在電子器件高度薄型化、多功能化和集成化的時代，會不可避免地導致復合材料內(nèi)部的熱量積累，嚴重影響設備的穩(wěn)定運行和使用壽命，如何實現(xiàn)電介質(zhì)材料快速且高效的導熱散熱已成為影響電子設備發(fā)展的關鍵問題。傳統(tǒng)聚酰亞胺本征導熱系數(shù)較低，限制了在電氣設備、智能電網(wǎng)等領域中的應用，發(fā)展新型高導熱聚酰亞胺電介質(zhì)薄膜材料成為國內(nèi)外研究重點。本文介紹了復合材料的熱傳導機制，概述了近年來導熱聚酰亞胺薄膜的研究進展與發(fā)展現(xiàn)狀，重點討論了導熱填料、界面相容、成型工藝對材料導熱系數(shù)的影響，最后結(jié)合導熱聚酰亞胺復合電介質(zhì)材料未來發(fā)展的需要，對研究中存在的一些關鍵科學技術問題進行了總結(jié)與展望。

01 引言

高分子材料以其優(yōu)異的電絕緣性、耐化學腐蝕性、質(zhì)輕、密度小等特性被廣泛應用于電子電氣、通信、軍事裝備制造、航空航天等領域。聚酰亞胺（PI）是由含酰亞胺基鏈節(jié)[-C(O)-N(R)-C(O)-]構建的芳雜環(huán)高分子化合物，具有優(yōu)異的電絕緣性、耐輻照性能、機械性能等特性，被譽為“解決問題的能手”。PI 作為結(jié)構或功能材料具有巨大的發(fā)展前景，特別是 PI 薄膜材料，有著“黃金薄膜”的美稱，最早被開發(fā)和應用的一種聚酰亞胺產(chǎn)品，在印制電路板、電子封裝、層間介質(zhì)、顯示面板等領域中被廣泛應用（見圖 1）。圖 1 聚酰亞胺薄膜材料的應用現(xiàn)代電子設備、以芯片為代表的工業(yè)器件、混合動力電動汽車以及發(fā)光二極管的高度集成和高功率導致產(chǎn)品的尺寸逐漸減小，由此產(chǎn)生的熱量成倍增加的問題越來越突出，嚴重影響產(chǎn)品的操作性能及使用壽命，熱管理系統(tǒng)的高效導熱散熱越來越受到人們的廣泛關注。

相關研究表明：電子設備的溫度每升 2℃，可靠性降低 10%；溫度升高 8~12℃，使用壽命減半，材料的導熱性能已成為影響設備正常工作的一個重要參數(shù)。聚合物材料在解決導熱散熱問題方面顯示出了良好的潛力，但聚酰亞胺材料的本征導熱系數(shù)較低，通常在 0.2 W/(m·K)以下，遠低于金屬、碳、陶瓷等材料，極大限制了 PI 薄膜在高新技術領域的應用。為了保證設備的正常運行和使用安全性，尋求適當方法來提高聚酰亞胺材料的熱導率具有重要意義。為了解決聚酰亞胺材料的導熱散熱問題，研究人員主要從兩個方面開展工作。一是對 PI 基體本體改性，從分子結(jié)構設計角度出發(fā)，基于 PI 的 1~3 級結(jié)構設計及構筑有序結(jié)構；通過力學拉伸、剪切、離心、紡絲等方式誘導有序結(jié)構的形成；基于分子間相互作用力，特別是發(fā)揮氫鍵的優(yōu)勢，在分子鏈間形成穿插和纏結(jié)的結(jié)構以及構建側(cè)基之間的氫鍵作用。提高聚酰亞胺本征熱導率的策略即改變基體鏈結(jié)構的形態(tài)，使蜷曲的分子鏈呈現(xiàn)舒展的狀態(tài)，提高鏈段聚集的有序性，來創(chuàng)造聲子傳遞的途徑，以此提高基體的本征導熱系數(shù)。二是以 PI 為基體，在基體中添加高導熱填料也是改善熱導率的有效策略，目前，國內(nèi)外高導熱聚酰亞胺復合材料的理論研究和工業(yè)化生產(chǎn)主要集中在填充型 PI 復合材料。導熱填料在 PI基體中相互連接，形成有序的導熱路徑，減少聲子傳遞過程中產(chǎn)生的散射，實現(xiàn)熱量的快速傳輸。復合材料的熱導率由 PI 基體的結(jié)構和填料的性能、填料在基體中的排列以及基體與填料的相互作用等因素共同決定，同時還要考慮導熱通路的構筑及制備工藝等材料導熱性能的影響。
02 熱傳導機制 

熱是材料內(nèi)部的分子、原子、電子等微觀粒子的移動、轉(zhuǎn)動和振動的能量，材料的導熱機理與其內(nèi)部的微觀粒子的相互碰撞和傳遞有著密切的聯(lián)系。熱傳導的載體有分子、電子、聲子（晶格振動的能量量子）、光子。熱量由材料的高溫部分向低溫部分傳遞，而在本質(zhì)上可認為是振幅較大的分子和原子帶動振幅較小的分子和原子振動。

粒子碰撞在材料中的熱傳導不同材料的熱傳導機制是不同的，主要取決于導熱載體在材料中所起的作用。在金屬內(nèi)部存在大量自由移動的電子，這些電子通過相互作用或碰撞進行熱量的傳遞。金屬也是晶體，熱傳導過程還通過晶格的振動來完成，即還存在聲子傳導，但自由電子的傳熱效率遠高于聲子傳熱，因此，金屬的熱傳導載體以電子為主。在非導體晶體中，分子或原子有序分布在晶格上，熱傳導方式以聲子導熱為主，其熱導率主要取決于材料的結(jié)晶程度和取向度，從機理上認為取決于聲子的散射程度。造成聲子散射的主要原因有：分子鏈的高度纏結(jié)、分子結(jié)構中的空隙、界面和結(jié)構缺陷以及分子鏈間弱的相互作用。聲子的靜態(tài)散射是由各種缺陷引起的，動態(tài)散射由分子鏈的非簡諧振動造成，分子鏈的旋轉(zhuǎn)以及鏈間相互纏結(jié)會加劇非簡諧振動，同時鏈段內(nèi)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的多種形態(tài)的構象也會引起聲子散射。大多數(shù)聚合物為飽和體系，在其內(nèi)部不存在自由運動的電子以及電子之間激烈的相互碰撞，熱量主要通過聲子進行傳遞。分子鏈在受熱時產(chǎn)生振動，熱傳導主要依賴分子或原子在固定位置上的周圍的熱振動，將熱量依次傳遞到相鄰的分子或原子，聚合物的熱傳導如圖 3 所示。圖 3 聚合物的導熱機理聚合物具有分子鏈復雜且極易纏結(jié)、分子量多分散性以及分子量大等特點，結(jié)晶度不是很高