熱管理黑科技之——導熱塑料
一、引言 隨著電子器件的集成度越來越高，單位面積的功率密度越來越大，散熱問題成為制約其性能穩(wěn)定和提升的關鍵因素。而傳統(tǒng)的金屬散熱材料雖然導熱性能非常優(yōu)秀，但其重量大、機械加工性能差、加工成本高等問題在一些既需要輕量化有需要高導熱的應用環(huán)境受到很大限制， 導熱塑料出現(xiàn)給大家?guī)砹诵碌慕鉀Q方案。那么今天我們就一起來聊聊熱管理黑科技之——導熱塑料。
圖片來自：covestro（科思創(chuàng)）
二、什么是導熱塑料？
講起塑料大家應該都不陌生，咱們平常生活中幾乎是隨處可見，而塑料這東西早在200多年前就被發(fā)明出來了，期間也經(jīng)歷了無數(shù)的實驗和驗證，從而成為大家隨處可見的應用產(chǎn)品。而導熱塑料就是以 聚酰胺（PA）、聚碳酸酯（PC）、聚苯硫醚（PPS）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚醚醚酮（PEEK）等常見的工程塑料為原材料基體，通過不同的導熱填料（如氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、碳化硅、氧化鎂、氧化鋅、石墨烯、碳納米管、金剛石等）對基體材料進行改性，在基體中搭建良好的導熱通路，從而得到高導熱的塑料。
導熱塑料又分為兩類：
（1）導熱絕緣塑料：導熱系數(shù)不高，大概在1.5W/(m?K)；主要導熱填料是金屬氧化物（氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅、氧化鈹?shù)龋┖徒饘俚铮ǖX、氮化硅、氮化硼、碳化硅、碳化硼等）。
（2）導熱導熱塑料：導熱系數(shù)在5-120W/(m?K)；主要導熱填料是石墨烯、碳纖維、碳納米管、金剛石、金屬粉體/纖維等。
而制備導熱性能優(yōu)異的高導熱塑料核心點就在于導熱填料的選擇和導熱通路的搭建，根據(jù)不同的應用場景，添加不同比例的導熱填料，既不能填充多了，也不能填充太少，填充多了雖然導熱性能好了，但是整體材料的力學性能就會下降，比如常見的就是塑料會變的很脆，受到應力沖擊就會出現(xiàn)裂紋，這是我們不想看到了，
所以要在保證塑料力學強度沒有太大影響的情況下，利用導熱填料在基體中搭建更多的導熱路徑，形成有序的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，這些網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)就跟如今的高速公路一樣，能夠加快聲子的傳導速度，從而提供整體材料的導熱性能。其實這個中間還是有很多關鍵點很難把控的，不過通過精密且巧妙的改性技術(shù)，導熱塑料比普通塑料的導熱性能有了質(zhì)的飛躍，性能提升可達100倍以上。
小編了解到，目前市面上部分高導熱塑料產(chǎn)品，其平面導熱系數(shù)能夠達到 8W/(m?K)，垂直方向?qū)嵯禂?shù)也大于 1.5W/(m?K)；有部分導熱導電塑料的導熱系數(shù)可達120W/(m·K)，這足以媲美一些如鋁材、鋁合金等金屬導熱材料了。
導熱塑料對比鋁材有哪些核心優(yōu)勢呢？
（1）輕量化：密度約1.8 g/cm3（鋁材的1/2-1/3），顯著降低產(chǎn)品重量及運輸成本。
（2）耐腐蝕性：優(yōu)于金屬，適應化學環(huán)境。
（3）熱輻射：塑料的熱輻射能力比金屬更好。
（4）設計靈活：可成型復雜薄壁結(jié)構(gòu)，滿足多樣化需求。
（5）絕緣性：導熱不導電，適用于非隔離電源等安全場景。
（6）環(huán)保性：生產(chǎn)污染小，可回收再利用，碳排放低（對比金屬/陶瓷）。
（7）加工高效：注塑成型無需后加工，周期短（如熱塑型導熱尼龍成型周期最短）。
（8）成本效益：綜合加工效率、輕量化及環(huán)保優(yōu)勢，整體成本低于金屬。
三、導熱塑料的應用與未來挑戰(zhàn)
導熱塑料目前主要應用在5G 網(wǎng)絡基礎設施、Wi-Fi 路由器、電動汽車的電池、 LED 照明、消費電子外殼、低空經(jīng)濟等領域。
1. ?LED照明領域?
用于燈座、散熱燈杯及外殼等部件，替代傳統(tǒng)金屬材料，實現(xiàn)散熱均勻且重量減輕40-50%?，而且導熱塑料的注塑成型特性支持復雜結(jié)構(gòu)設計，提升燈具造型靈活性。
傳統(tǒng)散熱材料在使用過程中，容易出現(xiàn)局部溫度過高的情況，這不僅會影響燈具的發(fā)光效率，還會加速器件的老化，縮短燈具的使用壽命。高導熱塑料作為LED燈具散熱材料后，可提升 LED 燈具的壽命 30% 以上；這也變相的減少了消費者頻繁更換燈具的次數(shù)，既節(jié)省了成本，又減少了資源的浪費，為綠色環(huán)保做出了貢獻。
2.?電子電力與汽車部件?
