热管理TIM材料在储能技术发展的重要作用

 

关键词：新能源材料，储能市场，热管理，TIM材料

导读：储能被称为解决发电侧与用电侧供需不平衡的一种“灵活的电站”。在全球“碳中和”背景下，新型可再生能源受到青睐，风、光装机量不断提升，目前储能在发电侧、电网侧、用户侧均有应用，中美欧为主要市场，预计2025年全球储能装机量规模或达362GWh，全球储能市场规模有望达4336亿元。储能热管理是保证储能系统持续安全运行的关键。因电池热特性，热管理成为电化学储能产业链关键一环。从产业链价值量拆分来看，储能系统中电池成本占比约55%，PCS占比约20%，BMS和EMS合计占比约11%，热管理约占2%-4%。热管理价值量占比相对较低，但却起着至关重要的作用。

热管理是保证储能系统持续安全运行的关键

电站事故频发，锂电池热失控是引发储能系统安全事故的主要原因之一。在锂电池充放电的过程中，一部分化学能或电能转化成热能，如储能系统散热不佳，可能致热失控，造成电池短路、鼓包、出现明火，最终引发火灾、爆炸等安全事故。据相关机构不完全统计，2022年至今，全球就已经发生了17起以上的储能着火事故。

图：锂离子电池热失控过程
 

 

储能系统产热大，散热空间有限，自然通风下难以实现温度控制，易损害电池的寿命和安全。与动力电池系统相比，储能系统电池的功率更大，数量更多，产热更多，而电池排列紧密又导致散热空间有限，热量难以快速、均匀地散发，易引起电池组之间的热量聚集、运行温差过大等现象，最终损害电池的寿命和安全。锂电池放电倍率与产热正相关，储能系统大容量发展趋势下，热管理系统配备需求不断增强。储能系统主动参与调峰调频，高倍率高容量的发展趋势下产热显著增加，热管理系统的重要性不断增强。热管理是保证储能系统持续安全运行的关键。理想情况下的热管理设计可以将储能系统内部的温度控制在锂电池运行的最佳温度区间（10-35°C），并保证电池组内部的温度均一性，从而降低电池寿命衰减或热失控的风险。

图：大规模锂电池储能集成系统（BESS）

 

电化学储能产业链中热管理价值量约占储能系统2-3%

热管理处于电化学储能产业链的中游。上游包括锂电池材料和电子元器件；中游为储能系统集成，包括电芯、电力设备集成(PCS+EMS+BMS)、热管理、消防系统等；下游包括渠道商和用户端。下游客户集中度较高，热管理货值相对较低，易形成上下游绑定关系。热管理价值量占比相对较低，我们认为下游厂商更看重热管理方案的稳定性及安全性，价格敏感程度相对较低，且易于与方案提供商形成绑定关系，更换供应商的频率更低，赛道龙头更容易享受行业扩容红利。

图：电化学储能产业链拆分
 

 

技术路线：以风冷和液冷为主，热管、相变冷却在研

目前储能热管理的主流技术路线是风冷和液冷。储能热管理技术路线主要分为风冷、液冷、热管冷却、相变冷却，其中热管和相变冷却技术尚未成熟。风冷：通过气体对流降低电池温度。具有结构简单、易维护、成本低等优点，但散热效率、散热速度和均温性较差。适用于产热率较低的场合。液冷：通过液体对流降低电池温度。散热效率、散热速度和均温性好，但成本较高，且有冷液泄露风险。适用于电池包能量密度高，充放电速度快，环境温度变化大的场合。热管&相变：分别通过介质在热管中的蒸发吸热和材料的相态转换来实现电池的散热。电池散热技术，也叫热管理冷却技术，实质是通过冷却媒介把电池内部的热量传递到外界环境中，从而降低电池内部温度的热交换过程。目前大规模应用在动力电池、储能电池，尤其是集装箱式储能系统内。锂电池在实际应用过程中，如同化学反应催化器，对温度十分敏感。因此散热的目的是为电池提供一个舒适的工作温度。当锂电池温度过高时，电池内部会发生固态电解质界面膜（SEI膜）分解等一系列副反应，极大地影响电池寿命。而锂电池温度过低时，电池性能会更快老化并存在析锂风险，放电能力迅速降低，在寒冷地区的使用也受到限制。且模组中单电芯间的温差也是不容忽略的因素。温差超出一定范围时会导致内部充放电不均衡，导致容量偏差。温差也会导致靠近负载点的电芯产热速率增大，导致电池故障。目前较成熟的散热系统根据传热介质分别为风冷、液冷、相变材料冷却。图：储能热管理各技术路线对比

