高導(dǎo)熱涂層制備及其性能研究進(jìn)展

林寧，李偉青，康嘉杰,2，秦文波,2，岳文,2，佘丁順,2，王成彪

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京） 工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京） 鄭州研究院，鄭州 451283；3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 鄭州礦產(chǎn)綜合利用研究所，鄭州 450006）

隨著科技的迅速發(fā)展，輕量化和集成化成為現(xiàn)代及未來(lái)電子設(shè)備與電子電路的發(fā)展潮流。越來(lái)越復(fù)雜的電路以及越來(lái)越小的電路板面積要求，導(dǎo)致微電子設(shè)備及集成電路的縮小化，元器件密度和功率不斷增加，熱擁擠現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重。大量材料界面的熱電阻成為限制電路或電子設(shè)備高效散熱的重要因素[1]。此外，LED 燈也向著高功率化發(fā)展，工作過(guò)程中僅約15%的電能轉(zhuǎn)成光能，其余電能幾乎都轉(zhuǎn)換成熱能。如果散熱不佳，LED 芯片結(jié)溫會(huì)急速上升，導(dǎo)致出光率和壽命急劇下降[2]。在航空航天領(lǐng)域，大量的熱管、晶體管以及集成電路在高速運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量熱能，使系統(tǒng)溫度升高，導(dǎo)致電子設(shè)備失效或者壽命降低。研究表明，對(duì)于電子設(shè)備中的功率管，將其運(yùn)行時(shí)的節(jié)點(diǎn)溫度由300 ℃降低至200 ℃，其壽命可以提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)[3]。戶外變壓器在使用過(guò)程中，由于自身元件運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，又加上長(zhǎng)時(shí)間暴露在太陽(yáng)光下，外殼表面會(huì)吸收太陽(yáng)輻射熱量，使得變壓器表面的溫度升高，有可能達(dá)到內(nèi)部元件的臨界耐受溫度，導(dǎo)致其無(wú)法工作而失效[4]。隨著汽車輕量化及新能源汽車的發(fā)展，鋁合金材料在汽車行業(yè)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，例如汽車的散熱器、冷卻器，這都對(duì)散熱提出了更高的要求[5-7]。此外，化工、能源、制藥、生物等行業(yè)都需要換熱器、金屬熱交換器、煤氣換熱器、油浸變壓器等設(shè)備，也需要提高其導(dǎo)熱性能[8-11]。因此，提高器件設(shè)備的導(dǎo)熱性能具有十分重要的意義。

目前，針對(duì)提高電子器件及設(shè)備導(dǎo)熱性能，可以采用導(dǎo)熱硅脂及向硅膠中添加具有高熱導(dǎo)率的顆粒，來(lái)提高散熱效率，且其應(yīng)用較為廣泛。另外可以將金剛石[12-14]、石墨烯[15-17]、碳納米管[18-20]作為增強(qiáng)相來(lái)制造復(fù)合材料，雖然其熱導(dǎo)率最高可達(dá)600 W/(m·K)，但其制備工藝復(fù)雜，制作成本較高，因此實(shí)際應(yīng)用較為困難[21]。因此，在器件及設(shè)備的外表面噴涂一層高熱導(dǎo)率、長(zhǎng)期服役的高導(dǎo)熱涂層，熱量會(huì)先以傳導(dǎo)散熱的方式到達(dá)涂層表面，依靠涂層的導(dǎo)熱、輻射的共同作用，快速散失熱量，使物體表面和內(nèi)部溫度下降，最終實(shí)現(xiàn)降溫散熱的目的[22]。本文列舉了高導(dǎo)熱涂層的不同制備方法，以及高導(dǎo)熱涂層的材料體系。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，基于冷噴涂涂層的自身特點(diǎn)，冷噴涂制備的高導(dǎo)熱涂層具有高導(dǎo)熱率、耐腐蝕、結(jié)合強(qiáng)度高的特點(diǎn)，能更好地滿足小型化、微型化電子設(shè)備及電子電路的散熱需求。

