在人工智能时代，散热对于高算力、高集成度的电子元器件而言是关键问题之一。只有选取适宜的导热材料，才能够将芯片工作时产生的热量及时散发出去，避免芯片因过热而出现性能下降或者损坏的情况。通常情况下，高分子材料属于热的不良导体，所以需要利用导热填料或者改变其分子结构、聚集态结构来改善导热性能，进而制造出性能优良的聚合物材料。这两种方法虽都可改变聚合物的导热性能，但改变分子结构、聚集态结构的处理方式较为复杂，难以实现商业化，所以一般采用在聚合物基体中填充高导热填料颗粒的方式来提升导热性能。下面将重点介绍几种常见导热填料的导热机理及相关应用。
导热填料是添加到基体材料中用于提高复合材料导热性能的填充材料，通常被添加到聚合物基体中，以改变纯聚合物的导热性能（纯聚合物导热系数一般低于 0.5Wm - 1K - 1）。常见的导热填料主要包括金属类填料、碳类填料以及陶瓷填料。
一、金属类填料
金属类填料遵循电子导热机理，具有导热系数高、热稳定性良好、电导率高、耐磨性好等优点。作为填料时，只要控制好添加的含量，就能在很大程度上提高聚合物的导热性和介电性。不过，金属填料的密度通常较高，会增加最终复合材料的重量，这对便携式电子设备有一定的限制。在使用导热材料的过程中，有时需要导热材料同时具备较高的导热系数和良好的绝缘性，而金属填料是电的良导体，在使用中会受到一定限制。此时，可以选择金属的氧化物、碳化物、氮化物替代金属粉体作为导热填料，以保证在具备高导热系数的同时，兼有高击穿电压和高绝缘性。常用于提高导热性的金属颗粒包括铜（Cu）、铝（Al）、银（Ag）、镍（Ni）。
导热机制：金属中含有大量自由电子，这些自由电子在电场作用下可自由移动，当存在温度梯度时，自由电子会从高温区域向低温区域迁移，金属主要通过电子的运动和碰撞来传递热量。
应用：Qian 等利用纳米银修饰硅藻土与聚乙二醇（PEG）共混制备了一种高导热复合相变材料。当银纳米颗粒含量为 7.2wt% 时，复合相变材料的导热系数可提高到 0.82Wm - 1K - 1（比 PEG / 硅藻土高约 127%），且该材料在 200 次冷热循环后仍显示出优异的热稳定性和化学稳定性。Lu 等通过一步法将导热填料 Fe3O4 纳米颗粒与石蜡共混制备复合相变材料，以增强石蜡的导热性。研究发现，导热填料的加入使石蜡在固态时的导热系数提高了 53%，在液态时提高了 79%。
二、陶瓷类填料
陶瓷类填料大多具有导热性良好、结构稳定性好、绝缘性好等优点，在电子封装领域具有独特优势。然而，要获得这种导热性显著增强的陶瓷 / 聚合物复合材料，其负载量通常高于 30vol%，有些复合材料甚至高达 70vol%，这会导致复合材料的密度增加，韧性及加工性能降低。因此，在使用陶瓷类填料时，需要优化填料的比例、大小和形状，在不牺牲复合材料其他性能的前提下实现所需性能的提升。常见的陶瓷填料包括氧化铝（Al2O3）、氮化硼（BN）、碳化硅（SiC）。
导热机制：陶瓷类填料的导热机制主要是声子导热，部分陶瓷会采用光子传导、电子传导。声子是由晶格振动引起的量子态，是固体热传导的主要载体，当陶瓷填料受到热激发时，晶格会振动产生声子，声子在材料内部传播过程中会与材料中的杂质、缺陷以及其他声波相互作用，从而实现热能的传递。
应用：Wie 等将 BN 接枝到聚乙烯醇（PVA）表面后与聚乙二醇交联制备导热复合相变材料。采用该方法得到的相变材料导热系数为 0.89Wm - 1K - 1，较原始聚乙二醇的导热系数提高约 286%。Qian 等将石蜡浸渍到有连续导热网络的氮化硼泡沫骨架中制备复合相变材料。其中含 18wt% h - BN 的复合相变材料的熔融潜热约为 165.4±1.7J/g，导热系数高达 0.85Wm - 1K - 1，约为纯石蜡导热系数的 6 倍。
三、碳基填料
常见的碳基填料由碳的一系列同素异形体构成，包括碳纳米管（CNT）、碳纤维（CF）、炭黑、金刚石、石墨烯（GR）等。碳基填料普遍具有密度较低、热导率极高、耐热性及抗氧化性好等特点，在高热导率填充材料中极具应用前景。
导热机制：碳基填料的导热能力源于其原子结构，它们受到碳 - 碳共价键间 sp2 杂化作用以及碳原子质量较小的特点影响，使得晶格振动能够高效地传递热量，因此声子成为导热的主要载体。
应用：Sun 等将膨胀石墨掺入到聚乙二醇 - 氯化钙中制备复合相变材料。研究发现，膨胀石墨之间相互连接形成连续的导热网络，能够有效降低材料的界面热阻，使得到的复合相变材料导热能力显著提高。Sari 等探究了碳纳米管（CNT）对聚乙二醇 / 原硅藻土（RD）复合相变材料导热性的影响。该研究制备的新型复合相变材料熔融温度约为 7 - 8℃，相变过程中的熔融潜热在 51.4 - 62.9J/g 之间，加入碳纳米管后复合相变材料的导热系数提高了 73% - 93%。
四、复合填料
研究发现，虽然单一填料可以形成导热网络，但单一填料往往难以在基体中完全分散，仍存在一些空隙。由于缺陷、界面等因素引起的声子散射以及填充量过高导致的加工困难，使得单一填料很难使复合材料达到理论热导率。而将不同形状、尺寸、类型的导热填料进行复配后，复合填料不仅可以有效减少聚合物基体中的空隙，构建完整的导热通路，还可以改善填料在聚合物基体中的分散性，为导热复合材料的设计提供了多种可能性。
应用：Song 等采用一维碳化硅纳米线（SiCNWs）和二维还原氧化石墨烯（rGO）作为填料，采用冰模板组装策略实现了 SiCNWs/rGO 网络在垂直方向的定向排列，实现了低负载量下导热复合材料垂直导热率的显著提升（2.74Wm - 1K - 1），可达到纯硅橡胶导热率的 16 倍。