 

从热管理技术路线来看，风冷和液冷已实现商业化应用，目前风冷方案为主流，但液冷有望凭借高效、占地小、精准控温等优势贡献未来主要增量。根据测算，2025年全球储能新增装机量将达到362GWh，全球储能热管理市场规模2025年有望达141亿元。储能热管理赛道尚处发展初期，格局未定。

 

业内人士认为在未来大功率充放电场景或复杂工况下风冷技术方案恐难解决电芯散热问题，液冷技术是行业的发展趋势。一方面，液冷不需要预留散热通道将大幅节约大型储能项目的占地面积；另一方面风冷系统通过冷却空气间接冷却电芯整个储能系统将产生很大的自耗电而液冷产品则能降低这部分额外的运行成本。根据BNEF的预测全球储能市场将在未来十年实现高速增长基于功率容量规模到2030年将是2020年的20倍。基于能量容量规模在储能市场即将蓬勃发展的背景下，随着未来储能电站带电量持续增加，液冷方案凭借制冷效率高能耗低等优势占比将快速提升成为储能市场的主流。

 

TIM热管理材料分类の紹介

一

概述

热管理，包括热的传导、分散、存储与转换，正在成为一门新兴的横跨物理、电子和材料等的交叉学科，在电子、电池、汽车等行业都有特定的概念和含义，其中的热管理材料发挥了举足轻重的作用，与其它控制单元协同运作保证了工作系统正常运行在适当的温度。

伴随着5G、大数据、人工智能、物联网、工业4.0、国家重大战略需求等领域的技术发展，电子器件功率密度持续攀高，更急需高效的热管理材料和方案来保证产品的效率、可靠性、安全性、耐用性和持续稳定性。热管理材料是热管理系统的物质基础，而成分、结构及加工工艺对热管理材料的核心技术指标热传导率有重大影响。

图1 电子设备热管理系统

二

TIM热管理材料

2-1 热界面材料（Thermal Interface Material, TIM）

选择理想的热界面材料需要关注如下因素：

1）热导率：热界面材料的体热导率决定了它在界面间传递热量的能力，减少热界面材料本身的热阻；

2）热阻：理想情况下应尽可能低，以保持设备低于其工作温度；

3）导电性：通常是基于聚合物或聚合物填充的不导电材料；

4）相变温度：固体向液体转变，界面材料填充空隙，保证所有空气被排出的温度；

5）粘度：相变温度以上的相变材料粘度应足够高，以防止在垂直方向放置时界面材料流动滴漏；

6）工作温度范围：必须适应应用环境；

7）压力：夹紧产生的安装压力可以显著改善TIM的性能，使其与表面的一致性达到最小的接触电阻；

8）排气：当材料暴露在高温和/或低气压下时，这种现象是挥发性气体的释放压力；

9）表面光洁度：填充颗粒影响着界面的压实和润湿程度，需要更好地填补了不规则表面的大空隙；

10）易于应用：容易控制材料应用的量；

11）材料的机械性能：处于膏状或液态易于分配和打印；

12）长期的稳定性和可靠性：需要在设备的整个寿命周期内始终如一地执行（如微处理器7-10年，航空电子设备和电信设备的寿命预计为数十年）；13）成本：针对不同应用，在性能、成本和可制造性等因素进行综合权衡。