1 導(dǎo)熱涂層的分類

目前，導(dǎo)熱涂層根據(jù)制備方法和材料體系，分為三大類。第一類包括以噴涂技術(shù)制備的金屬基純銅涂層、金屬基金剛石/銅復(fù)合涂層、金屬基納米氧化鋁-4%碳納米管復(fù)合涂層、金屬基石墨烯復(fù)合涂層。制備導(dǎo)熱涂層的噴涂技術(shù)主要包括冷噴涂、超音速等離子噴涂和熱噴涂技術(shù)。第二類是以磁控濺射技術(shù)制備的金屬基單層、復(fù)合SiC 涂層以及Si 基表面沉積的AlN 涂層、DLC 涂層。磁控濺射技術(shù)制備導(dǎo)熱涂層時(shí)，通過(guò)調(diào)整涂層沉積溫度、涂層厚度及優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)等方式，可提高涂層的熱導(dǎo)率，進(jìn)而提高導(dǎo)熱性能。研究結(jié)果表明，在不同制備方法和工藝參數(shù)下獲得的涂層，實(shí)現(xiàn)了較高的熱導(dǎo)率，提高了襯底的散熱效率[23]。第三類是在非金屬基硅脂、有機(jī)樹(shù)脂中添加氧化鋁/二氧化硅顆粒、氮化硅/氧化鋁顆粒、氮化硼顆粒為填料制備的導(dǎo)熱涂層。這主要是因?yàn)轭w粒具有較高的熱導(dǎo)率，可以更好地提高涂層的熱導(dǎo)率。李靜等[24]在有機(jī)硅改性聚酯樹(shù)脂中添加氮化鋁（70 W/(m·K)）、氮化硼（220 W/(m·K)）及氧化鉍（250 W/(m·K)）三種粒子，制備了一種導(dǎo)熱性良好的用于換熱器上的導(dǎo)熱涂料，以提高換熱器的導(dǎo)熱性能。

2 導(dǎo)熱涂層的特點(diǎn)

2.1 涂層的高熱導(dǎo)率

涂層的導(dǎo)熱能力主要由熱導(dǎo)率決定，在基體表面沉積一層具有高熱導(dǎo)率的涂層，可以提高器件或設(shè)備的導(dǎo)熱性能。鄧卓梅等[21]采用熱噴涂技術(shù)在無(wú)氧銅塊表面噴涂鎢銅復(fù)合粉末，成功制備了鎢銅復(fù)合涂層。研究結(jié)果表明，溫度在50 ℃時(shí)，鎢銅復(fù)合涂層熱導(dǎo)率在290～310 W/(m·K)之間，相對(duì)于傳統(tǒng)的鎢銅合金散熱材料，其熱導(dǎo)率將近提高了100 W/(m·K)。吳俐俊等[25]制備的石墨烯復(fù)合涂層熱導(dǎo)率約為38 W/(m·K)，是傳統(tǒng)陶瓷涂層的100 倍，接近304 不銹鋼熱導(dǎo)率的2 倍。

2.2 涂層的抗腐蝕性

導(dǎo)熱涂層涂覆在設(shè)備外表面，在使用過(guò)程中會(huì)被腐蝕，嚴(yán)重影響設(shè)備的使用壽命。因此，為了減小腐蝕帶來(lái)的影響，導(dǎo)熱涂層應(yīng)具備抗腐蝕性。聶晟楠等[26]以石墨烯、石墨粉末、環(huán)氧樹(shù)脂等為原料，制備了耐腐蝕、高導(dǎo)熱石墨烯復(fù)合涂層。研究結(jié)果表明，經(jīng)靜態(tài)硫酸腐蝕實(shí)驗(yàn)后（圖1），c 試樣表面幾乎無(wú)變化，具有較強(qiáng)的抗腐蝕性。Li 等[27]制備的導(dǎo)熱涂層在25、50、90 ℃的溫度下于酸性溶液中放置240 h 后，仍保持無(wú)缺陷狀態(tài)。

