电绝缘薄膜与薄片各向异性热性能综述

《Small Methods》：Anisotropy Thermal Properties of Electrically Insulating Thin Films and Sheets: A Review

　　

中文摘要翻译 随着现代技术中对散热控制需求的日益增长，全面理解电绝缘材料中的热输运至关重要。电绝缘薄膜与薄片通常表现出面内（in-plane）与跨面（cross-plane）方向上的各向异性热导率（anisotropy thermal conductivity），这种特性或源于材料本身，或通过结构工程实现。该各向异性能够实现定向散热，例如在现代电子设备中围绕敏感元件进行针对性热管理。本综述总结了近年来在提升电绝缘薄膜与薄片热导率方面的研究进展，特别关注那些展现热导率各向异性的材料。研究人员探讨了制备策略如何影响材料结构以调控热导率及其各向异性，总结了用于测量热导率的各类技术，并评估了相应的电学参数。研究人员讨论了多种材料体系（包括聚合物、陶瓷及复合材料）的发展趋势，并进一步分析了厚度依赖行为、复合策略、取向方法以及填料负载规律。特别关注了氮化硼（boron nitride, BN）基复合材料，其中填料的取向、形貌及负载比例对各向异性热性能具有关键影响。通过剖析这些相互关系，本综述为设计具有可调各向异性热性能的下一代绝缘材料提供了框架，以应用于先进热管理领域。

论文主体内容总结

2 各向异性材料与制备方法

本节聚焦于呈现各向异性热导率的电绝缘材料，将其分为两类：本征材料与工程材料。本征材料因其固有的晶体结构和原子键合而具备天然的各向异性热导率；工程材料则通过特定的制备方法或有意设计引入或改善热导率各向异性。

2.1 本征材料

少数电绝缘材料在其块体形态下即展现出本征的各向异性热导率。这类材料主要为陶瓷，包括氮化硼（BN）、氮化硅（Si₃N₄）、氮化铝（AlN）和蓝宝石（Al₂O₃）。六方氮化硼（h-BN）因其类似于石墨的层状结构而表现出显著的各向异性，其面内热导率可达300-600 W/(m·K)，而跨面热导率仅为2-5 W/(m·K)，各向异性比（AR）高达85-170。β-Si₃N₄因其细长的棒状晶粒而增强了各向异性，面内热导率为70-180 W/(m·K)，跨面热导率约25-90 W/(m·K)。纤锌矿结构的AlN展现出较弱的本征各向异性，面内与跨面热导率差异仅为4%-6%，但其整体热导率极高，在厚度大于10 μm的薄膜中可达约300 W/(m·K)。蓝宝石（单晶Al₂O₃）也显示出相对较弱的各向异性（10%-20%）。

2.2 工程材料

工程材料是指通过材料设计（包括创建复合材料及利用本征各向异性材料）而产生各向异性的材料。

2.2.1 聚合物薄膜与纤维

块体聚合物通常表现为各向同性热导率，但在制备过程中通过链取向或加工成纤维可以诱导各向异性，这在间位芳纶、聚酯、纤维素和聚酰亚胺等材料中已有证实。例如，Nomex 410和鱼纸（fish paper）通过湿法造纸工艺制成，其中短纤维在浆料中分散后形成纸页，再经压制干燥，此过程使纤维在纸面内取向，从而增强面内热导率。Kapton薄膜则通过浇铸聚酰胺酸前驱体并进行热亚胺化制成连续聚酰亚胺薄膜，固化过程中的分子取向亦可引入各向异性。多层叠层材料如Nomex基层压板，不同薄片之间通过树脂粘合并经压延处理，这些界面进一步加剧了厚度方向的各向异性。

2.2.2 复合材料

将填料颗粒整合到块体聚合物或陶瓷中是调控材料热导率最常用的方法之一。常见的电绝缘导热填料为BN和AlN。BN填料有多种形态，包括纳米管（BNNTs）、纳米片（BNNSs）或片晶以及h-BN颗粒；AlN填料则更常见为晶须、粉末和片状。填料取向对定向热导率至关重要：随机取向导致近各向同性；跨面取向增强跨面热导率；面内取向提高面内热导率；单向面内取向则产生显著的面内各向异性。实现取向的主要物理方法包括热压和纤维拉伸。热压通过剪切力使填料垂直于压制方向取向，常与熔融共混、溶液共混、球磨等多种分散方法结合使用。静电纺丝是一种常用的纳米复合纤维制备技术，喷嘴挤出时的剪切力和纤维卷绕时的拉伸作用可使填料沿纤维方向取向。其他取向方法还包括双向冷冻、冰模板法、真空辅助过滤、数字光投影3D打印、高剪切辊轧、注塑成型、刮涂、溶液浇铸和旋涂等。

3 热导率测量技术

为了解这些材料的热性能，已开发出多种技术。热导率测量涉及加热样品以产生温度梯度，同时测量样品在一个或多个位置的温度响应。本节介绍了七种常用方法：稳态参考棒法；瞬态脉冲热源法，包括时域热反射法（TDTR）、激光闪射法和瞬态平面热源法（TPS）；瞬态周期热源法，包括一维?ngstrom法、二维激光?ngstrom法和3ω法。其中，二维激光?ngstrom法是一种近期发展的技术，能够同时测量具有面内各向异性的薄膜和薄片的两个主方向面内热导率。

4 介电材料的热导率：趋势与讨论

本节审视了不同类别电绝缘材料的各向异性热导率趋势。对于薄片和薄膜，跨面方向对应热量穿过样品厚度方向的传输，面内方向则指热量沿材料平面的流动。各向异性比（AR）定义为面内热导率与跨面热导率之比。数据表明，本征各向异性材料如h-BN具有极高的AR值，而工程化聚合物复合材料的AR值则受填料种类、含量、取向方式等因素影响，范围广泛。