2-1-1 热油脂（Thermal Greases）

通常由两种主要成分组成，即聚合物基和陶瓷或金属填料。硅树脂因其良好的热稳定性、润湿性和低弹性模量而被广泛应用，陶瓷填料主要使用如氧化铝、氮化铝、氧化锌、二氧化硅和铍的氧化物等，常用的金属填料如银和铝。将基础材料和填料混合成可用于配合表面的糊状物，当应用在“粗糙”的表面被压在一起时，油脂会流进所有的空隙中以去除间隙空气。2-1-2 相变材料（Phase Change Materials, PCM）PCM传统上是低温热塑性胶黏剂，通常在50-80°C范围内熔化，并具有多种配置，以增强其导热性；基于低熔点合金和形状记忆合金的全金属相变材料已经有研究发展。相变材料通常设计为熔点低于电子元件的最高工作温度。热垫（Thermal Pads）热垫的关键是它们改变物理特性的能力。在室温下，它们是坚固的，容易处理，当电子元件达到其工作温度时，相变材料变软，随着夹紧压力，它最终开始像油脂一样流入接头的空隙中，该材料填补了空气间隙和空隙，改善了组件和散热器之间的热流。相比于油脂材料热垫不受泵出效应和干问题困扰。低熔点合金（Low Melting Alloys, LMAs）基于低熔点合金（或称为液态金属）的相变热界面材料，需要在低于电子元件工作温度的液态状态下才能流入所有的表面边缘。低熔点合金具有优异的导热、导电性，而且性质稳定、常温下不与水反应，不易挥发、安全无毒。通过不同的配方可实现不同熔点、不同粘度、不同热导率/电导率，以及不同物理形态的液态金属材料。铋、铟、镓和锡基合金（如镓铝合金、镓铋合金、镓锡合金、镓铟合金）是最常用的合金，通常不使用有毒性和环境问题的镉、铅和汞基合金。

 

形状记忆合金（Shape Memory Alloys, SMA）将一种或多种形状记忆合金颗粒分散在热油脂中，并在设备工作温度下应用于热源和散热器之间的界面，研究表明形状记忆合金增强了电子器件与散热器之间的热接触。在电子器件使用过程中，温度的升高使形状记忆合金由低温马氏体相变为高温奥氏体相变。片状剥离粘土（Exfoliated Clay）将一种或多种聚合物、导热填料和剥离粘土材料组成一种相变材料，在粘土剥离成热界面材料的过程中，粘土颗粒弥散成长径比大于200且表面积大的片状结构。由于高长径比，只需要少量颗粒小于10wt%的粘土颗粒就能显著提高TIM的热性能；也有人认为，这些粒子减缓了氧气和水通过界面材料的扩散和减慢了挥发性组件的释放速度，从而减少了泵出和干出，提高了TIM的可靠性和性能。熔丝/不熔的填料（Fusible/Non-Fusible Fillers）将硅树脂等聚合物与可熔性填料（如焊料粉末）结合而成的混合物TIM，在固化过程中，焊料颗粒回流融合在一起形成高导热网络结构。还可以在相变材料中添加难熔填料，以形成易熔和难熔填料的混合物，从而增强TIM的机械性能。当热通过渗透（即点对点的颗粒接触）传导时，不可熔颗粒也会增加基体的热导率。测试的非易熔颗粒填料材料包括氧化锌、铝、氮化硼、银、石墨、碳纤维、金刚石和金属涂层填料，如金属涂层碳纤维或金属涂层金刚石，在热界面材料中，推荐易熔填料比例为60-90wt%和非易熔填料比例为5-50wt%。2-1-3 热传导弹性体（Thermally Conductive Elastomers）热传导弹性体（或称为凝胶，Gels）通常由填充有热传导陶瓷颗粒的硅弹性体组成，可以用编织玻璃纤维或电介质膜等增强机械强度。弹性体通常用于需要电绝缘的设备中，弹性材料的TIMs不像油脂可自由流动，为了符合表面的不规则性，需要足够的压缩载荷来变形。在低压力下，弹性体不能填充表面之间的空隙，热界面电阻高；随着压力的增加，弹性体填充了更多的微观空隙，热阻减小。若组装完成，就需要永久性的机械紧固件来保持连接，所获得的热阻取决于厚度、夹紧压力和体积导热系数。

 

