热管理材料2020盘点：研究综述篇

1、二维材料热传导研究进展综述

以石墨烯和氮化硼为代表的二维材料为研究低维体系热传导及其相关界面热阻提供了一个绝佳的平台.近年的研究表明, 二维材料热导率有着丰富的物理图像, 如长度效应、维度效应、同位素效应及各向异性等。本文详细综述近十年来二维材料在热传导方面的研究进展. 首先简述二维材料热传导测量技术的原理及发展, 如热桥法、电子束自加热法、时域热反射法及拉曼法等; 其次, 介绍二维材料热传导及界面热阻的实验研究进展, 讨论其相关物理问题; 最后, 介绍二维材料在散热应用方面的研究进展, 并进行总结、指出存在的问题及进一步展望二维材料未来在散热领域的研究方向与前景。

2、热界面材料产业现状与研究进展

随着芯片的尺寸减小、集成度和功率密度不断增大，芯片工作时产生的热量越来越多，导致芯片的温度不断攀升，严重影响最终电子元件的使用性能、可靠性和寿命。热界面材料广泛应用于电子元件散热领域，其主要作用为填充于芯片与热沉之间和热沉与散热器之间，以驱逐其中的空气，使芯片产生的热量能更快速地通过热界面材料传递到外部，达到降低工作温度、延长使用寿命的重要作用。本文综述了热界面材料的产业现状和最新研究进展。产业现状部分介绍了热界面材料产量及市场份额、热界面材料主要应用领域需求量、热界面材料在通信等领域的应用和热界面材料市场分析。研究进展部分介绍了近年来研究者在提高热界面材料导热性能方面的研究工作，包括填充型聚合物复合材料的研究进展和本征导热聚合物。

3、高定向导热炭材料的研究进展

微电子及通讯技术领域的快速发展对热管理材料提出了更高要求，迫切需要设计和开发高定向导热炭材料。高定向炭材料因其较高的石墨微晶结晶度和石墨化度、有序规整堆叠的石墨烯层片，而具有典型的各向异性高导热特性。粉末状炭材料(如鳞片石墨、气相生长炭纤维、纳米碳管、石墨烯等)的热导率虽然很高，但作为导热填料制备的复合材料的整体导热效果不佳，因此其在大型高功率集成器件散热领域的应用会受到一定限制。控制炭材料内部石墨微晶大小、取向和取向连续性是实现炭材料高定向导热性的关键。通过选择合适的碳质前驱体、成型工艺和热处理条件，调控石墨烯层片连续取向得到的宏观尺寸炭材料(如柔性石墨、天然鳞片石墨模压块、高定向热解石墨、聚酰亚胺石墨膜/块体、中间相沥青基炭纤维连续长丝及其复合材料等)，可使石墨晶体沿(002)晶面方向保持高导热特性，实现高定向、连续、多维度可调控热传导，因此在导热、散热、热防护等领域具有广阔的应用市场。

4、高分子基热界面材料的研究进展

随着5G及电子器件设备的微型化、高度集成化、高性能化和多功能化的飞速发展，电子电器设备使用过程中产生的热量越来越多，电子设备使用过程中的散热问题变得越来越重要，对电子设备的性能影响越来越大。为实现电子设备的高效散热，TIM填充于电子器件设备与散热器之间，以尽可能地减少TIM与电子元器件以及散热器之间接触热阻，从而实现热量的高效传递。高性能高分子基热界面材料（TIM）正获得日益广泛的使用和关注。

5、高导热绝缘聚合物纳米复合材料的研究现状

绝缘材料的热管理能力在电气装备、电子器件的性能、寿命和稳定性方面发挥着至关重要的作用。近些年,高功率密度和高集成已成为电气设备和电子器件的发展方向,单位体积内所产生的热量越来越高,良好的散热能力就成为保证其长时间稳定运行的关键因素。因此高导热绝缘聚合物纳米复合材料的研究备受关注。为此,综述了导热填料的种类、特性及其在制备导热绝缘纳米复合材料中的应用,特别关注了通过控制聚合物复合材料的微观结构,如控制导热填料取向、双阈渗结构、纳米填料自组装形成连续导热网络等方法。最后,建议利用纺丝方法将导热纳米材料有效串联起来构筑高导热通路（简称热线）,从而实现定向高导热柔性绝缘材料,也展望了高导热绝缘聚合物纳米复合材料未来的发展方向。

6、导热高分子复合材料界面热障的研究进展综述

该综述介绍了导热高分子复合材料中界面热障的定义及其相关数学模型，归纳了目前针对界面热障的计算机模拟方法和实际测量方法。利用分子动力学模拟、有限元模拟以及机器学习等方法进行模拟计算，探索了界面热障的测量方法，总结了降低导热高分子复合材料界面热障的可行策略和方法，希望为导热高分子复合材料λ的快速高效提升提供一些指导性的建议。

