热管理黑科技之——导热塑料

一、引言

随着电子器件的集成度越来越高，单位面积的功率密度越来越大，散热问题成为制约其性能稳定和提升的关键因素。而传统的金属散热材料虽然导热性能非常优秀，但其重量大、机械加工性能差、加工成本高等问题在一些既需要轻量化有需要高导热的应用环境受到很大限制，

导热塑料出现给大家带来了新的解决方案。那么今天我们就一起来聊聊热管理黑科技之——导热塑料。

二、什么是导热塑料？

讲起塑料大家应该都不陌生，咱们平常生活中几乎是随处可见，而塑料这东西早在200多年前就被发明出来了，期间也经历了无数的实验和验证，从而成为大家随处可见的应用产品。而导热塑料就是以 聚酰胺（PA）、聚碳酸酯（PC）、聚苯硫醚（PPS）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚醚醚酮（PEEK）等常见的工程塑料为原材料基体，通过不同的导热填料（如氧化铝、氮化铝、氮化硼、碳化硅、氧化镁、氧化锌、石墨烯、碳纳米管、金刚石等）对基体材料进行改性，在基体中搭建良好的导热通路，从而得到高导热的塑料。

导热塑料又分为两类：

（1）导热绝缘塑料：导热系数不高，大概在1.5W/(m・K)；主要导热填料是金属氧化物（氧化铝、氧化镁、氧化锌、氧化鈹等）和金属氮化物（氮化铝、氮化硅、氮化硼、碳化硅、碳化硼等）。

（2）导热导电塑料：导热系数在5-120W/(m・K)；主要导热填料是石墨烯、碳纤维、碳纳米管、金刚石、金属粉体/纤维等。

而制备导热性能优异的高导热塑料核心点就在于导热填料的选择和导热通路的搭建，根据不同的应用场景，添加不同比例的导热填料，既不能填充多了，也不能填充太少，填充多了虽然导热性能好了，但是整体材料的力学性能就会下降，比如常见的就是塑料会变的很脆，受到应力冲击就会出现裂纹，这是我们不想看到了，所以要在保证塑料力学强度没有太大影响的情况下，利用导热填料在基体中搭建更多的导热路径，形成有序的网络结构，这些网络结构就跟如今的高速公路一样，能够加快声子的传导速度，从而提供整体材料的导热性能。其实这个中间还是有很多关键点很难把控的，不过通过精密且巧妙的改性技术，导热塑料比普通塑料的导热性能有了质的飞跃，性能提升可达100倍以上。

小编了解到，目前市面上部分高导热塑料产品，其平面导热系数能够达到 8W/(m・K)，垂直方向导热系数也大于 1.5W/(m・K)；有部分导热导电塑料的导热系数可达120W/(m·K)，这足以媲美一些如铝材、铝合金等金属导热材料了。

导热塑料对比铝材有哪些核心优势呢？

（1）轻量化：密度约1.8 g/cm³（铝材的1/2-1/3），显著降低产品重量及运输成本。

（2）耐腐蚀性：优于金属，适应化学环境。

（3）热辐射：塑料的热辐射能力比金属更好。

（4）设计灵活：可成型复杂薄壁结构，满足多样化需求。

（5）绝缘性：导热不导电，适用于非隔离电源等安全场景。

（6）环保性：生产污染小，可回收再利用，碳排放低（对比金属/陶瓷）。

（7）加工高效：注塑成型无需后加工，周期短（如热塑型导热尼龙成型周期最短）。

（8）成本效益：综合加工效率、轻量化及环保优势，整体成本低于金属。

三、导热塑料的应用与未来挑战

导热塑料目前主要应用在5G 网络基础设施、Wi-Fi 路由器、电动汽车的电池、 LED 照明、消费电子外壳、低空经济等领域。

1. ‌LED照明领域‌

用于灯座、散热灯杯及外壳等部件，替代传统金属材料，实现散热均匀且重量减轻40-50%‌，而且导热塑料的注塑成型特性支持复杂结构设计，提升灯具造型灵活性。

传统散热材料在使用过程中，容易出现局部温度过高的情况，这不仅会影响灯具的发光效率，还会加速器件的老化，缩短灯具的使用寿命。高导热塑料作为LED灯具散热材料后，可提升 LED 灯具的寿命 30% 以上；这也变相的减少了消费者频繁更换灯具的次数，既节省了成本，又减少了资源的浪费，为绿色环保做出了贡献。

2.‌电子电力与汽车部件‌

在CPU散热器、新能源汽车电池管理系统及车灯散热器中应用，导热系数可达1-20W/m·K，部分特殊品级甚至超越不锈钢（15W/m·K）‌，超导热尼龙等材料在车灯散热器、电动汽车电池盒中的应用表现尤为突出。