2-1-4 碳基热界面材料（Carbon Based TIMS）碳纤维/纳米纤维（Carbon Fibre/Nano-Fibre）通过精密切割连续的高导热碳纤维束和静电植绒纤维排列在基材上，并用一层薄薄的未固化粘合剂固定形成一个天鹅绒一样的结构。基材包括金属箔、聚合物和带有粘合剂的碳片，如硅树脂、环氧树脂和陶瓷粘合剂纤维，它们可以独立弯曲以跨越局部间隙，同时需要较低的接触压力以确保每根纤维都能接触两个表面。石墨片（Graphite Flakes）把蠕虫石墨在没有粘合剂的情况下压缩在一起，形成一个有粘性的高纯度石墨薄片，这些柔性材料最初是用于流体密封的垫片（如内燃机的封头垫片），由于石墨片材料具有天然的多孔性，将其浸渍矿物油或合成油等聚合物可用于开发特定等级的高性能柔性石墨片用于TIM应用。碳纳米管（Carbon Nanotubes）结合碳纳米管结构及导热特性，它在热管理技术中潜在的应用方向主要包括：(1) 将碳纳米管作为添加剂改善各种聚合物基体内的热传递网络结构，进而发展高性能导热树脂、电子填料或黏合剂；(2) 构建自支撑碳纳米管薄膜结构, 通过调制碳纳米管取向分布实现不同方向的传热；(3) 发展碳纳米管竖直阵列结构，通过管间填充、两端复合实现热量沿着碳纳米管高热导率的轴向方向传输，以期为两个界面间热的输运提供了有效的通道开发高性能[3]。最常见的基于碳纳米管TIMs主要分为三类，按照制造复杂性的顺序排列如下：碳纳米管和碳纳米管与金属颗粒在聚合物基体中的均匀混合，碳纳米管在衬底上的垂直排列生长，以及在芯片和热分布器之间的两面排列生长。在碳纳米管TIMs中，碳纳米管各向异性的结构物性特点及与其它材料接触界面热阻过大的问题是需要研究者们重点关注研究的方向。电子装置的总热阻通常包括装置本身对环境的热耗散和TIM之间的接触热阻。而功率损耗的增加是一种趋势，将需要具有更高性能、最低热阻和长期可靠性的热界面材料。

 

石墨烯（Graphene）石墨烯热界面材料主要以石墨烯或石墨烯与碳纳米管、金属等复合作为导热填料，材料基体主要以环氧树脂（导热胶黏剂）为主要研究方向，其它基体如硅油、矿物油、硅橡胶、聚丙烯酸酯、聚乙烯、聚氨酯等。石墨烯作为导热填料的原料主要包括石墨烯片、剥离膨胀石墨烯片层、单层和多层石墨烯、单壁碳纳米管和石墨烯、多壁碳纳米管和石墨烯、联苯胺功能化石墨烯、石墨烯和银颗粒及氧化石墨烯等添加形式。单层或少层石墨烯还可以用于高功率电子器件散热，如将化学气相沉积（CVD）法制备的石墨烯转移到高功率芯片上。其散热效果取决于石墨烯片的大小及层数，且在转移过程中易引入杂质或产生褶皱和裂纹，也会影响石墨烯散热效果。提高CVD法制备的石墨烯质量和优化转移方法减少其转移过程中的损坏，或直接将石墨烯生长在功率芯片表面，是提高石墨烯散热效果的主要方法。将石墨烯制备成宏观薄膜应用于热管理中也是一种重要的途径，主要方法有：将液相剥离石墨烯经过旋涂、滴涂、浸涂、喷涂和静电纺丝等方式成膜；将氧化石墨烯通过高温还原或者化学还原成膜；将石墨烯和碳纤维复合成膜；或者将石墨烯薄膜制备成三维形状成膜等。石墨烯需要和器件基板接触，因此减少石墨烯薄膜和基板间的接触热阻是石墨烯热管理应用必须考虑的问题，如采用共价键、功能化分子等方式。石墨烯薄膜性能和价格有优势才能取代目前主流的石墨膜（PI）散热片，这对石墨烯薄膜产业化是一个极大的挑战。

 