圖1 試樣腐蝕前后的形貌[26]Fig.1 Morphology of samples before and after corrosion[26]

2.3 涂層結(jié)合強(qiáng)度良好

在實(shí)際使用過(guò)程中，涂層會(huì)因?yàn)轱L(fēng)沙浮塵的不斷沖擊磨損、空氣環(huán)境及工件的表面狀態(tài)，發(fā)生開(kāi)裂和剝落，進(jìn)而影響設(shè)備或器件的導(dǎo)熱能力，最終影響設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此導(dǎo)熱涂層需要具備結(jié)合強(qiáng)度高的特點(diǎn)。聶晟楠等[26]制備的高導(dǎo)熱石墨烯涂層經(jīng)過(guò)百格測(cè)試后，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)石墨烯復(fù)合涂層存在明顯剝落。在3 倍放大鏡下觀察涂層表面的劃痕，發(fā)現(xiàn)劃痕邊緣處較為光滑，劃痕相交處不存在剝落現(xiàn)象。百格測(cè)試結(jié)果表明，石墨烯復(fù)合涂層與基材的結(jié)合強(qiáng)度很高，能夠達(dá)到ASTM 等級(jí)5B（百格測(cè)試結(jié)果中結(jié)合強(qiáng)度最高的等級(jí)）。從圖2 可知，石墨烯復(fù)合涂層與基體材料界面間不存在明顯的分離現(xiàn)象，說(shuō)明石墨烯復(fù)合涂層與基材結(jié)合緊密，強(qiáng)度較高[26]。

圖2 石墨烯復(fù)合涂層斷面微觀形貌[26]Fig.2 Microstructure of graphene composite coating[26]

3 冷噴涂技術(shù)制備高導(dǎo)熱涂層

冷噴涂技術(shù)具有噴涂溫度低、涂層孔隙率低、涂層致密度高等特點(diǎn)，用其制備高導(dǎo)熱涂層可以實(shí)現(xiàn)高熱導(dǎo)率。這是因?yàn)榭諝馐菬岬牟涣紝?dǎo)體[28]，其在封閉狀態(tài)下的熱導(dǎo)率只有0.023 W/(m·K)，所以要降低涂層的孔隙率，提高涂層的致密度。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)冷噴涂技術(shù)制備高導(dǎo)熱涂層展開(kāi)了廣泛的研究。