7、固-固相变储热材料的研究进展

与固-液相变材料相比，固-固相变材料（SS-PCMs）受到的关注较少；鉴于 SS-PCMs 具有储能密度高、无毒且腐蚀性小、相变时无液体产生且体积变化较小、不易发生相分离以及过冷度小等优点，因而是一类具有发展潜力的相变材料。本文基于 SS-PCMs 的研究现状，对近年来几类重要 SS-PCMs 如多元醇 SS-PCMs、高分子类 SS-PCMs 及无机盐类 SS-PCMs 的研究进展进行了综述。简要阐述了 SS-PCMs 的分类以及各类 SS-PCMs的性能、相变储热机制和优缺点。同时介绍了选择固-固相变材料应用时的基本原则，并针对相变材料导热系数低，过冷度大，稳定性差等问题的改性研究进行了综述。还简要综述了 SS-PCMs 的应用研究。文中最后指出，未来的研究应着眼于解决已合成 SS-PCMs 的缺陷，开发多功能的 SS-PCMs，并在 SS-PCMs 的实际应用方面实现突破。

8、聚合物基三维连续网络的导热复合材料

开发高导热聚合物复合材料已经成为热管理领域的一个研究热点。高功率、高集成度电子器件等领域的快速发展，对高效热管理系统要求越来越高。而高性能热界面材料作为热管理系统的关键材料，要求具有轻质、高导热、高稳定性和弹性等性能。传统导热材料如金属、无机导热材料有质量大、柔性差等缺点，导热聚合物的应用发展正不断向高导热材料领域渗透。将聚合物与高导热填料复合是制备导热聚合物复合材料的一个简单、高效的策略。对于具有重要的意义，以三维连续网络作为填料与聚合物复合，可以提高复合均匀性以及减少声子界面散射，有效提高复合材料导热效率。

9、微型热管的研究分析与发展综述

回顾近些年来国内外学者对微型热管的不同形状尺寸、构造原理、工作环境以及应用等方面的研究，比较分析了微热管在各种不同设计工况下的相关性能。在常见的工作极限研究中发现通过增大毛细力可强化传热性能，进一步了说明毛细极限对微型热管的传热性能影响巨大。通过回顾前人的理论建模和实验研究，着重强调一些目前正在研究的微热管的设计。微热管如今被广泛用于与电子冷却领域，微电子系统中的电子元件被其紧凑微小的结构所限制，需要从有限的空间向外界环境散去额外的热量就必须进行结构优化。最后，简单讨论了微型热管当前面临的挑战，并预测了其发展前景。

10、导热高分子复合材料的研究进展

随着电子信息技术的快速发展，电子设备的散热问题面临严峻的挑战，亟须研发高性能导热复合材料。高分子复合材料因其轻质、高强度和良好的柔韧性，在导热材料领域得到了广泛应用。简要介绍了导热高分子复合材料的导热机理、导热填料以及影响导热率的因素。综述了通过表面功能化、杂化粒子、填料取向和构建 3D 互联骨架结构等方法提高复合材料导热性能的研究现状。总结了导热材料当前面临的问题，并对未来导热高分子复合材料的发展方向进行了展望。

11、热界面材料的最新进展

近年来，小型化、集成化已成为电子设备的发展趋势。随着电子设备功率的不断增加，产生的热量急剧增加。热界面材料（Thermal Interface Material, TIM）能够有效改善两个固体界面之间的传热，对电子设备的性能、使用寿命和稳定性起着重要的作用。在这种情况下，对热管理提出了更高的要求，TIM的创新和优化也备受关注。本文综述了TIM的最新研究进展，讨论了应用广泛的高分子材料的流变性建模与设计，讨论了导热填料对复合材料性能的影响。许多研究表明，一些高热导率和低损耗陶瓷填充聚合物很适合用于电子器件封装。制备用于电子封装的高导热高分子复合材料一直是人们关注的问题。最后对存在的问题进行了讨论，并对未来的研究方向进行了展望。

12、六方氮化硼/聚合物导热复合材料研究进展

随着电子技术快速的发展，聚合物材料自身较低的热导率已不能满足现代电子器件的散热需求，因此提高聚合物热导率，实现高效率的传热具有重要意义。六方氮化硼(h-BN)具有良好的高电击穿强度，导热性能、介电性能、低吸湿率、高温耐氧化等诸多特性，是制备低介电常数、低介电损耗和高导热聚合物的理想填料。本文分别从目前制备BNNSs的主要方法及提高BN复合材料热导率的不同思路两个方面，综述了以六方氮化硼(h-BN)为填料的导热聚合物复合材料的研究现状。