三

封装材料
 

电子封装材料是半导体芯片与集成电路连接外部电子系统的主要介质，对电子器件的使用影响重大。理想的电子封装材料应满足如下性能要求：（1）高的热导率，保证电子器件正常工作时产生的热量能及时散发出去；（2）热膨胀系数需要与半导体芯片相匹配，避免升温和冷却过程中由于两者不匹配而导致的热应力热应力损坏；（3）低密度，用在航天、军事等方面，便于携带；（4）综合的力学性能，封装材料对电子元器件需起到支撑作用。

图2 典型封装材料的热膨胀系数及热导率与密度比值3-1  焊料

铅锡焊料由于熔点低、性价比高等特点成为低温焊料中最主要的焊料系列，但由于所含铅的比例高给环境带来了严重的污染，世界各国都在对性能相近或更高的无铅焊料进行重点研究。

新的元素添加到基于Sn体系中有如下基本要求：1）降低纯锡表面张力，提高润湿性；2）使焊料和基体之间通过扩散快速形成金属间化合物；3）提高Sn的延性；4）防止b-Sn转变为a -Sn，导致不必要的体积变化，降低焊料的结构完整性和可靠性；5）在液相可以转变为两种或两种以上固相的情况下，用共晶或近共晶成分保持熔点在183℃左右；6）改善机械性能（如蠕变、热-机械疲劳、振动和机械冲击、剪切和热老化）；7）防止锡晶须过度生长。

已被人们研究的可替代Sn-Pb体系中铅的金属有Ag、Bi、Cd、Cu、In、Sb、Zn、Al等，主要被研究开发的合金体系有：Sn-Ag-Cu、Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Ag-Cu-Bi、Bi–In、Sn–In、Sn –Bi、Sn–Bi–In、Sn–Zn–Bi、Sn–Zn等系列，另外活性纳米粒子（如Co、Ni、Pt、Pd、Al、P、Cu、Zn、Ge、Ag、In、Sb、Au、TiO 2、SiC、Al2O3、SWCNT、SiO2、Cu–Zn、Cu6Sn5、Ag3Sn等）的添加可以改变焊料的微观结构、熔化温度、润湿性和机械性能。

无论在学术研究还是工业应用，由于高或低的熔点、高界面生长、低润湿性、低耐蚀性和成本等问题，很难用任何一种焊料合金来代替所有的Sn-Pb焊料。现实的解决方案可能是通过与其他合金元素相结合来进行适当的应用，或者通过研究焊料合金的物理冶金和加工条件，改善焊料的微观结构和可靠性，及寻找具有良好重复性的工业规模合成路线等。

3-2 聚合物基复合材料

导热聚合物材料的研究主要集中在填充型导热聚合物材料方向，

聚合物基体主要有：HDPE、UHMWPE、LCP、POM、LDPE、EVA、PPS、PBT、PTFE、PA66、PA6、PEEK、PSU、PMMA、PC、TPU、ABS、PVC、PVDF、SB、SAN、PET、PS、PVDC、PIB、PP、PI；

导热填料类型主要有：（1）金属类，如铜、银、金、镍和铝等；（2）碳类，如无定型碳、石墨、金刚石、碳纳米管和石墨烯等；（3）陶瓷类，如氮化硼（BN）、氮化铝（A1N）、氮化硅（Si3N4）、碳化硅（SiC）、氧化镁（MgO）、氧化铍（BeO）、氧化铝（Al2O3）、氧化锌（ZnO）、氧化硅（SiO2）等。填料的添加量、形状、尺寸、混合比例、表面处理及取向、团聚、网络结构等都对聚合物基复合材料的热导率有很大的影响。

聚合物基复合材料有如下特性：1）可通过选择适当的填料来控制电气绝缘和电气传导；2）易加工的整体零件或复杂的几何形状；3）重量轻；4）耐腐蚀；5）若使用柔性聚合物，则须符合相邻粗糙表面的几何形状；6）聚合物复合材料的回弹性会引起振动阻尼。聚合物基复合材料不仅应用于电子封装，还应用于LED器件、电池和太阳电池等。