目前主要以鋁合金為基體，噴涂純銅粉末及銅復(fù)合粉末制備高導(dǎo)熱涂層。Lupoi 等[29]采用冷噴涂技術(shù)直接在硅晶片上噴涂銅、金剛石/銅粉末，研究結(jié)果表明，純銅涂層的熱導(dǎo)率為400 W/(m·K)；金剛石/銅復(fù)合涂層的熱導(dǎo)率為580 W/(m·K)。Petrovskiy 等[30]采用冷噴涂技術(shù)在鋁基體上噴涂純銅粉末，研究結(jié)果表明，純銅涂層在25、150 ℃下的熱導(dǎo)率分別為317、319 W/(m·K)。胡凱瑋等[31]采用冷噴涂技術(shù)在Al-Si系壓鑄鋁合金上噴涂霧化銅粉，對(duì)純銅涂層試樣進(jìn)行了真空退火熱處理。研究結(jié)果表明，在室溫（30 ℃）下，純銅涂層的熱導(dǎo)率約為187 W/(m·K)；經(jīng)過(guò)300 ℃退火熱處理后，室溫下（30 ℃）銅涂層的熱導(dǎo)率提高到了225 W/(m·K)。Farjam 等[32]采用冷噴涂技術(shù)，在6061 鋁合金上成功制備了鋁基復(fù)合涂層，研究結(jié)果表明，復(fù)合涂層可以提高基體20%左右的散熱效率。Cao 等[33]采用冷噴涂技術(shù)在鋁基體上噴涂純銅粉，制備了純銅厚涂層和純銅薄涂層，并對(duì)兩個(gè)冷噴涂薄涂層樣品分別在300 ℃和500 ℃的退火溫度下保持1 h，最終獲得四組涂層（冷噴涂厚銅涂層、冷噴涂薄銅涂層、300 ℃退火薄銅涂層和500 ℃退火薄銅涂層），如圖3 所示。經(jīng)過(guò)退火后，涂層橫截面微觀形貌顯示涂層更加致密，因此涂層的熱導(dǎo)率得到提高。環(huán)境溫度為50 ℃時(shí)，厚銅涂層和薄銅涂層的熱導(dǎo)率分別為251.19 W/(m·K)和190.51 W/(m·K)。300 ℃退火后，薄銅涂層的熱導(dǎo)率增加到195.11 W/(m·K)；當(dāng)退火溫度升高到500 ℃時(shí)，薄銅涂層的熱導(dǎo)率進(jìn)一步提高到340.67 W/(m·K)。徐玲玲等[34]采用冷噴涂技術(shù)在6061 鋁合金上噴涂純銅粉末，成功制備了純銅涂層，并且將涂層進(jìn)行了退火處理，分別得到200 ℃退火純銅涂層和500 ℃退火純銅涂層。研究結(jié)果表明，在室溫下，純銅涂層、200 ℃退火純銅涂層、500 ℃退火純銅涂層的熱導(dǎo)率分別為199.3、189.6、195.4 W/(m·K)；當(dāng)溫度為100 ℃時(shí)，三種涂層的熱導(dǎo)率分別為204.8、340.6、328.4 W/(m·K)。Seo 等[35]采用冷噴涂技術(shù)在7075 鋁合金板上噴涂純銅粉末，對(duì)試樣進(jìn)行了退火處理。研究結(jié)果表明，在500 ℃退火溫度處理下，涂層的熱導(dǎo)率為340 W/(m·K)。通過(guò)冷噴涂技術(shù)可以獲得孔隙率低、致密度高的涂層，這對(duì)涂層的導(dǎo)熱能力特別重要。涂層的厚度也會(huì)影響熱導(dǎo)率，通常厚涂層的熱導(dǎo)率比薄涂層的熱導(dǎo)率高。將涂層進(jìn)行退火處理后，涂層的孔隙率進(jìn)一步降低，致密度進(jìn)一步提高，隨著退火溫度的升高，熱導(dǎo)率也會(huì)相應(yīng)的增加。通過(guò)改變環(huán)境溫度測(cè)試熱導(dǎo)率發(fā)現(xiàn)，在室溫下經(jīng)過(guò)退火處理的涂層熱導(dǎo)率幾乎沒(méi)有提高，甚至還有所下降，但隨著測(cè)試環(huán)境溫度的提高，熱導(dǎo)率也隨之提升，尤其是高溫下，測(cè)試退火溫度對(duì)熱導(dǎo)率影響巨大，熱導(dǎo)率提高了近60%。冷噴涂技術(shù)制備高導(dǎo)熱涂層性能對(duì)比如表1 所示。

圖3 涂層的橫截面微觀形貌[33]Fig.3 Microstructure of cross section[33]: a) cold spraying thick copper coating; b) cold spray thin copper coating; c) 300 ℃annealing thin copper coating; d) 500 ℃ annealed thin copper coating

表1 冷噴涂技術(shù)制備高導(dǎo)熱涂層性能對(duì)比Tab.1 Comparison of properties of high thermal conductive coating by cold spraying

4 熱噴涂技術(shù)制備高導(dǎo)熱涂層

制備高導(dǎo)熱涂層的熱噴涂技術(shù)，主要有等離子噴涂技術(shù)、超音速火焰噴涂技術(shù)及爆炸噴涂技術(shù)。目前噴涂粉末主要有銅粉、鎢/銅混合粉末、金剛石/銅混合粉末、氧化鋁粉末、氧化鋁/碳納米管混合粉末等，采用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的混合粉末制備涂層會(huì)導(dǎo)致涂層的熱導(dǎo)率不同。

