新型導(dǎo)熱膠粘劑“賦能”特斯拉汽車

據(jù)中國粉體網(wǎng)了解，特斯拉的Model 3早期使用的動(dòng)力電池粘接劑其熱傳導(dǎo)性能并不理想，在車輛高速行駛、反復(fù)加減速度或是高溫條件下的快速充電過程中，電池核心產(chǎn)生的熱量難以迅速且有效地傳遞散出。

（圖源：特斯拉）

比如在炎熱的夏季進(jìn)行快速充電時(shí)，電池組的內(nèi)部溫度會(huì)迅速升高，有時(shí)甚至接近50℃，這遠(yuǎn)超過了電池芯的最佳工作溫度范圍（20~40℃），進(jìn)而影響電池的充放電效率，使車輛的行駛里程大幅縮短。同時(shí)，若電池長期暴露在這樣的高溫條件下，也會(huì)大幅提升電池起火或爆炸的安全隱患。

之后，特斯拉應(yīng)對(duì)先前的問題推出采用先進(jìn)材質(zhì)的改良型導(dǎo)熱膠粘劑。融合了氮化硼、氮化鋁等新型高導(dǎo)熱填充物的新型材料以其卓越的熱傳導(dǎo)性能、適宜的粒度、形態(tài)以及分布的均勻性，在膠粘劑中形成了一個(gè)高效的熱傳導(dǎo)體系。

根據(jù)溫度監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)表明，在高溫快速充電的條件下，使用了這種新型導(dǎo)熱膠粘劑的電池組內(nèi)部溫度可以穩(wěn)定在約35℃，有效防止了熱量的集中，確保電池內(nèi)部熱量的迅速且均勻的散發(fā)，可以使電池在最佳的工作溫度區(qū)間內(nèi)運(yùn)行。

在全面提升性能方面，最新研發(fā)的導(dǎo)熱膠粘劑，不僅顯著提升了電池的熱量散發(fā)能力，同時(shí)也進(jìn)一步加強(qiáng)了電池模組的結(jié)構(gòu)牢固性，應(yīng)用了這種新型粘接劑的電池使用壽命得到了顯著的增加。在模擬整車使用壽命的充放電測試中，電池容量衰減率顯著降低，車輛在多種駕駛條件下的續(xù)航能力更加穩(wěn)定，有效避免了由于電池過熱等因素引起的動(dòng)力性能降低，極大地優(yōu)化了用戶的使用感受，同時(shí)也為該品牌的新能源汽車在激烈的市場競爭中增添了更多的優(yōu)勢(shì)。

高性能導(dǎo)熱膠粘劑熱界面材料

導(dǎo)熱膠粘劑是一種熱界面材料，指應(yīng)用于兩界面處用于粘接與散熱的復(fù)合材料，主要由樹脂基體與導(dǎo)熱功能填料構(gòu)成。導(dǎo)熱膠粘劑在大多數(shù)基材上有可靠的粘接能力，防止粉塵、水氣、振動(dòng)沖擊或化學(xué)物質(zhì)腐蝕對(duì)元器件和設(shè)備的損害，同時(shí)也能從容處理棘手的散熱瓶頸問題，也有著輕質(zhì)、環(huán)保、長期可靠性與低成本的優(yōu)勢(shì)，因而被廣泛用于電子封裝、傳感器、功率部件、新能源、交通運(yùn)輸、消費(fèi)者設(shè)備、電訊設(shè)備、航空航天、醫(yī)藥以及國防等行業(yè)，發(fā)揮著越來越重要的作用。

（圖源：漢高）

導(dǎo)熱膠粘劑作為熱界面材料的初衷是降低相鄰兩個(gè)界面之間的溫度差，使熱量迅速傳輸并散至外界，保持器件或設(shè)備的正常運(yùn)行。基于這個(gè)出發(fā)點(diǎn)，導(dǎo)熱膠粘劑內(nèi)部需建立盡量多的最短有效熱傳導(dǎo)路徑，并使導(dǎo)熱功能粒子與膠粘劑樹脂基體的界面間熱阻以及導(dǎo)熱膠粘劑與界面的接觸熱阻盡量最小化。商業(yè)化導(dǎo)熱膠粘劑的導(dǎo)熱系數(shù)處于中等位置，導(dǎo)熱膠粘劑也隨著技術(shù)發(fā)展被賦予了更高的性能要求，取得了更大的發(fā)展。