3-2 金属基复合材料

金属基复合材料通过改变增强相种类、体积分数、排列方式或复合材料的热处理工艺，能够实现热导率高、热膨胀系数可调的功能，并综合金属基体优良的导热性、可加工性和增强体高导热、低热膨胀的优点，能够制备出热物理性能与电子器件材料相匹配的封装材料。

金属基复合材料导热性能的主要影响因素为增强体和金属基体的物性，如种类、含量、形状、尺寸及纯度等。目前工艺成熟且性能稳定得到广泛应用的是高体积分数SiC颗粒增强铝基复合材料（热导率达200W/（m·K）、热膨胀系数为7.8×10-6K-1，密度仅为3.0g/cm3），而为了开发热导率更高的金属基复合材料，目前主要的研究方向是金刚石、石墨烯等增强的铝基、铜基和银基复合材料，但此类金属基体与金刚石或石墨烯之间润湿性较差，界面效应成为制约其性能的瓶颈。

3-2-1 单项增强体金属基复合材料

纤维：包括碳纤维增强铜基和铝基复合材料（Cf/Cu、Cf/Al、），碳化硅纤维增强铜基复合材料（SiCf/Cu），以及金刚石纤维增强铝基复合材料，材料体中纤维以空间随机分布、平面随机分布和单向分布。

片体：如石墨片、石墨烯纳米片等二维平面结构材料。

颗粒：常见的有石墨颗粒、硅颗粒、碳化硅、金刚石等，其中Si/Al，SiC/Al广泛应用于电子封装工业。

网络互穿：增强相与基体相在空间都保持连续分布，从而可弱化复合界面对材料热学性能的显著影响，如C/Al、（SiC+C）/Al、CNTs/Cu等复合材料。

3-2-2 混杂增强体金属基复合材料

颗粒-颗粒：包括双粒度同质颗粒、双粒度异质颗粒和等粒径异质颗粒等，如双粒度SiC/Al、等粒径（Dia+SiC）/Al等复合材料。

颗粒-片体：理论上有望弥补片体各向异性和颗粒增强效率低，同时发挥片体在半导体器件平面方向上的低膨胀与颗粒高导热的作用，或者实现片体在平面方向上的高导热与颗粒抑制热膨胀的作用相匹配，如石墨片+碳化硅浸渗液相铝合金复合材料。

纳米材料：不仅有优异的力学性能、极低的热膨胀系数，而且具有很高的导热性能，如碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯纳米片、纳米金刚石等。利用粉末冶金方法、片状粉末冶金方法、选择性涂布浸渍、金属箔冷轧退火等工艺，可制备如纳米项增强材料如碳纳米管与金属粉末（铜粉末）、片状粉末冶金（CNTs/Al、CNTs/Cu及GNS/Al）等复合材料。纳米相表面金属化有望改善由纳米相丰富的比表面积和金属基体稳定的化学性质带来的界面结合困难问题，常用方法有（电）化学镀铜、镀镍等]。 

3-3相变材料

相变材料（Phase Change Materials, PCM）是利用物质在相变（如凝固/熔化、凝结/汽化、固化/升华等）过程发生的相变热来进行热量的储存和利用的潜热存储材料。

图3 储能材料的分类

PCM根据其化学成分可归类为有机和无机相变材料。有机相变材料主要由烷烃制成，包括石蜡、脂肪醇 、脂肪酸、蜡及烷烃基合金等；无机相变材料包括熔盐、盐水合物和金属等；另一类相变材料包括有机-无机、无机-无机和有机-有机化合物的共晶混合物。

无机共晶混合物适用于高温热存储系统，如集中太阳能热电厂；有机共晶体适用于低温储热，如维持建筑温度，用于电池组的热管理系统等；石蜡、脂肪酸和脂肪醇等有机化合物熔点低（10〜60℃），适用于家用热存储。直链烃石蜡具有熔融热高、低蒸气压、化学惰性、无相分离的自发成核等理想特性，是目前研究最多的有机PCM 之一，但石蜡的热导率仅为0.2W/(m·K )，增加了其熔化时间以及蓄热系统的充热时间，因此向石蜡中加入高热导率填料形成PCM复合材料是研究的一个热点。