鄧卓梅等[36]采用超音速火焰噴涂技術(shù)，在無(wú)氧銅基上制備了鎢銅復(fù)合涂層，粉末為氣霧法和球磨法制備的W20Cu80（%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）復(fù)合粉末。研究結(jié)果如圖4 所示，當(dāng)溫度為100 ℃時(shí)，氣霧粉末涂層的熱導(dǎo)率為326 W/(m·K)，球磨粉末涂層的熱導(dǎo)率為312 W/(m·K)，并且隨著測(cè)試溫度的升高，兩種涂層的熱導(dǎo)率也相應(yīng)地升高。Bakshid 等[37]采用等離子噴涂技術(shù)，在低碳鋼基體上噴涂噴霧干燥的納米氧化鋁與4%多壁碳納米管（MWCNT）的混合粉末，成功制備了Al2O3-4wt%多壁碳納米管復(fù)合涂層，該涂層的熱導(dǎo)率為7.2 W/(m·K)。Shakhova 等[38]采用等離子噴涂技術(shù)，在噴砂鋼上噴涂Al2O3粉末，研究結(jié)果表明，涂層的熱導(dǎo)率為(3.3±0.8) W/(m·K)；而采用爆炸噴涂在噴砂鋼上噴涂 Al2O3粉末，涂層熱導(dǎo)率為(4.0±0.8) W/(m·K)。Nistal 等[39]在SiC 基體上噴涂Si粉末，制備了Si 涂層，研究結(jié)果表明，室溫下涂層的熱導(dǎo)率為35.4 W/(m·K)。Fahim 等[40]采用等離子噴涂技術(shù)在不銹鋼基體上噴涂12%W-88%SiC 復(fù)合粉末，制備了W/SiC 涂層，室溫下該涂層的熱導(dǎo)率為59 W/(m·K)。Yaran 等[41]采用常壓等離子噴涂（APS）和真空等離子噴涂（VPS）技術(shù)制備了不同Cu 含量的W/Cu 混合粉末（85%W/15%Cu 和75%W/25%Cu），研究結(jié)果表明，由于銅的高導(dǎo)熱性，涂層的熱導(dǎo)率有隨銅含量增加而增大的趨勢(shì)，與常壓等離子噴涂W/Cu 涂層相比，真空等離子噴涂W/Cu 涂層的銅含量對(duì)熱導(dǎo)率的影響更大。熱噴涂技術(shù)將噴涂粉末加熱至熔化或半熔化的狀態(tài)，在噴涂過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力（主要是熱應(yīng)力和壓應(yīng)力）。噴涂溫度較高，導(dǎo)致熱應(yīng)力產(chǎn)生，且粉末撞擊基體表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，在熱應(yīng)力和壓應(yīng)力的共同作用下，會(huì)造成涂層物相的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致整體熱導(dǎo)率的降低。此外，不同粉末的制備方法也會(huì)影響涂層的熱導(dǎo)率，因此通過(guò)熱噴涂技術(shù)，選取高導(dǎo)熱率、熔點(diǎn)高的粉末來(lái)制備高導(dǎo)熱涂層，可能會(huì)取得更好的散熱性能。熱噴涂技術(shù)制備高導(dǎo)熱涂層的性能對(duì)比如表2 所示。

圖4 氣霧粉末涂層和球磨粉末涂層的熱導(dǎo)率[36]Fig.4 Thermal conductivity of aerosol powder coating and ball milled powder coating[36]

表2 熱噴涂制備高導(dǎo)熱涂層性能對(duì)比Tab.2 Comparison of properties of high thermal conductive coatings prepared by thermal spraying

5 磁控濺射技術(shù)制備高導(dǎo)熱涂層

目前主要通過(guò)非平衡磁控濺射、真空磁控濺射、直流磁控濺射、高能脈沖磁控濺射及射頻磁控濺射等磁控濺射技術(shù)沉積AlN、Ge、SiC 薄膜，制備高導(dǎo)熱涂層。通過(guò)控制制備參數(shù)，可制備出具有高熱導(dǎo)率的薄膜，實(shí)現(xiàn)涂層的高導(dǎo)熱性能。

