随着对高效散热需求的不断增长，具有更高导热率和其他优异性能的高性能导热界面材料（TIM）变得至关重要。在这一趋势的推动下，许多高性能TIM材料不断涌现。
▌热界面材料 (TIM) 简介
热界面材料 (TIM) 是用于改善两个表面之间热传递的材料，通常用于热源（如计算机处理器）与散热器（如金属散热片或其他冷却系统）之间。TIM 广泛应用于各个领域，包括电动汽车电池、数据中心服务器主板、个人智能手机和笔记本电脑、5G 基站以及高级驾驶辅助系统 (ADAS) 电子设备。
TIM 的主要作用是填充两个表面之间的微小间隙和不规则区域，降低热阻，提高热传输效率。
TIM 形式多样，包括导热膏、导热垫片、液态金属、导热膜等。通常，TIM 由高导热填料和聚合物基体组成。TIM 的性能（如导热系数、成本、粘度等）主要受填料材料、粒径、填充率、颗粒几何形状等因素影响。常见的填料材料包括氧化铝 (Al₂O₃)、氢氧化铝 (ATH)、氮化铝 (AlN)、氮化硼 (BN)、氧化锌 (ZnO) 和氧化镁 (MgO)。但根据成本、地区法规、填料处理难度、磨损性等因素的不同，优选的填料材料会因行业和应用而异。
本文主要介绍先进的碳基TIM材料的优缺点，许多其他TIM材料在性能上也有卓越表现。
▌碳基TIM材料概述
碳材料作为原材料具有极高的导热率。原始碳填料的导热率通常超过 1000 W/m·K（主要为面内方向，而非垂直方向）。在高性能碳基TIM材料的范畴内，主要竞争者包括碳纤维、石墨、碳纳米管和石墨烯。此外，市场对金刚石基TIM材料的兴趣也在增加。
▌基于石墨的TIM材料：石墨片与石墨TIM
石墨是一种高导热材料，被广泛用作热扩散材料（用于X、Y轴方向的导热，以防止局部热点）。常见应用包括手机电池和显示屏，其中使用薄层石墨来改善散热性能。
此外，石墨也可用作TIM材料，方式包括：作为导热填料，或者对石墨片进行改性，使其具备一定的垂直方向导热能力（这使其在TIM与热扩散材料之间的界限变得模糊）。
石墨在面内方向（x-y轴）的导热性能极佳，但在垂直方向（z轴）的导热性能较差。这一特性有助于均匀分散热量，避免局部热点，因此在智能手机中得到广泛应用。然而，石墨并不擅长解决将热量从热源传递出去的关键问题。
石墨片案例
例如，NeoGraf 的 HITHERM 产品，其面内导热率约为 800 W/m·K（其他厂商声称可达 1000 W/m·K 以上），但其垂直方向导热率仅为 7 W/m·K。为了提高石墨片的垂直方向导热性能，可以采用垂直排列的石墨结构，但成本会显著增加。根据研究，垂直排列石墨的成本可比普通石墨片高出10倍。
石墨膏（Graphite Paste）
另一种常见的石墨基TIM材料是石墨膏，即以石墨作为导热填料的导热膏。石墨膏的导热率通常在 5-15 W/m·K 之间，零售价格约在 0.03-3 美元/ml 之间，具体取决于石墨的质量、纯度、采购量、供应商等因素。
▌基于氮化硼（BN）的TIM材料
氮化硼（BN）长期以来一直是提升导热性能的重要填料。其导热率可达600 W/m·K（多数产品约在 300 W/m·K），远高于许多其他材料，并且具有良好的电绝缘性。此外，BN 无毒，并且具备优异的化学和热稳定性，即使在1000°C 以上的高温环境下仍能保持性能。这种稳定性使其比其他填料更易储存和处理，同时降低了化学反应或安全风险。
BN的具体形态（如六方氮化硼 h-BN 和 立方氮化硼 c-BN）会影响其性能。例如，六方氮化硼（h-BN） 具有层状结构，这不仅有助于提升导热率，还能降低团聚现象。特别是当BN的合成过程中杂质含量较少时，其在复合材料中的分散性会得到显著提升。
然而，BN填料的高成本阻碍了其广泛应用。BN填料的价格通常在 50-65 美元/kg 之间，具体取决于采购量、供应商、纯度和形态等因素。这一成本远高于其他填料，使得BN通常作为辅助填料而非主要填料应用于许多导热产品。为了降低成本，BN通常被少量添加，以提升导热性能的同时控制整体材料成本。
▌结论
随着对高效散热的需求持续增长，具有高导热率和优异性能的高性能TIM材料正变得越来越重要。本文重点介绍了先进的碳基TIM材料（如石墨、碳纤维、碳纳米管和石墨烯）的优缺点。其中，石墨片因其高导热率在热管理解决方案中发挥了重要作用，但其垂直方向导热能力受限，影响了其在某些应用中的散热效率。
除了碳基TIM材料，氮化硼（BN）因其卓越的导热性能、电绝缘性及化学/热稳定性而备受关注。然而，由于BN填料的成本较高（50-65美元/kg），限制了其大规模应用，使其通常仅作为辅助填料用于特定导热产品。
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