Sentherm的導熱聚合物配方在整個厚度導電范圍內達到1.5-5.0 W/m·K，在某些聚合物中使用混合導電填充網絡，結果高達18.88 W/m·K。

用聚合物取代鋁用于熱傳導應用聽起來就像用跑車換自行車。鋁的傳導熱量約為每米200瓦開爾文(W/m·K)，而傳統塑料的傳導熱量為0.3 W/m·K，這是一個600倍的性能缺口。

然而，電子設備在汽車甚至航空航天飛行器中的擴散需要鋁越來越無法提供的熱管理解決方案：具有集成功能的復雜幾何形狀、沒有二次涂層的電氣隔離、耐電偶腐蝕和高pH環境，當然，還需要低得多的質量。

熱傳導聚合物(TCP-Thermally conductive polymers)提供了一種解決方案，但以前的嘗試創造了高度填充導電粒子的材料，它們的行為更像易碎的陶瓷，而不是可加工的熱塑性塑料，完全違背了這一目的。

Sentherm（英國北愛爾蘭貝爾法斯特）以不同的方式處理這一矛盾。該公司不是簡單地最大限度地增加填充物含量來追求鋁的導熱性，而是傾向于這樣一個事實，即實際部件中的熱傳遞不會與材料電導率線性縮放。

Sentherm的首席技術官芬丹·斯特蘭（Findhan Strain）指出：“當通過深思熟慮的零件設計利用材料的各向異性特性并充分利用聚合物的固有優勢時，達到1.5-3.0 W/m·K（仍遠低于鋁）的配方可以匹配或超過整個系統的熱性能。”。這種系統方法，即配方、復合、加工和零件幾何形狀被認為是相互依賴的變量，而不是孤立的參數，形成了Sentherm技術的基礎。

多尺度熱橋接

Sentherm產品的核心在于導電粒子（如石墨烯和石墨）之間在聚合物基體內的相互作用，并利用綜合材料科學知識為特定應用定制這種相互作用。石墨片，通常大小為1-100微米，提供大塊熱通道。但這些微米級粒子之間不可避免地存在間隙，從而產生熱瓶頸。石墨烯的作用更微妙：它的納米級厚度，加上亞微米到幾微米范圍內的橫向尺寸，允許它滲透到石墨顆粒之間的空隙中，架起幾十納米到幾微米的橋梁。

圖電池間隔元件驗證機顯示了用高填充、導熱聚合物可以實現的制造精度。

把它想象成建造一個高速公路系統。石墨形成了主要路線，但由于它們之間沒有連接道路，交通在每個交叉路口都會停滯。石墨烯提供這些連接。當平面內熱導率達到2000-4000 W/m·K時，石墨烯片顯著增加了相鄰石墨片之間的有效接觸面積，同時降低了其界面處的熱邊界電阻。這種多尺度結構創建了連續的2D和3D導電網絡，該網絡實現了比單獨石墨高得多的有效熱導率。

“這些導電填料的展弦比和幾何形狀在復合過程中以不立即明顯的方式相互作用，” 斯特蘭解釋說。高導電填料，如石墨烯，允許其整合和橋接，但必須小心控制剪切力。在復合過程中，過大的剪切力會將大塊片狀物分解成更小的碎片。太少了，你就不能實現均勻分散。我們用特定應用的添加劑來平衡所有這一切。

該公司已公布并正在審查兩項專利，包括不同比例的石墨烯-石墨聚合物組合和石墨烯與氮化鋁(AlN)。后者提出了一個有趣的權衡：AlN提供了優異的固有熱導率(170-200W/m·K)，但引入了陶瓷脆度。Sentherm的方法通過使用混合填充物在較低的陶瓷總體積分數處構建導電網絡，其中板狀填充物可以偏轉裂紋。這使得它們能夠以較少的AlN擊中5-10 W/m·K的目標電導率，從而減少脆化。

結晶度悖論

像鋁這樣的金屬由于其結晶度或晶格結構而具有高度的導熱性，提供了有序的原子結構，該結構有助于通過自由電子和晶格振動(聲子-phonons)進行有效的能量傳輸。把鋁的內部結構想象成一個組織嚴密的城市，有兩個輸送系統同時工作。原子排列成整潔有序的行，就像街道網格上的露臺房屋。當一端變熱時，熱量以兩種方式穿過這座城市。

首先，你有自由電子像摩托車一樣在交通中穿梭。這些電子不會附著在任何特定的原子上；他們可以自由漫游。當一側加熱時，這些電子摩托車加速朝向冷側，攜帶能量。它既快又高效，因為有序的街道讓它們移動而不會不斷撞上障礙物。