Zhan 等[42]通過(guò)磁控濺射技術(shù)制備了非晶Ge 膜，在25、100、300、500 ℃的沉積溫度下，Ge 薄膜的熱導(dǎo)率分別為1.07、1.24、1.39、5.68 W/(m·K)。原因在于，500 ℃下沉積的薄膜具有多晶結(jié)構(gòu)，而在其他溫度下沉積的膜則具有非晶結(jié)構(gòu)，晶體固體的熱導(dǎo)率通常比非晶固體高得多。Duquenne 等[43]采用非平衡磁控濺射技術(shù)在Si 基體表面沉積了AlN 薄膜，研究結(jié)果表明，AlN 薄膜的整體熱導(dǎo)率為170 W/(m·K)。林歡等[44]采用真空磁控濺射技術(shù)，在聚醚醚酮基體表面沉積了6.4 nm 的金薄膜，研究結(jié)果表明，金薄膜的熱導(dǎo)率為283.97 W/(m·K)。Aissa 等[45]采用直流磁控濺射技術(shù)，在Si 襯底上制備了不同厚度的AlN 薄膜。如圖5 所示，隨著薄膜厚度從260 nm 增加到8000 nm，AlN 薄膜的熱導(dǎo)率從80 W/(m·K)增加到175 W/(m·K)。這是因?yàn)楸∧さ慕Y(jié)晶質(zhì)量隨著薄膜厚度的增加而提高，進(jìn)而提高了材料的熱導(dǎo)率。Aissa 等[46]采用高能脈沖磁控濺射技術(shù)，在Si 基體表面沉積了AlN 薄膜，薄膜厚度在1000～8000 nm。研究結(jié)果表明，當(dāng)薄膜厚度為3300 nm 時(shí)，該薄膜熱導(dǎo)率達(dá)到最大值250 W/(m·K)。Park 等[47]采用射頻磁控濺射技術(shù)，在Ar、Ar:H2、Ar:N2三種不同反應(yīng)氣體成分下，于Si 表面沉積了AlN 薄膜，研究結(jié)果表明，在10%N2下，氮化鋁薄膜的熱導(dǎo)率為134 W/(m·K)。Wang 等[48]采用射頻磁控濺射PVD 技術(shù)，在鎂合金表面沉積了SiC 復(fù)合涂層，研究結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)腐蝕后，復(fù)合涂層在25、100 ℃的熱導(dǎo)率分別為90.1、108.4 W/(m·K)，表明涂層在腐蝕環(huán)境下依然能保持高熱導(dǎo)性能。對(duì)于磁控濺射技術(shù)制備高導(dǎo)熱涂層，沉積溫度越高，則涂層致密度越高，從而提高涂層的整體熱導(dǎo)率。此外，涂層厚度對(duì)熱導(dǎo)率的影響也很大，隨著涂層厚度的增加，熱導(dǎo)率提高，但熱導(dǎo)率不會(huì)隨著涂層厚度一直增加。在制備過(guò)程中，晶體結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率高于非晶體的熱導(dǎo)率。

圖5 熱導(dǎo)率與AlN 膜厚度的關(guān)系[45]Fig.5 Relationship between thermal conductivity and AlN film thickness[45]

6 涂料技術(shù)制備高導(dǎo)熱涂層

對(duì)于涂料技術(shù)制備高導(dǎo)熱涂層，對(duì)熱導(dǎo)率影響最大的因素是填料本身的熱導(dǎo)率及填料的級(jí)配。通過(guò)添加具有高熱導(dǎo)率的填料及調(diào)節(jié)混合填料之間的級(jí)配，可以有效地提高涂料涂覆后涂層整體的熱導(dǎo)率，其中BN 熱導(dǎo)率為280 W/(m·K)[49]，Al2O3熱導(dǎo)率為30 W/(m·K)[50]，AlN 熱導(dǎo)率為340 W/(m·K)[51]，球形碳材料的熱導(dǎo)率為6～174 W/(m·K)[52]，SiC 單晶的熱導(dǎo)率為490 W/(m·K)[53]。