改良型導(dǎo)熱膠粘劑的增強(qiáng)導(dǎo)熱

填料的選擇

目前，導(dǎo)熱功能填料對(duì)導(dǎo)熱膠粘劑的重要性不言而喻，業(yè)界的研究焦點(diǎn)往往集中在導(dǎo)熱功能粒子的開發(fā)、改性與混雜級(jí)配這些方面。導(dǎo)熱功能填料可分為碳系填料、金屬系和陶瓷系。科學(xué)合理地選取導(dǎo)熱功能填料進(jìn)行填充，可使導(dǎo)熱膠粘劑的導(dǎo)熱性能邁上一個(gè)新臺(tái)階。

碳系填料主要包括了碳納米管、石墨、石墨烯和碳纖維，它們具有極高本征熱導(dǎo)率以及高比表面積與輕質(zhì)的特性。其中，碳納米管(CNTs)由于其出色的機(jī)械和物理特性引起了研究者的興趣，其具有很高的導(dǎo)熱性，單層納米管(SWCNTs)的熱導(dǎo)率高達(dá)6000W/(m·K)、多層納米管(MWCNTs)為3000W/(m·K)。將CNTs集成到膠粘劑聚合物基體中，可以顯著提高整體導(dǎo)熱性。

（圖源：Carbice）

陶瓷填料具有電絕緣性，是導(dǎo)熱膠粘劑最常用的填料種類之一。各種陶瓷填料被添加到導(dǎo)熱膠粘劑配方中，如高導(dǎo)熱碳化硅、氮化鋁、氮化硼和氧化鋁粉體，為電子設(shè)備應(yīng)對(duì)熱量挑戰(zhàn)提供有效的助力。

其中，二維的氮化硼由于其在各方面的優(yōu)異性能而獲得了極大的關(guān)注。氮化硼具有蜂窩狀的原子結(jié)構(gòu)，類似石墨烯結(jié)構(gòu)，有著較高的本征熱導(dǎo)率(理論上為面內(nèi)2000 W/(m·K)，面外380W/(m·K)）。其熱傳導(dǎo)能力居同類材料之首，且具備出色的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。

此外，它還具備較低的介電參數(shù)和較高的電阻率，使之成為生產(chǎn)高絕緣導(dǎo)熱聚合物的首選填充物，完美滿足新能源電動(dòng)汽車動(dòng)力電池對(duì)導(dǎo)熱膠粘劑高效散熱和絕緣的雙重要求。同時(shí)，氮化硼在高溫條件下仍能維持其性能不變，這對(duì)于電動(dòng)汽車在高溫駕駛或是快速充電過程中電池溫度的升高至關(guān)重要，它能確保導(dǎo)熱膠粘劑在高溫環(huán)境下依然能夠有效地傳遞熱量，防止電池過熱而導(dǎo)致性能下降或安全隱患。

僅次于氮化硼的另一陶瓷填料氮化鋁導(dǎo)熱粉體的熱傳導(dǎo)率也很高，能夠很快地將熱量傳遞出去，這一點(diǎn)極為重要，可以保證動(dòng)力電池在運(yùn)行的時(shí)候能夠?qū)崃扛咝У厣l(fā)出去。此外，其絕緣特性在防止導(dǎo)電引起短路等危險(xiǎn)的電池復(fù)雜電路環(huán)境下使用時(shí)，確保了安全。

氮化鋁具有類似于多種半導(dǎo)體材料的熱膨脹系數(shù)，可以幫助在各種工況下降低熱應(yīng)力、增強(qiáng)材料間的熱兼容性，使之與電池溫度波動(dòng)相適應(yīng)。在化學(xué)穩(wěn)定性方面，氮化鋁粉體具有抗腐蝕性，增強(qiáng)導(dǎo)熱膠粘劑的持久性，幫助改善其使用壽命，在電池內(nèi)部復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和多種外界環(huán)境下，都能保持性能不變，從而保證動(dòng)力電池在長時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定工作。

