熱管理黑科技之——導(dǎo)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(guān)鍵因素。而傳統(tǒng)的金屬散熱材料雖然導(dǎo)熱性能非常優(yōu)秀，但其重量大、機(jī)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(dǎo)熱的應(yīng)用環(huán)境受到很大限制，

導(dǎo)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(dǎo)熱塑料。

圖片來自：covestro（科思創(chuàng)）

二、什么是導(dǎo)熱塑料？

講起塑料大家應(yīng)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(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證，從而成為大家隨處可見的應(yīng)用產(chǎn)品。而導(dǎo)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(dǎo)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(jìn)行改性，在基體中搭建良好的導(dǎo)熱通路，從而得到高導(dǎo)熱的塑料。

導(dǎo)熱塑料又分為兩類：

（1）導(dǎo)熱絕緣塑料：導(dǎo)熱系數(shù)不高，大概在1.5W/(m?K)；主要導(dǎo)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ǖX、氮化硅、氮化硼、碳化硅、碳化硼等）。

（2）導(dǎo)熱導(dǎo)熱塑料：導(dǎo)熱系數(shù)在5-120W/(m?K)；主要導(dǎo)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(dǎo)熱性能優(yōu)異的高導(dǎo)熱塑料核心點(diǎn)就在于導(dǎo)熱填料的選擇和導(dǎo)熱通路的搭建，根據(jù)不同的應(yīng)用場景，添加不同比例的導(dǎo)熱填料，既不能填充多了，也不能填充太少，填充多了雖然導(dǎo)熱性能好了，但是整體材料的力學(xué)性能就會(huì)下降，比如常見的就是塑料會(huì)變的很脆，受到應(yīng)力沖擊就會(huì)出現(xiàn)裂紋，這是我們不想看到了，

所以要在保證塑料力學(xué)強(qiáng)度沒有太大影響的情況下，利用導(dǎo)熱填料在基體中搭建更多的導(dǎo)熱路徑，形成有序的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這些網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)就跟如今的高速公路一樣，能夠加快聲子的傳導(dǎo)速度，從而提供整體材料的導(dǎo)熱性能。其實(shí)這個(gè)中間還是有很多關(guān)鍵點(diǎn)很難把控的，不過通過精密且巧妙的改性技術(shù)，導(dǎo)熱塑料比普通塑料的導(dǎo)熱性能有了質(zhì)的飛躍，性能提升可達(dá)100倍以上。

小編了解到，目前市面上部分高導(dǎo)熱塑料產(chǎn)品，其平面導(dǎo)熱系數(shù)能夠達(dá)到 8W/(m?K)，垂直方向?qū)嵯禂?shù)也大于 1.5W/(m?K)；有部分導(dǎo)熱導(dǎo)電塑料的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)120W/(m·K)，這足以媲美一些如鋁材、鋁合金等金屬導(dǎo)熱材料了。

導(dǎo)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(yùn)輸成本。

（2）耐腐蝕性：優(yōu)于金屬，適應(yīng)化學(xué)環(huán)境。

（3）熱輻射：塑料的熱輻射能力比金屬更好。

（4）設(shè)計(jì)靈活：可成型復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)，滿足多樣化需求。

（5）絕緣性：導(dǎo)熱不導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)熱塑料的應(yīng)用與未來挑戰(zhàn)

導(dǎo)熱塑料目前主要應(yīng)用在5G 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、Wi-Fi 路由器、電動(dòng)汽車的電池、 LED 照明、消費(fèi)電子外殼、低空經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域。

1. ?LED照明領(lǐng)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(shí)現(xiàn)散熱均勻且重量減輕40-50%?，而且導(dǎo)熱塑料的注塑成型特性支持復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(huì)影響燈具的發(fā)光效率，還會(huì)加速器件的老化，縮短燈具的使用壽命。高導(dǎo)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(fèi)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(fèi)，為綠色環(huán)保做出了貢獻(xiàn)。

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(yīng)用，導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)1-20W/m·K，部分特殊品級甚至超越不銹鋼（15W/m·K）?，超導(dǎo)熱尼龍等材料在車燈散熱器、電動(dòng)汽車電池盒中的應(yīng)用表現(xiàn)尤為突出。

