合材料的导热性能。由于石墨烯本身的疏水及静电特性，片径过大的石墨烯在基体中极易团聚，这会抑制石墨烯的本征热学特性。根据特定聚合物选择最佳的石墨烯厚度和片径尺寸对高导热聚合物热界面材料的制备十分关键。

石墨烯缺陷的影响

结构完整的石墨烯具有非常高的热导率，一般在3000～5000W/（m·K），但在制备石墨烯过程中难免产生缺陷，缺陷的种类、含量等都会影响复合材料的导热性能，有些结构缺陷会成为热流散射的中心，削弱石墨烯的热耗散能力。

在制备高导热复合材料时，减少石墨烯缺陷是十分必要的，但是只控制填料缺陷程度不足以实现高导热特性，也要综合考虑其他因素的影响。

石墨烯含量的影响

石墨烯含量是决定聚合物热界面材料热导率的重要因素。石墨烯含量较低时，热量不能从一个粒子转移到相邻粒子上，界面热阻高；随石墨烯含量增加，石墨烯片层之间密切接触，形成的有效热传输通道越多，复合材料的热导率越大。

虽然增加石墨烯含量能显著提高聚合物热界面材料的热导率，但石墨烯含量很高时，复合材料的绝缘性能、机械加工性能、光学性能等都会受到较大影响；同时高填充量下，石墨烯在聚合物中易团聚，也会导致复合材料的表面不平整、柔韧性差、质量大等。因此，要针对不同聚合物选择最佳的石墨烯填充比。

3、提高聚合物/石墨烯热界面材料热导率的方法

除了石墨烯的本征特性会影响聚合物热界面材料的热导率，通过石墨烯取向、填料混合填充、三维（3D）导热网络构建、双逾渗结构设计等方法均可进一步提高聚合物热界面材料的热导率。

石墨烯取向

石墨烯取向是实现低含量下聚合物热界面材料快速传热的有效途径。外力作用下，石墨烯沿特定方向有序排列，可提供更高效的传热路径，充分发挥其面内热导率极高的优势，减少沿特定方向的渗流阈值。常见的诱导石墨烯取向的方法包括机械力诱导法、电场诱导法、磁场诱导法等。

填料混合填充

添加不同尺寸、不同种类的导热填料以协同发挥各种填料的作用，是目前制备高导热聚合物热界面材料广泛应用的方法。碳系填料热导率高、热膨胀系数低、耐腐蚀性好，在聚合物中添加多种碳系填料能强化传热效应。

然而，碳系填料和金属粒子均具有突出的导电性，所得热界面材料的电导率也较高，在电子封装领域还要求热界面材料具有绝缘性和高温稳定性。将无机填料与石墨烯复合，可使材料导热性能增强的同时保持良好的绝缘性和耐老化性。

3D导热网络的构建

3D石墨烯网络比石墨烯片具有更好的声子、电子、离子转移能力，同时具有大比表面积、低密度和优异的综合性能。在聚合物中构建3D石墨烯导热网络，可确保石墨烯在基体中均匀分散，并极大地减少界面热阻，在低填充量下实现高导热特性；更重要的是复合材料的热传导性能还可通过设计的3D网络结构进行调整，具有独特性、灵活性和高效性。常见的构建3D网络结构的方法有自组装法、模板法、冷冻干燥法、3D打印法等。

双逾渗结构设计

双逾渗结构是以聚合物合金为基体，利用聚合物相容性（包括界面能、熔体黏度）差异而产生相分离，填料选择性分布在其中一相聚合物中或分布在两相界面处以增大其在材料中的有效浓度，在单相聚合物中达到渗流阈值，并通过一个连续相聚合物渗透，构建完善的导热链，从而在整个聚合物合金中形成连续的导热通路。双逾渗结构表现出优于单相聚合物复合材料的优势，在填料含量极低条件下能改善复合材料的导热性能。

4、结语与展望

目前，聚合物/石墨烯热界面材料的研究取得很大进展，高热导率材料层出不穷，但仍然面临一些挑战和问题：如石墨烯的成本较高，用其制备的高导热聚合物热界面材料尚处于实验室阶段，并未大规模应用；现有研究对材料的热导率未能形成有效、一致的评价标准，如何准确、可靠、可重复地检测热导率是热界面材料研发应用亟需解决的问题；选择填料时，要结合产品性能、使用要求等进行深入研究，开发适合不同应用场景的聚合物热界面材料；热界面材料的应用环境复杂，在提高导热性能的同时也要综合考虑材料的电绝缘性、电磁屏蔽效能、力学性能、化学稳定性等。总之，为了加快聚合物/石墨烯热界面材料的工业化应用，应重点从降低制备成本、统一热导率评价标准、优化产品综合性能等方面入手，开展系统研究。

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信息来源：化工新型材料

氧化石墨烯：

氧化石墨烯(graphene oxide )是石墨烯的氧化物，一般用GO表示，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。

氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米。因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质，因为其在水中具有优越的分散性，但是，相关实验结果显示，氧化石墨烯实际上具有两亲性，从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。因此，氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量。其亲水性被广泛认知。