雷定峰等[54]使用粘接促進(jìn)劑對(duì)Al2O3粉末填料進(jìn)行了表面改性，并將其作為填料添加到E-20 型環(huán)氧樹(shù)脂溶液中，配合自制的潛伏型環(huán)氧樹(shù)脂固化劑及其他助劑，制備了環(huán)氧樹(shù)脂導(dǎo)熱涂料。環(huán)氧樹(shù)脂本身的熱導(dǎo)率只有0.2 W/(m·K)，與填料復(fù)合后，其導(dǎo)熱性能得到明顯改善。楊慶浩等[55]在聚酯清漆中加入氧化鋁顆粒和二氧化硅顆?；旌咸盍希苽淞司哂辛己脤?dǎo)熱性、附著力的絕緣聚酯清漆；當(dāng)填料添加量為40%，且兩種填料的比例為1∶1 時(shí)，熱導(dǎo)率能達(dá)到2.2 W/(m·K)。張淑芳等[56]將導(dǎo)熱絕緣材料硅脂KE349 涂覆在電路板的背面，以考察涂覆導(dǎo)熱涂層加入前后LED 燈的溫度變化情況。研究結(jié)果表明，涂覆導(dǎo)熱涂層后，燈表面的散熱效果比電路板上更明顯，在高封裝數(shù)量的LED 上能取得更好的散熱效果。周文英等[57]以環(huán)氧改性有機(jī)硅樹(shù)脂為基體，以氮化硅、氧化鋁混合導(dǎo)熱粒子為填料，制備了導(dǎo)熱絕緣涂料。研究結(jié)果表明，在300 s 測(cè)試時(shí)間內(nèi)，涂料的溫度始終低于非導(dǎo)熱涂層，說(shuō)明該涂料相對(duì)于非導(dǎo)熱涂層，具有較高的熱傳導(dǎo)能力，可以用作導(dǎo)熱涂層使用。李靜[58]在改性硅聚酯樹(shù)中，以氮化硼為導(dǎo)熱填料，制備出高導(dǎo)熱涂料。研究結(jié)果表明，隨著氮化硼填料的增加，涂料熱導(dǎo)率能夠達(dá)3.283 W/(m·K)。聶鈺節(jié)等[59]在水性有機(jī)硅樹(shù)脂中添加高導(dǎo)熱SiC 顆粒，制備了一種水性納米復(fù)合型散熱涂料。研究結(jié)果表明，添加SiC 后，改善了有機(jī)硅樹(shù)脂的散熱性能，其中當(dāng)SiC填料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，涂層的散熱性能最佳。張雪平等[60]在環(huán)氧樹(shù)脂中添加氧化鋁，經(jīng)過(guò)混合均勻及研磨分散處理后，用噴槍均勻地噴涂在鋁箔表面。研究結(jié)果表明，該涂層的熱導(dǎo)率為1.1 W/(m·K)。李靜等[61]在丙烯酸-氨基樹(shù)脂中添加碳纖維、氮化鋁為主的填料，其中碳纖維的熱導(dǎo)率為700 W/(m·K)[62]，經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)分散過(guò)濾后，得到涂料。研究結(jié)果表明，當(dāng)碳纖維含量為12.3%時(shí)，涂層熱導(dǎo)率最大，為1.61 W/(m·K)。周開(kāi)河等[63]在環(huán)氧富鋅漆中添加氮化硼和氟碳樹(shù)脂，結(jié)果表明，涂層的熱導(dǎo)率為2.147 W/(m·K)。涂料技術(shù)制備導(dǎo)熱涂層的熱導(dǎo)率并不是特別的高，這可能是由于本身基體的熱導(dǎo)率很低，添加具有高導(dǎo)熱填料后，填料不能均勻地分布在基體中，不能形成完整的導(dǎo)熱通路，降低涂層整體的熱導(dǎo)率。理想的制備高導(dǎo)熱涂層的涂料技術(shù)應(yīng)選取高導(dǎo)熱顆粒，并能在基體中分布均勻，加以碳納米管在基體中形成完整的導(dǎo)熱通路。