第二，原子本身開始震動。想象每個原子都是一個人站在有序的網格中，當一個人被推擠時，他們撞上了鄰居，鄰居撞上了他們的鄰居，等等，就像波穿過人群一樣。這些振動（物理學家稱它們為聲子，但實際上它們只是協調振動）將能量傳遞給線。

有序的排列對于熱能傳輸至關重要。這是將一桶水從一排整整齊齊的消防員手中倒下與試圖通過摩西坑倒下之間的區別。在鋁的晶體結構中，電子摩托車和原子振動都可以有效地傳播，因為一切都排列得很好。這就是為什么金屬傳導熱量如此之好。

在開發TCP的早期，Sentherm觀察到了一些意想不到的事情。聚合物結晶度與實際導熱性能呈非單調關系。換句話說，他們?不是一致的線性，但實際上具有V形相關性。當結晶度從低水平增加時，熱導率最初按預期提高，但超過最佳點，它會穩定下來，然后下降。

Sentherm的聚合物主管比阿特麗斯·梅亞爾(Beatriz Mayoral)博士解釋說：“結晶相和非晶相之間的界面在順序、剛度、密度和振動特性上產生了突然的變化?！薄＿@些界面可以作為聲子散射點。在最佳結晶度以下，你獲得了傳熱的結構化路徑。在它之上，你增加了破壞聲子傳輸的界面邊界。

圖 顯示了聚合物結晶度和實際導熱性能之間的非單調關系。

這種關系受到各種因素的影響，包括冷卻速率、填料如何作為成核劑以及供應商之間的聚合物化學變化。生產名義上相同的尼龍6(PA6)的兩個制造商可以在相同的配方中產生顯著不同的熱性能?！拔覀冇龅搅四承┚酆衔锉憩F非常好的情況，而來自不同制造商的化學相似材料效果不佳，”斯特蘭指出。Sentherm的大部分配方工作涉及繪制這些相互作用。我們不僅要選擇聚合物等級，還要了解在什么條件下加工的特定制造商的材料會產生最佳的填充物分布和結晶度。

該團隊還發現，水分和加工揮發物會導致性能退化，而熱重分析并不總是揭示這一點?！凹词故褂弥泻秃透稍锏奶砑觿?，問題也會持續存在，” 斯特蘭承認。低體積密度填料可能含有難以完全去除的嵌入揮發物。聚合物降解有時發生得比預期的更早，可能是通過增強熔融傳導性，但更可能是由于殘余污染物?？刂七@些參數對于實現所需的性能至關重要。

工藝相關各向異性

制造方法還顯著影響填充物定向，從而影響熱性能。注射成型將熔化的聚合物暴露在高剪切速率和噴泉流中，這強烈地將平行于流動方向和模具表面的各向異性填充物對準。這增強了平面內的導電性，但通過厚度路徑中斷。相比之下，壓縮成型涉及最小的剪切，主要是通過厚度壓縮。填充物保持更隨機的垂直方向，使整個厚度上的粒子對粒子接觸更好。持續壓力也會減少空隙并提高填充密度。

結果是，相同的配方顯示出明顯不同的熱行為，因此制造路線對于了解應用至關重要。業內有些人知道，不同的工藝會產生不同的性能。因此，用處理方法定制配方和設計以實現最佳結果是至關重要的。Sentherm的許多配方表現出比穿透厚度值高三到五倍的平面內電導率，盡管穿透厚度性能仍然很強?！叭绻銥樗O計，這種各向異性并不是一個限制，”應變強調。我們使用計算機輔助設計和拓撲優化軟件來設計和制造沿高導電性軸的熱量路線，結合了聚合物熱交換部件中典型的帶狀和其他特征。

圖由擠壓導熱片制成的熱成型熱交換器翅片原型。

也許令人驚訝的是，涉及填充聚合物片的雙軸拉伸的熱成型實際上增強了導電性，而不是使其退化。在拉伸過程中，填充粒子沿著拉伸方向物理排列。梅亞爾解釋說：“在壓力下，粒子的電導率變得與方向相關?！彼牟┦垦芯刻技{米管為這一理解提供了信息。拉伸改善了分散性，減少了粒子間距離，加強了導電網絡。一種柔性PE配方在擠出和熱成型后實現了1.5-1.6 W/m·K通過厚度的導電性，同時保持了相當大的可拉伸性。