3.Wi-Fi 路由器

其實(shí)目前市面上高端的Wi-Fi 路由器外殼都是由導(dǎo)熱塑料做成，平時(shí)大家肯定沒怎么注意過，Wi-Fi 路由器在長時(shí)間工作時(shí)，機(jī)身的熱量是很大，而導(dǎo)熱塑料作為其外殼，導(dǎo)熱性能好、外殼強(qiáng)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(fèi)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(dǎo)熱塑料，這樣消費(fèi)者攜帶和穿戴起來更加輕盈，而且也能同時(shí)提高被動(dòng)散熱的效率，從而提高設(shè)備工作的能效和壽命，進(jìn)一步給消費(fèi)者帶來更好的體驗(yàn)。

5.低空經(jīng)濟(jì)

無人機(jī)的輕量化咱們就不用多少了，這個(gè)無人機(jī)行業(yè)的核心痛點(diǎn)，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(dǎo)熱塑料為無人機(jī)輕量化和高導(dǎo)熱需求做出滿意的答復(fù)，既能提高整體機(jī)身的被動(dòng)散熱性能，又能降低整機(jī)重量，提高無人機(jī)的續(xù)航能力和使用壽命。

導(dǎo)熱塑料目前一直是打著以塑代鋁的旗號，主要目標(biāo)還是針對鋁合金、不銹鋼等低導(dǎo)熱金屬散熱組件做應(yīng)用替代。

總結(jié)來說導(dǎo)熱塑料的優(yōu)勢核心點(diǎn)還是在它的輕量化上，基本就是減重了40%-50%，在這電子設(shè)備越來越最求小型化和輕量化的時(shí)代，這無疑是****的；而且導(dǎo)熱塑料的化學(xué)穩(wěn)定性比金屬要高的多，不會(huì)生銹、也很難腐蝕，這也大大擴(kuò)寬了它的應(yīng)用范圍；再者它的力學(xué)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(shí)間能都大大縮減。

目前導(dǎo)熱塑料使用受限的瓶頸還是在于導(dǎo)熱性能與力學(xué)性能的平衡，一味地追求高導(dǎo)熱，那就必將犧牲力學(xué)性能，而強(qiáng)化力學(xué)性能也必將損失高導(dǎo)熱，如何做到兩者平衡的一個(gè)契機(jī)點(diǎn)，在不損壞原有力學(xué)性能的基礎(chǔ)上不斷提高導(dǎo)熱性能是目前各大研究院所、廠家研發(fā)的重點(diǎn)方向；

再者就是成本問題，畢竟添加了很多的導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)熱性能能不能與成本增加成正比，這個(gè)就需要工藝方面的不斷進(jìn)步和支持，才能進(jìn)一步生產(chǎn)處性價(jià)比非常優(yōu)秀的產(chǎn)品。

未來對于導(dǎo)熱塑料肯定還是會(huì)向著更高導(dǎo)熱、更高強(qiáng)度、更輕質(zhì)量的方向去不斷發(fā)展，當(dāng)然對絕緣導(dǎo)熱的需求也會(huì)越來越多，所以這其中的挑戰(zhàn)還是非常艱巨的。導(dǎo)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(dǎo)熱塑料作為熱管理材料中的一個(gè)重要演員，由于他出色的高導(dǎo)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(dòng)汽車的電池、消費(fèi)電子外殼、低空經(jīng)濟(jì)、5G 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施等熱管理領(lǐng)域。導(dǎo)熱塑料是鋁材、鋁合金、不銹鋼等低導(dǎo)熱金屬替代的良品。

據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，全球?qū)崴芰鲜袌鲆?guī)模在2023年約為15-20億美元，并預(yù)計(jì)在未來5-10年內(nèi)以年均復(fù)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(dá)到30-40億美元甚至更高。中國作為全球制造中心，是導(dǎo)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(dǎo)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(gè)口號，導(dǎo)熱塑料的未來發(fā)展將會(huì)是無限光明的。