散热利器, 3D打印塑料复合材料

将陶瓷填料聚合物和添加剂结合在一起的可3D打印塑料复合材料，具备卓越的导热性能，有望成为现代电子设备的散热利器。

近日，美国东北大学（Northeastern University）的研究人员与陆军研究实验室合作，开发出一种将陶瓷填料聚合物和添加剂结合在一起的可3D打印塑料复合材料，不仅拥有羽毛般的轻盈质感，更具备卓越的导热性能，有望成为现代电子设备的散热利器。

热管理一直是电力电子设备和雷达天线面临的技术瓶颈。手机过热会降频运行，但对雷达等关键系统而言，任何性能妥协都可能造成严重后果。

研究团队此次另辟蹊径，通过精密配比陶瓷、聚合物及特殊添加剂，利用3D打印技术创造出具有纳米级有序结构的新型塑料。这种材料的创新性在于，实现了从分子层面到宏观结构的精准调控。陶瓷颗粒经3D打印精确定位后，通过特殊热处理形成晶态聚合物的“桥梁”，构建起高效的热传导“高速公路”。测试显示，其导热性能超越不锈钢，重量却仅有后者的四分之一。

这种新型复合材料展现出三大优势：优异的电绝缘性，可避免短路风险；对射频信号“零干扰”，完美适配5G和雷达系统；既能贴身保护电路，又可快速导出热量。随着电子设备日益微型化，这种防护材料显得尤为重要。手机处理器在高温时自动降频的无奈之举，未来或成为历史。

这种新型塑料制品的应用前景远不止于消费电子。数据中心的热岛效应、电动汽车电池的热失控风险，都是新材料大显身手的舞台。虽然其不能“单枪匹马”解决所有散热难题，但作为热界面材料，它能与现有冷却系统“珠联璧合”。

研究团队目前正加速推进新型塑料的产业化进程，让这项“冷科技”早日惠及民生。

什么是导热塑料？

导热塑料是利用导热填料(包括粒子、纤维、层片等)对高分子基体材料进行均匀填充得来的，提高了树脂材料的导热性能。导热性能的好坏主要用导热系数(单位：W/(m.k))来衡量。在一些易被腐蚀的工作环境中，导热塑料具有金属材料不可比拟的工作寿命。

受结构特性限制，塑料的热导率普遍只有0.2W/(m·K)左右，所以一直以来塑料多用在绝热领域，直到近年来随着导热塑料的涌现才开始在散热领域有所突破。

提高塑胶原料的导热性能一般有两种方式：

第一种是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。但这种方法成本高，方法复杂，并不常用。

第二种方法则是对聚合物进行高导热材料填充，来制备导热填料/聚合物复合材料。这种方法相较于前者来说操作简单，可以极大的节约成本，是现今采用最广泛的提高高分子材料导热性能的方法。

应用于填充型导热塑料的导热填料，可按照其导电性分为绝缘导热填料及非绝缘导热填料。

绝缘导热填料包括氧化物、氮化物、碳化物填料。其中氧化物填料主要包括氧化铝、氧化锌及氧化镁等，其来源广泛，价格低廉，具有市场竞争力，是制备绝缘导热塑料的常用填料。氮化物主要有氮化硼(BN)、氮化硅(Si(3)N(4))以及氮化铝(AlN)等，通常具有导热系数高、耐高温、电绝缘性能好等优点，可在不降低材料电绝缘性能的情况下提高塑料的导热系数，但其缺点是价格偏高。碳化硅可分为六方晶系和立方晶系，是性能优良的导热填料，同时还具有耐高温、高模量、抗氧化性好等优点，被应用于微电子封装材料中。

非绝缘导热填料包括金属粉末、新型碳材料等。金属粉末：通常金属粉末都具有极高的导热系数，是良好的导热填料，但金属系填料的传热方式为电子导热，电绝缘性能差。石墨、碳纳米管、金刚石等新型碳材料也具有极高的导热系数，但由于其成本极其昂贵，还未被大规模使用，并且碳系填料的加入通常会使制品的颜色变黑，在浅色制品应用中会受到限制。

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