来源 | Materials Science & Engineering R

链接 | https://doi.org/10.1016/j.mser.2025.100968

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背景介绍

热界面材料（TIMs）在先进的热管理系统中至关重要，能够促进高效散热并降低热源与散热器之间的界面热阻（ITR）。随着电子设备日益向小型化和高功率方向发展，可靠的热管理已成为确保系统稳定性、可靠性和延长使用寿命的关键。传统上导热硅脂、导热垫、粘合剂和填缝剂等TIMs因其易于应用和广泛适用性而占据市场主导地位。然而，这些材料也存在一定局限性。例如，导热硅脂虽然具有较高的热导率（TC）和良好的贴合性，但容易出现泵出效应和干燥问题，导致其性能随时间下降。同样，导热垫在机械性能上较为稳固，但通常缺乏满足高性能应用所需的热导率和适应性。

面对下一代电子产品日益增长的需求，新型TIMs需要同时具备优异的导热性能、机械可靠性和长期稳定性。在此背景下，高分子基TIMs因其轻质、化学稳定性高以及成本优势而受到广泛关注。然而，高分子材料本身的低热导率严重限制了其在现代电子设备中满足严苛散热要求的能力。尽管硅胶和橡胶等聚合物材料具有良好的柔性和可压缩性，能够填充微小间隙，但仅凭这些特性并不足以实现高性能热管理。

为克服这些局限性，在高分子基体中引入高导热填料成为一种有前景的解决方案。金属和陶瓷填料（如氮化铝AlN、碳化硅SiC、铜Cu和镍Ni）具有较高的热导率（70–400 W·m⁻¹·K⁻¹），但其较高的压缩模量（70–120 GPa）限制了其在典型封装压力（<2 MPa）下对界面的适应性。类似地，基于碳的填料（如石墨烯和碳纳米管）虽然具有优异的热导率，但面临电导率过高、高生产成本、化学稳定性不足以及难以规模化生产等挑战。

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成果掠影

近日，北京大学白树林团队、深圳大学陈大柱团队联合全面介绍了热导机理，重点讨论了最先进的热导率测量技术及影响TIM性能的关键因素。文章深入探讨了创新的制备策略，特别是氮化硼纳米片（BNNS）的合成方法，以及三维（3D）互连、垂直取向BN结构的设计。这些先进方法能够构建连续的热传输通道，显著增强材料的面内及垂直方向导热性能。通过突破关键性能瓶颈，这些技术使基于BN的TIMs成为热管理解决方案的前沿技术。此外，本综述还探讨了该材料在高性能领域的潜在应用，包括电子封装、电池热管理以及可穿戴电子设备等对高效散热要求极高的场景。最后，本文不仅识别了当前研究的关键空白，还提供了推动可扩展、高性能BN基TIMs发展的战略性见解，最终助力其成为新一代热管理技术的核心组成部分。研究成果以“Emerging trends and challenges in thermal interface materials: A comprehensive perspective from fundamentals to applications”为题发表于《Materials Science & Engineering R》期刊。

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图文导读

图1. 热界面材料（TIMs）的新兴趋势、基本挑战及跨学科应用的概览。

图2. 热界面材料（TIMs）研究的文献计量分析：(a) 各类别文献类型的分布情况。(b) TIMs 主要研究领域的可视化分析。(c) 2015–2024 年 TIMs 研究的出版趋势。

图3. 热传导过程的示意图：(a) 热流的方法；(b-c) 热量从热物体传递到冷物体的过程；(d) 热流过程化学键的振动模式；(e-h) 晶体和非晶材料中的热传递机制。图像经[44]授权转载。版权2016，Elsevier。(i) 不同材料中的热传导机制示意图；(j) 各种填料材料的热导率（TC）值；(k) 含有不同填料的聚合物复合材料的热导率（TC）值。

图4. 稳态热导率（TC）测量方法的示意图：(a-c) 绝对法（包括TCR计算）和热界面材料（TIM）设置（ASTM D5470）；(d-f) 比较切割条法、径向热流法和平行热导率技术。图像经[50]授权转载。版权2016，ASME。瞬态方法的示意图：(g) 激光闪光热扩散技术；(h) 热丝法；(i-j) 热盘测试协议及其各种传感器。

表1 TC测量方法的比较

图5.(a-b) 各种h-BN外围位点的羟基排列以及羟基化h-BN层的反应焓。图像经[67]授权转载。版权2022。(c) 功能化BNNS的反应路径。(d) 关基胍氨基h-BN的电荷密度差异图，显示出电荷密度增加（黄色）和减少（蓝色）区域。(e) 小尺寸（上）和大尺寸（下）h-BN复合材料的有限元分析结果。图像经[70]授权转载。版权2022，Elsevier。(f) 氮化硼纳米管（BNNT）、双酚A的二缩水甘油醚（DGEBA）和邻苯二甲酸酐（PA）的复合结构。

图6. 氮化硼中热传导机制的示意图：(a-d) 氮化硼的各种形式，包括六方、立方、闪锌矿、纳米管结构，以及六方氮化硼中键类型、长度和原子结构的基本方面。(e) 各种热导性填料的光谱。

图7. 聚合物中热传导机制的示意图：(a) 聚合物基体中的晶体区域；(b) 聚合物结构中的非晶区；(c) 聚合物的内部结构示意图。图像经[98]授权转载。(d) 各种聚合物链配置的插图；(e) 热拉伸装置，特征为带加热器和传感器的铝块、电动阶段，以及使用示波器进行瞬态电热（TET）表征。(f) 制备PVA纳米结构膜的三步工艺示意图复合材料中的热导率机制：(g) 高填料含量下的热传导路径；(h) 热渗透理论；(i) 热弹性系数理论。

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陈大柱教授是中国深圳大学材料科学与工程学院的全职教授。他于1996年获得山东大学化学专业学士学位，并分别于2004年获得中国科学技术大学高分子科学与工程专业博士学位。之后，他在2005至2008年期间担任香港理工大学的研究助理和博士后。2008年，他加入深圳大学，并于2016至2017年期间访问了特拉华大学。陈教授的研究领域主要集中在能源存储与节能、电子设备的热管理与冷却、以及高分子复合材料等先进材料的研究。他已发表80多篇论文，并获得广东省自然科学二等奖。

白树林教授是中国北京大学材料科学与工程学院的全职教授。他于1983年获得大连理工大学材料科学与工程专业学士学位，1986年获得该校实验力学硕士学位，随后于1993年在法国巴黎中央工艺美术学院（Ecole Centrale des Arts et Manufactures de Paris）获得力学与材料学博士学位。1994年，他加入北京大学工程学院，并于2020年转至材料科学与工程学院。白教授的研究专长主要集中在填充颗粒和纤维的高分子复合材料的加工与性能方面。目前，他的研究工作主要集中在热管理材料（主要是热界面材料TIMs）。他开发了多种由聚合物基体（如硅胶、PDMS、PA、PP等）和填料/薄膜（如石墨烯、CNTs、hBN、石墨薄膜等）组成的TIMs，这些TIMs的热导率从几W/m·K到几百W/m·K不等。