 

PCM材料要注意的问题:

1、传统的PCM性质分析方法局限性：1）分析少量样本（1-10毫克），尽管PCMs的某些行为取决于其数量；2）分析仪器复杂而昂贵；3）无法直观观察到相变。

2、长期稳定性：1）PCM-容器系统的稳定性，储存材料和容器的长期稳定性不足是限制潜热储存广泛使用的一个问题。一个相关的方面是这些系统的使用寿命，以及它们在不降低性能的情况下能够承受的循环次数；2）材料腐蚀，大多数关于盐水合物腐蚀试验的文献都是用稀释的盐水合物进行的，通常在化学工业中使用，只有少数结果是基于对实验装置的观察；3）材料封装，如不同的几何形状，有机共晶的结晶过程，不同组分比例的包封，封装浓缩空隙，微胶囊化等。

 

四

隔热材料

隔热材料主要是指具有绝缘性能、对热流可起屏蔽作用的材料或材料复合体，通常具有质轻、疏松、多孔、导热系数小的特点，工业上广泛用于防止热工设备及管道的热量散失，或者在冷冻和低温条件下使用，因此又被称为保温或保冷材料，同时由于其多孔或纤维状结构具有良好的吸声功能，也广泛用于建筑行业。
 

4-1 材质分类

隔热材料依据材质可分为无机隔热材料、有机隔热材料、金属及其夹层隔热材料。

无机材料：（1）天然矿物，如石棉、硅藻土等；（2）人造材料，如陶瓷棉、玻璃棉、多孔类隔热砖和泡沫材料。此类材料具有不腐烂、不燃烧、耐高温等特点，多用于热工设备及管道保温。

有机材料：（1）天然有机类，如软木、织物纤维、兽毛等；（2）人造或合成有机类，如人造纤维、泡沫塑料、泡沫橡胶等；（3）蜂窝材料，如蜂窝纸、蜂窝板。此类材料具有导热系数极小、耐低温、易燃等特点，适用于普冷下的保冷材料。

金属及其夹层隔热材料：（1）金属材料，如铜、铝、镍等箔材；（2）金属箔与有机或无机材料的夹层（或蜂窝）复合材料。此类材料具有很高的红外辐射反射率，主要应用于航空航天中的高温热防护领域。

4-2  形态分类

隔热材料依据材料形态分为多孔隔热材料、纤维状隔热材料、粉末状隔热材料和层状隔热材料。

多孔材料又称泡沫隔热材料，具有质量轻、绝缘性能好、弹性好、尺寸稳定、耐稳定性差等特点，主要有泡沫塑料、泡沫玻璃、泡沫橡胶、硅酸钙、轻质耐火材料等。

纤维状隔热材料又可分为有机纤维、无机纤维、金属纤维和复合纤维等，工业上主要应用的是无机纤维，如石棉、岩棉、玻璃棉、硅酸铝陶瓷纤维、晶质氧化铝纤维等。

粉末状隔热材料主要有硅藻土、膨胀珍珠岩及其制品，主要应用在建筑和热工设备上。

4-3 新型隔热材料

4-3-1 气凝胶保温隔热材料

气凝胶通常是指以纳米量级超微颗粒相互聚集构成的纳米多孔网络结构，并在网络孔隙中充满气态分散介质的轻质纳米固态材料，孔隙率高达80%~99.8%，密度低至0.003g/cm3，常温热导率低于空气，是一种较为理想的轻质、高效隔热材料。

气凝胶隔热材料主要包括SiO2气凝胶、ZrO2气凝胶、Al2O3气凝胶、Si-C-O气凝胶及碳基气凝胶（如石墨烯气凝胶）等，在建筑、石化、航空航天等领域有广泛使用。如民用领域的气凝胶透明玻璃墙体、硅气凝胶夹芯板及柔性气凝胶隔热毡等，广泛应用于管道、飞机、汽车等保温体系中；航天航空领域的陶瓷纤维-气凝胶复合隔热瓦等。