正是由于添加了氮化硼、氮化鋁等高導(dǎo)熱填料的增強(qiáng)型導(dǎo)熱膠粘劑，特斯拉得以從容應(yīng)對(duì)動(dòng)力電池散熱瓶頸問題。

填料的粒徑、形貌、分布等因素的優(yōu)化

在填料粒度方面，利用獨(dú)特的加工工藝，將氮化鋁的粒度縮小到納米級(jí)別，從而幫助熱傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)密集、不間斷地在粘合劑基質(zhì)中形成，使熱量傳輸速度加快。但過分減小的粒度可能會(huì)加劇填料的團(tuán)聚現(xiàn)象，因此為了達(dá)到分散性和導(dǎo)熱效果的最佳平衡，需要確定一個(gè)合適的粒度范圍。

在形貌方面，各種形態(tài)的填充材料在構(gòu)成基體導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)方面表現(xiàn)出不同的效能。理論上，層狀結(jié)構(gòu)的氮化硼在堆積過程中能夠構(gòu)建出最高效的導(dǎo)熱路徑，然而，層狀填充材料在混合時(shí)，顆粒接觸面積的增加會(huì)導(dǎo)致混合物粘度的上升，同時(shí)也會(huì)顯著降低最終制得的導(dǎo)熱膠粘劑的彈性，這對(duì)實(shí)際使用是不利的。

相較之下，球狀氮化鋁和氮化硼等填料對(duì)混合物的稠化作用較輕微，隨著填充量的增加，基體的熱導(dǎo)率能得到顯著增強(qiáng)，而且在加工處理上更為方便。因此，目前有部分研究傾向于采用球狀填料或球形產(chǎn)品，以改善導(dǎo)熱膠粘劑的整體性能。

填料的分散均勻性是決定熱傳導(dǎo)效率的核心要素之一。只有填充物均勻地分布在基材中，防止產(chǎn)生熱阻集中的區(qū)域，才能構(gòu)成穩(wěn)定有效的導(dǎo)熱路徑。采用高效混合、超聲波分散等物理手段，輔以合適的分散劑或偶聯(lián)劑處理填料表面的創(chuàng)新混合技術(shù)，使膠粘劑中氮化鋁、氮化硼等材料的分散質(zhì)量得到大幅度優(yōu)化，達(dá)到均勻分散于基材中的目的，進(jìn)而使膠粘劑的熱傳導(dǎo)能力得到顯著增強(qiáng)。比如含有氮化硼填料的導(dǎo)熱粘合劑，經(jīng)過分散工藝的改進(jìn)，其導(dǎo)熱傳導(dǎo)系數(shù)可以提高30%左右。

展望

總的來說，導(dǎo)熱膠粘劑需在材料內(nèi)部建立盡量多的最短有效熱傳導(dǎo)路徑，并使界面間與界面外的接觸熱阻最小化，提升導(dǎo)熱效率。

目前，導(dǎo)熱膠粘劑的研究較多聚焦于構(gòu)建導(dǎo)熱功能粒子網(wǎng)絡(luò)，形成高效導(dǎo)熱通路。未來的導(dǎo)熱膠粘劑研究方向應(yīng)繼續(xù)保持前沿與創(chuàng)新，繼續(xù)投入新型導(dǎo)熱通路的構(gòu)建與降低熱阻的研究，降低導(dǎo)熱功能粒子的填充量，提升導(dǎo)熱膠粘劑的力學(xué)、流變學(xué)等性能。同時(shí)注意借鑒其他功能材料并協(xié)同發(fā)展，擴(kuò)充導(dǎo)熱膠粘劑的邊界與范疇。

更重要的是，需要繼續(xù)加強(qiáng)傳熱和粘接方面的深層次機(jī)理、模型、表征和計(jì)算的基礎(chǔ)研究，更好地指導(dǎo)導(dǎo)熱膠粘劑的進(jìn)一步發(fā)展。

參考來源：

[1]方國強(qiáng)等：基于新型材料的新能源電動(dòng)汽車動(dòng)力電池導(dǎo)熱膠粘劑創(chuàng)新研究，浙江匯盛投資集團(tuán)有限公司

[2]許永倫等：高性能導(dǎo)熱膠粘劑熱界面材料:機(jī)理、現(xiàn)狀與趨勢(shì)，深圳先進(jìn)電子材料國際創(chuàng)新研究院