這種行為延伸到聚合物基質本身。聚合物鏈本身通過沿應變方向排列來響應拉伸，類似于拉動纏結的繩索如何拉直單個纖維。這種分子排列增加了聚合物自身在該方向上的熱導率，同時在填充粒子之間創建降低熱邊界電阻的定向通道。拉伸基體本質上成為更熱透明的介質，其允許填充網絡比在隨機定向為模制狀態的填充網絡中更有效地工作。

作為關鍵變量的復合

Sentherm還發現，在不同的配方設施中加工的相同配方產生不同的特性。例如，在英國與中歐混合的配方，盡管配方相同，但產生可測量的不同熱導率。這些差異源于螺旋設計、停留時間分布、進料區與計量區的溫度分布、剪切強度、干燥條件、揮發物提取效率以及填充物引入的順序和時間。

圖在制造過程中將導電聚合物制成片狀。

“這與了解供應鏈的加工特性和相應調整配方一樣重要，就像它與基本配方一樣，”斯特蘭指出。與中等剪切相比，高剪切復合會影響填充物的分散方式，而一些聚合物可以容忍，而另一些則不能。溫度控制影響聚合物流動和添加劑分布。它類似于傳統的熱固性復合材料，其中每一步都有助于成品性能。

這一現實塑造了Sentherm的商業模式。該公司提供的不是簡單地銷售小球，而是一種端到端的解決方案：評估熱需求，制定零件和配方設計，然后生產聚合物并制造部件?！拔覀冋J為需要一種系統的方法來取得成功，”斯特蘭解釋說?！斑@類似于客戶考慮使用碳或玻璃纖維復合材料而不是鋁。設計'黑色金屬'是次優的?！?/p>

薄片冷卻驗證

一個簡單的測試案例展示了這種集成方法。Sentherm使用薄片將5瓦的電能耗散到熱量中，并將其放置在各種散熱器（通常用于冷卻汽車電子設備的被動熱交換器）下方—測量最大薄片溫度以表示熱管理效率。重量為206.5克的鋁參考散熱器達到46.3°C的標稱薄片溫度。類似幾何形狀的標準聚合物散熱器將重量減少到95.6克，但熱失效，達到148.2°C。使用Sentherm的導熱聚合物而沒有設計優化的版本為99.4克，達到55.2°C。最后，Sentherm的導熱聚合物，與? 材料設計和考慮各向異性傳熱，達到159.9克，達到46.9°C—幾乎與鋁性能相匹配，重量減輕了29%。

這一進展揭示了真正顯著的改進? 不僅僅依賴于熱導率。例如，從0.3 W/m·K到1.0 W/m·K提供了巨大的好處，而從1.5 W/m·C進一步移動到3.0 W/m·K只提供了增量改進。超過一定的閾值，額外的電導率提供最小的性能增益?！案鶕道锶~定律，熱導率與傳熱成正比，”應變觀察到?！霸诂F實中，它有更多的東西，在某些點之上，有一個收益遞減的定律?！?/p>

圖5瓦薄片冷卻應用圖表的聚合物散熱器演示器。

Sentherm通過各向異性特性開發和通過組件設計增強表面積來彌補剩余的差距。在上述情況下，與鋁（2700 kg/m3）相比，聚合物的較低密度（1200-1600 kg/m3）允許增加材料體積，而不會過度減輕重量。復雜的鰭片幾何結構、內部肋條和可變壁厚—鑄鋁中很難或不可能的特征—將熱量從集中源重新分配到較大的耗散區域，從而產生類似的切屑溫度。然而，這種薄片熱交換器設計的案例研究并沒有完全優化，這表明可以進一步減輕重量。

斯特蘭警告說，聚合物和鋁之間的熱質量差也會影響瞬態響應。盡管Sentherm配方的比熱容比傳統聚合物更適合熱循環，但這是否有利于或阻礙性能取決于應用具體情況。他解釋說，對于間歇性高功率脈沖，響應特性與鋁的不同之處在于需要設計考慮，而不是簡單的材料替換。

汽車行業整合

現代車輛包含1000-3500個半導體設備，電動車輛通常超過內燃機車輛。并非所有這些都需要主動冷卻，但電力電子設備、電機驅動器、電池管理系統和ADAS處理器——每輛車可能有20-100個冷卻芯片——產生了大量的熱管理需求。功率密度各不相同，但典型的情況可能涉及耗散5-50瓦的48×43毫米芯片（20.6平方厘米）。