3.Wi-Fi 路由器

其实目前市面上高端的Wi-Fi 路由器外壳都是由导热塑料做成，平时大家肯定没怎么注意过，Wi-Fi 路由器在长时间工作时，机身的热量是很大，而导热塑料作为其外壳，导热性能好、外壳强度又高、又抗拒热辐射、还有很好的绝缘性和电磁屏蔽性能，是上上之选。

4.消费电子外壳

如笔记本电脑的底部外壳、AR/VR眼镜的外壳等方面基本都用上了导热塑料，这样消费者携带和穿戴起来更加轻盈，而且也能同时提高被动散热的效率，从而提高设备工作的能效和寿命，进一步给消费者带来更好的体验。

5.低空经济

无人机的轻量化咱们就不用多少了，这个无人机行业的核心痛点，各大厂家都在不断地薅材料，哪怕能多轻一两都是好的。而导热塑料为无人机轻量化和高导热需求做出满意的答复，既能提高整体机身的被动散热性能，又能降低整机重量，提高无人机的续航能力和使用寿命。

导热塑料目前一直是打着以塑代铝的旗号，主要目标还是针对铝合金、不锈钢等低导热金属散热组件做应用替代。

而前段时间美国东北大学与陆军研究实验室联合研发，利用3D打印技术将聚合物树脂和高导热陶瓷粉体桉纳米级排列搭起了热传导的超级通道，制备出了一种新型的高导热陶瓷复合塑料，让塑料导热性能提升了120多倍，测试下来导热性能超过不锈钢，但是重量只有不锈钢的四分之一，且它的绝缘性能、电磁屏蔽性能都非常出色，是导热塑料领域非常有意义的一次突破性研究。

总结来说导热塑料的优势核心点还是在它的轻量化上，基本就是减重了40%-50%，在这电子设备越来越最求小型化和轻量化的时代，这无疑是最受欢迎的；而且导热塑料的化学稳定性比金属要高的多，不会生锈、也很难腐蚀，这也大大扩宽了它的应用范围；再者它的力学性能非常好，可以随心所欲的加工，这比金属要方便的多，加工成本、加工时间能都大大缩减。

目前导热塑料使用受限的瓶颈还是在于导热性能与力学性能的平衡，一味地追求高导热，那就必将牺牲力学性能，而强化力学性能也必将损失高导热，如何做到两者平衡的一个契机点，在不损坏原有力学性能的基础上不断提高导热性能是目前各大研究院所、厂家研发的重点方向；再者就是成本问题，毕竟添加了很多的导热填料，比如氮化铝、氮化硼、石墨烯、金刚石、碳纳米管、碳纤维等高导热填料相对塑料添加剂本身来说还是比较昂贵的，成本上肯定是要提高不少的，那么提升的导热性能能不能与成本增加成正比，这个就需要工艺方面的不断进步和支持，才能进一步生产处性价比非常优秀的产品。

未来对于导热塑料肯定还是会向着更高导热、更高强度、更轻质量的方向去不断发展，当然对绝缘导热的需求也会越来越多，所以这其中的挑战还是非常艰巨的。导热塑料的革命尚未成功，高分子材料科研同胞们仍需努力。

导热塑料代表性厂家：SABIC（沙特基础工业公司）、covestro（科思创）、Denka电化、万华化学、杭州本松、飞荣达、雅柏塑料、普万光电、东莞棋丰塑料、东莞兆科、佛山市南海宝利玛、勤丰新材料、启富塑胶。

四、总结

导热塑料作为热管理材料中的一个重要演员，由于他出色的高导热性能、优秀的轻量化、易加工、抗热辐射性能好、绝缘性好、成本低等优势，广泛适用于LED 照明、Wi-Fi 路由器、电动汽车的电池、消费电子外壳、低空经济、5G 网络基础设施等热管理领域。导热塑料是铝材、铝合金、不锈钢等低导热金属替代的良品。

据相关机构统计，全球导热塑料市场规模在2023年约为15-20亿美元，并预计在未来5-10年内以年均复合增长率10%-15%的速度快速增长，到2028-2030年，市场规模有望达到30-40亿美元甚至更高。中国作为全球制造中心，是导热塑料需求最旺盛的国家之一，2023年市场规模已超过50亿人民币，而如今将接近百亿人民币市场了，并且增速高于全球平均水平。

而近几年我们国家对高导热、轻量化材料的政策扶持也非常之大，也非常重视这块方面的研发和市场投入，“以塑代铝”也不再只是个口号，导热塑料的未来发展将会是无限光明的。