7 結(jié)論與展望

隨著5G 技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，對(duì)于器件及設(shè)備的散熱要求越來(lái)越高，這是因?yàn)?G 產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為緊湊，機(jī)身向非金屬化演進(jìn)，需額外散熱設(shè)計(jì)補(bǔ)償，產(chǎn)品應(yīng)用的功率成倍增加，例如5G 芯片消耗的功率將是當(dāng)前4G 調(diào)制解調(diào)器的2.5 倍，這就造成了產(chǎn)品發(fā)熱量顯著的特點(diǎn)，因此需要具有更高導(dǎo)熱性能的導(dǎo)熱材料來(lái)提高其散熱效果。鑒于此，高導(dǎo)熱涂層對(duì)于增大電子器件及設(shè)備的導(dǎo)熱能力，提高設(shè)備的集成化及輕量化具有重要的意義。

本文通過(guò)對(duì)比冷噴涂技術(shù)、熱噴涂技術(shù)、磁控濺射技術(shù)及涂料技術(shù)制備高導(dǎo)熱涂層可以發(fā)現(xiàn)：

1）冷噴涂技術(shù)制備的導(dǎo)熱涂層具有較高的熱導(dǎo)率，冷噴涂制備的金剛石/銅復(fù)合涂層熱導(dǎo)率能達(dá)到580 W/(m·K)；磁控濺射制備的AlN 薄膜的熱導(dǎo)率能達(dá)到250 W/(m·K)；涂料技術(shù)制備的涂料熱導(dǎo)率能達(dá)到3.283 W/(m·K)。

2）冷噴涂技術(shù)制備的涂層具有較高的熱導(dǎo)率原因是，涂層本身孔隙率較低，而空氣是熱的不良導(dǎo)體，因此涂層致密度的提高有助于涂層導(dǎo)熱能力的提升。另外進(jìn)行退火處理后，涂層在高溫環(huán)境下的熱導(dǎo)率提升巨大，提高了將近60%。

3）涂層的熱導(dǎo)率受測(cè)試環(huán)境溫度的影響較大，一般情況下，隨著測(cè)試溫度的增加，熱導(dǎo)率也會(huì)相應(yīng)地提高。

對(duì)比四種制備導(dǎo)熱涂層的方法可以發(fā)現(xiàn)，基于冷噴涂技術(shù)特點(diǎn)制備的導(dǎo)熱涂層具有更為優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，但目前對(duì)于冷噴涂技術(shù)制備高導(dǎo)涂層主要以噴涂銅粉為主，由于金屬導(dǎo)體的熱傳導(dǎo)主要是通過(guò)電子的運(yùn)動(dòng)，而金屬內(nèi)部存在著大量的電子且電子質(zhì)量較輕，所以能夠更快地傳遞熱量，達(dá)到散熱的需求。但是在電子電器設(shè)備中使用，還須具備良好的電絕緣性。為了滿足小型化、微型化電子設(shè)備及電子電路的散熱需求，基于冷噴涂制備高熱導(dǎo)率且絕緣性良好的導(dǎo)熱涂層，提供了一個(gè)新的解決途徑。對(duì)此，可以采取分層技術(shù)制備復(fù)合涂層，在基體表面先噴涂一層絕緣的粉末，再噴涂具有高熱導(dǎo)率的粉末；或者是采用絕緣顆粒包裹銅粉，制備具有絕緣、高導(dǎo)熱、耐腐蝕、結(jié)合強(qiáng)度高的高導(dǎo)熱涂層。這將突破目前高導(dǎo)熱涂層的應(yīng)用限制，實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)熱涂層的進(jìn)一步發(fā)展。