4-3-2 碳质保温隔热材料

碳毡是一种低强碳纤维，主要可由聚丙烯腈纤维、沥青（石油沥青和煤沥青）碳纤维、酚醛纤维、纤维素（即粘胶人造丝）纤维等制成，其导热系数小、热容量低、密度小、线膨胀系数小、耐高温、耐热冲击强、耐化学腐蚀性强、高纯无污染等优异特性，主要应用于晶体硅铸锭炉、柴油车尾气过滤器用陶瓷烧结、金属热处理、稀土类磁性材料制造、半导体晶圆生产设备、真空电阻炉、感应炉、烧结炉、热处理炉等。

4-3-3 复合保温隔热材料

复合硅酸盐保温材料具有可塑性强、导热系数低、耐高温、浆料干燥收缩率小等特点，主要有硅酸镁、硅镁铝、稀土复合材料等。海泡石保温隔热材料是复合硅酸盐保温材料中的佼佼者，硅酸铝耐火纤维可以制作薄层陶瓷纤维隔热层，或者纤维垫、纤维毡、纤维板、纤维纸、纤维绳及织物等，可广泛用于航空航天领域等。

隔热保温材料是节约能源的一个有效手段，开发科技含量高、性能优良且稳定、使用寿命长、制造成本低、环境友好的隔热材料是未来发展的重点和热点，其中憎水性保温隔热材料（如硅酸盐材料）、泡沫类保温隔热材料（如应用于核工业的泡沫陶瓷、建筑隔热的泡沫玻璃等）、环境友好型保温隔热材料（如利用粉煤灰制备热工窑炉用隔热材料）等是主要的发展方向。

 

五

热电材料
 

图4 热电制冷器件

热电制冷器件是利用热电材料的Peltier效应，可以在通入电流的条件下将热从高温端转移到低温端，实现电到热的转化，提高电子模块封装的冷却效果，从而减少芯片结温或适应更高的功耗。理想的热电材料需要高的无量纲优值（zT），即低的热导率、高的功率因子；热电制冷器件具有小巧、无噪音、没有活动部件等优势、还可以进行主动温度控制，是固态激光器、焦平面特测器阵列等必备冷却装置，还可以利用Peltier效应的逆效应Seebeck效应将汽车尾气等热能转化为电能[3]。

热电制冷器件可调节的热流量大小有限，能效比（Coefficient of Performance，COP）要比传统的冷凝系统低，并依赖于应用环境（通常小于1），意味着热电制冷器件所消耗的电能相当/或大于元器件被冷却的功率耗散，这些缺点主要是由于热电材料本身的局限所致，所以热电制冷器件目前仅应用在相对较低的热流量场合。为了改善热电制冷器件的性能，开发高性能的热电材料是业界主要的研究方向之一。

图5 n型（a）及 P型（b）典型热电材料的无量纲优值 zT 

六

小结

从工程应用的角度而言，对于热管理材料的要求是多方面的。例如，希望热界面材料在具有高热导率的同时保持高的柔韧性和绝缘性；对于高导热封装材料，则希望高的热导率和与半导体器件相匹配的热膨胀率；对于相变储热材料，则希望高的储热能力和热传导能力。为了同时兼顾这些特性，将不同的材料复合化在一起从而达到设计要求的整体性能是热管理材料的发展趋势，性能主要影响因素有增强体的物性（热导率、热膨胀率、体积分数、形状及尺寸）、基体的物性（热导率和热膨胀率等）、增强体/基体的界及增强体在基体中的空间分布（弥散或连续分布）。
近来人们研究发现，材料的非均匀复合构型（如混杂、层状、环状、双峰、梯度、多孔、双连续/互穿网络、分级、谐波等）更有利于发挥复合设计的自由度和复合材料中不同组元间的协同耦合效应，复合界面（亚微米尺度界面层）的微观结构精细调控（化学成分、结合状态、微观结构及物相组成等）影响着界面处产生的界面应力、界面化学反应、界面组分偏析、界面结晶等界面效应，导致界面处热及力学性能的不同，从而显著影响到复合材料的热导率及热膨胀率，这些已经成为热管理材料复合化研究的主要方向。