電池組組件提供了另一個機會。Sentherm開發了電池間隔器，將熱量從電池傳遞到冷卻板。從鋁切換到導熱聚合物在整體組件中實現了高達30%的重量減輕。對于一種汽車應用，材料成本比鋁增加了1.5倍，但組裝時間顯著減少?？傮w安裝零件成本下降到基線的80%，重量減輕了24%，所有這些都采用了類似于鋁制參考零件的保守設計。

Sentherm的方法提供了超越簡單零件合并的組裝優勢。聚合物加工允許成型螺釘凸臺、快速配合功能、定位銷和對準表面直接進入熱管理部件。這些集成功能消除了單獨的緊固件，并減少了組裝勞動力。在高壓電池系統中至關重要的電隔離是材料固有的，而不是需要二次涂層操作。

Sentherm為這些情況提供了兩個TCP類:導電(通常為碳基，1200-1300 kg/m3，成本較低)和電隔離(陶瓷填充，1500-1600 kg/m3)，成本略高。選擇取決于應用程序是否需要接地路徑或隔離?；旌霞軜嬕彩强赡艿?，其表面電導率與內部特性不同。

耐久性、圓形性、碳足跡

圖歐盟提供鋁和50%回收，鋁散熱器與聚合物散熱器的生命周期分析。

汽車熱管理部件經歷了連續的溫度波動—在車輛的使用壽命期間，從低于冰點到工作溫度的溫度范圍超過100°C數千次。與均勻鋁不同，填充聚合物復合材料在這些循環期間面臨著基本的耐久性挑戰：填充粒子和聚合物基體以不同的速率膨脹，產生界面應力，隨著時間的推移，界面應力會降低性能。

熱循環在填充物和基體之間產生差異膨脹，可能導致界面隨著時間的推移而退化。大小取決于載荷、溫度范圍、循環次數、環境因素、填充物布置和基礎聚合物選擇。為了解決這一問題，Sentherm通過兼容的填充物-基體化學和配方設計優先考慮界面粘附，盡管填充物負載較高，但仍保持可接受的靈活性。其大多數配方實現了超過1.5%的斷裂應變值，大大優于競爭TCP。剩余的預期退化可以通過工程安全系數來解決。

從循環經濟的角度來看，Sentherm的TCP可以重新研磨和重新處理，但有重要的限制：

• 多個擠壓通道會導致一些退化，但不會阻止重復使用。

• 降解幅度取決于加工嚴重程度和基礎聚合物特性。

• 過度加工或干燥不良會增加財產損失。

“與大多數報廢元素一樣，主要問題是是否有人會真正回收這些材料，而不是將其填埋，”斯特蘭指出?！叭绻换厥?，我們當然可以重新處理它。”

同時，在體現碳方面，TCP提供了實質性的優勢。Fieschi工作室(意大利都靈)的一項獨立評估將鋁熱交換器翅片與具有增強表面積和類似熱性能的TCP改型進行了比較。即使假設歐洲供應鏈中回收的鋁含量為50%，并且TCP部分在最壞的情況下進行填埋，由于生產能源要求低得多，該聚合物的含碳量也降低了82.1%。

膨脹材料包層

Sentherm最近實現了UL 94 V-0阻燃分類，同時在PA6配方中保持2 W/m·K的穿透厚度電導率。“這種材料在加工過程中流動良好，并且不會過于脆化，這與阻燃劑必須影響熱或機械性能的假設相矛盾，” 斯特蘭解釋說?！皬膶щ娦缘慕嵌葋砜?，某些阻燃劑的性能比其他阻燃劑更好，因此我們已經廣泛測試了配方，以最大限度地減少熱導性影響。”

該公司致力于從PPA和PPS到PA6、PA66和聚苯氧化物混合物的聚合物系列。近期的開發重點是通過壓縮成型或二次成型來結合長纖維增強材料。在TCP情況下，短纖維提供許多小的、不連續的熱流路，而長纖維形成更連續的網絡，改善沿纖維長度的熱傳遞，而基質填充系統處理橫向熱傳輸。由于長纖維復合材料適合壓縮成型而不是注射成型，加工方法將有所不同，但該方法可以提供增強的機械性能以及優化的熱管理。

“TCP適用于質量較低、組裝優勢、設計自由度和耐腐蝕性與熱性能同等重要的行業，”應變強調。“我們不是試圖讓聚合物的行為完全像鋁。我們正在創造鋁無法提供的解決方案?！?/p>

原文,《Sentherm conductive polymers match aluminum thermal performance, cut weight》 2026.2.23