13、石墨烯在IGBT热管理中的应用技术进展

IGBT技术的快速发展体现在芯片功率密度的提高、芯片的运行速度越来越高以芯片封装密度也越来越紧凑。通常，需要更复杂和体积更大的冷却解决方案。近三十年来，IGBT技术的进步和工业应用的发展趋势主要是由运行温度、效率、尺寸、可靠性和成本这五个方面相互影响驱动的。一方面IGBT的功率密度从最初的35kW/cm²提高到250 kW/cm²，这得益于创新的组装和互联技术。但是相应的，由于高电压和高电流，总散热也在不断增加。另一方面，电力电子器件的长期稳定使用是满足日常要求的重要因素之一，目前常见的失效原因有衬板连接处的热疲劳、机械震动、潮湿导致化学腐蚀等等，其中热疲劳最为常见。

14、石墨烯热管理应用技术进展

自2010年开始，各国争相在石墨烯领域进行研究，尤其在关于热性能、热管理方面，通过在Web of Sciences上检索石墨烯导热、石墨烯散热、石墨烯电热、石墨烯热管理等文献信息汇总所得，到2020年为止文章发表数量逐年增加，对石墨烯热性能的研究也越来越深入。

15、石墨烯基热管理材料

原文链接：https://doi.org/10.1088/2053-1583/ab48d9

瑞典查尔莫斯理工大学Yifeng Fu、Josef Hansson，西南交大倪宇翔教授，上海大学张燕副研究员，瑞典乌普萨拉大学Zhi-Bin Zhang，加泰罗尼亚纳米科学与纳米技术研究所Marianna Sledzinska，加利福尼亚大学Alexander A Balandin，同济大学徐象繁研究员，瑞典查尔莫斯理工大学和上海大学刘建影教授等联合在国际期刊2D Materials以“Graphene related materials for thermal management”为题发表综述文章，详细对比分析了各种二维材料的制备表征技术、性能特点及优缺点、使用范围和局限性等，着重对二维材料在电子器件和功率模块热管理领域中的应用进行了介绍。文章还阐述了现有的热检测设备和热测试方法的适用对象，特别指出了适用于二维薄膜材料热性能测量的方法。文章最后提出了石墨烯等相关二维材料的适用方向、在热管理应用中的挑战与远景。

16、个人热管理

随着可穿戴电子设备和智能纺织品的出现，节能需求和多样化的个人体温调节需求使得个人热量管理（Personal Thermal Management，PTM）技术再次兴起。PTM，包括个人冷却、加热、绝缘和温度调节，比传统的人体空气/液体冷却服装更加灵活和广泛。为了提高人体热舒适，降低采暖和制冷的能耗，强调人体及其所在环境的能量管理——个人热管理是一个很有前途的解决方案。

17、金刚石散热衬底在GaN基功率器件中的应用进展

氮化镓（GaN）基功率器件性能的充分发挥受到沉积GaN的衬底低热导率的限制，具有高热导率的化学气相沉积（CVD）金刚石成为GaN功率器件热扩散衬底材料的优良选择。相关学者在高导热金刚石与GaN器件结合技术方面开展了多项技术研究，主要包括低温键合技术与GaN外延层背面直接生长金刚石的衬底转移技术、单晶金刚石外延GaN技术和高导热金刚石钝化层散热技术。本文对GaN功率器件散热瓶颈的原因进行详细评述，并对上述各项技术的优缺点进行系统分析和评述，揭示了各类散热技术的热设计工艺开发和面临的技术挑战；并认为低温键合技术具有制备温度低，金刚石衬底导热性能可控的优势，但是大尺寸金刚石衬底的高精度加工和较差的界面结合强度对低温键合技术提出挑战；GaN外延层背面直接生长金刚石则具有良好的界面结合强度，但是涉及到高温，晶圆应力大，界面热阻高等技术难点；单晶金刚石外延GaN技术和高导热金刚石钝化层散热技术则分别受到单晶金刚石尺寸小、成本高和工艺不兼容的限制。因此笔者认为开发低成本大尺寸金刚石衬底、提高晶圆应力控制技术和界面结合强度、降低界面热阻、提高金刚石衬底GaN器件性能方面将是未来金刚石与GaN器件结合技术发展的重点。

18、石墨烯/聚合物纳米复合材料导热研究

上海交通大学、香港城市大学、西南交通大学及悉尼大学的多位学者，系统介绍了石墨烯的热导率及其影响因素，石墨烯/聚合物复合材料的热导率及其影响因素和研究进展，指出了石墨烯/聚合物导热复合材料目前尚待解决的问题、新的挑战和未来的发展机遇。综述内容以“Thermal conductivity of graphene-based polymer nanocomposites”为题，发表在材料科学与工程著名期刊《Materials Science & Engineering R: Reports》 上。