在CPU散熱器、新能源汽車電池管理系統(tǒng)及車燈散熱器中應用，導熱系數(shù)可達1-20W/m·K，部分特殊品級甚至超越不銹鋼（15W/m·K）?，超導熱尼龍等材料在車燈散熱器、電動汽車電池盒中的應用表現(xiàn)尤為突出。
3.Wi-Fi 路由器
其實目前市面上高端的Wi-Fi 路由器外殼都是由導熱塑料做成，平時大家肯定沒怎么注意過，Wi-Fi 路由器在長時間工作時，機身的熱量是很大，而導熱塑料作為其外殼，導熱性能好、外殼強度又高、又抗拒熱輻射、還有很好的絕緣性和電磁屏蔽性能，是上上之選。
4.消費電子外殼
如筆記本電腦的底部外殼、AR/VR眼鏡的外殼等方面基本都用上了導熱塑料，這樣消費者攜帶和穿戴起來更加輕盈，而且也能同時提高被動散熱的效率，從而提高設備工作的能效和壽命，進一步給消費者帶來更好的體驗。
5.低空經(jīng)濟
無人機的輕量化咱們就不用多少了，這個無人機行業(yè)的核心痛點，各大廠家都在不斷地薅材料，哪怕能多輕一兩都是好的。而導熱塑料為無人機輕量化和高導熱需求做出滿意的答復，既能提高整體機身的被動散熱性能，又能降低整機重量，提高無人機的續(xù)航能力和使用壽命。
導熱塑料目前一直是打著以塑代鋁的旗號，主要目標還是針對鋁合金、不銹鋼等低導熱金屬散熱組件做應用替代。
而前段時間美國東北大學與陸軍研究實驗室聯(lián)合研發(fā)，利用3D打印技術(shù)將聚合物樹脂和高導熱陶瓷粉體桉納米級排列搭起了熱傳導的超級通道，制備出了一種新型的高導熱陶瓷復合塑料，讓塑料導熱性能提升了120多倍，測試下來導熱性能超過不銹鋼，但是重量只有不銹鋼的四分之一，且它的絕緣性能、電磁屏蔽性能都非常出色，是導熱塑料領域非常有意義的一次突破性研究。
總結(jié)來說導熱塑料的優(yōu)勢核心點還是在它的輕量化上，基本就是減重了40%-50%，在這電子設備越來越最求小型化和輕量化的時代，這無疑是最受歡迎的；而且導熱塑料的化學穩(wěn)定性比金屬要高的多，不會生銹、也很難腐蝕，這也大大擴寬了它的應用范圍；再者它的力學性能非常好，可以隨心所欲的加工，這比金屬要方便的多，加工成本、加工時間能都大大縮減。
目前導熱塑料使用受限的瓶頸還是在于導熱性能與力學性能的平衡，一味地追求高導熱，那就必將犧牲力學性能，而強化力學性能也必將損失高導熱，如何做到兩者平衡的一個契機點，在不損壞原有力學性能的基礎上不斷提高導熱性能是目前各大研究院所、廠家研發(fā)的重點方向；
再者就是成本問題，畢竟添加了很多的導熱填料，比如氮化鋁、氮化硼、石墨烯、金剛石、碳納米管、碳纖維等高導熱填料相對塑料添加劑本身來說還是比較昂貴的，成本上肯定是要提高不少的，那么提升的導熱性能能不能與成本增加成正比，這個就需要工藝方面的不斷進步和支持，才能進一步生產(chǎn)處性價比非常優(yōu)秀的產(chǎn)品。
未來對于導熱塑料肯定還是會向著更高導熱、更高強度、更輕質(zhì)量的方向去不斷發(fā)展，當然對絕緣導熱的需求也會越來越多，所以這其中的挑戰(zhàn)還是非常艱巨的。導熱塑料的革命尚未成功，高分子材料科研同胞們?nèi)孕枧Α?/span>
四、總結(jié)
導熱塑料作為熱管理材料中的一個重要演員，由于他出色的高導熱性能、優(yōu)秀的輕量化、易加工、抗熱輻射性能好、絕緣性好、成本低等優(yōu)勢，廣泛適用于LED 照明、Wi-Fi 路由器、電動汽車的電池、消費電子外殼、低空經(jīng)濟、5G 網(wǎng)絡基礎設施等熱管理領域。導熱塑料是鋁材、鋁合金、不銹鋼等低導熱金屬替代的良品。
據(jù)相關機構(gòu)統(tǒng)計，全球?qū)崴芰鲜袌鲆?guī)模在2023年約為15-20億美元，并預計在未來5-10年內(nèi)以年均復合增長率10%-15%的速度快速增長，到2028-2030年，市場規(guī)模有望達到30-40億美元甚至更高。中國作為全球制造中心，是導熱塑料需求最旺盛的國家之一，2023年市場規(guī)模已超過50億人民幣，而如今將接近百億人民幣市場了，并且增速高于全球平均水平。
而近幾年我們國家對高導熱、輕量化材料的政策扶持也非常之大，也非常重視這塊方面的研發(fā)和市場投入，“以塑代鋁”也不再只是個口號，導熱塑料的未來發(fā)展將會是無限光明的。