摘要：集成电路技术的进步不断推动着芯片向高集成度和高性能的方向发展，随之而来的高密度热流带给芯片热管理的挑战也日益严峻。聚合物由于具有柔软的力学性能，且易于加工，十分适合作为电子产品中的导热材料。目前，聚合物的导热性能较低，向其中填充高导热填料，制备高导热的聚合物基复合材料是实现其工业化应用的主要手段。该文综述了近年来以液态金属为填料的聚合物基导热材料的研究现状及应用。液态金属在聚合物基体中的结构分布可分为非连续分布、单向连续分布及三维连续分布。针对不同液态金属分布结构的聚合物基复合材料，结合前人的研究工作，该文分别介绍了热界面材料传热机理，聚合物基液态金属的相关制备方法，所得复合材料的导热特性以及其面临的技术瓶颈。最后，对液态金属填充型聚合物基导热材料的未来研究方向进行了展望。
01引言
与金属和陶瓷等材料相比，高分子聚合物质轻、柔软且易于处理和加工，较适宜手机、电脑等便携式电子设备的热管理，是制备热界面材料、均热材料等导热材料的理想选择。由于纯聚合物的导热性能较差，因此，无法直接作为导热材料。研究表明，改善聚合物内部分子排列的有序度和增强分子链间的作用力，虽然能有效减少声子散射，增强聚合物的导热能力，但是所需的处理方法较为复杂，难以实现商业化。目前，商业化应用中的聚合物基导热材料主要通过向聚合物基体中填充高导热填料颗粒得到。
在制备填充型聚合物基导热材料时，常用的导热填料有铜、铝等金属材料，氮化硅、氮化硼等陶瓷材料，以及石墨烯等碳基材料，填料的热导率、含量、尺寸、形状、表面性质及分布情况对复合材料的热导率有较大影响。由于这些导热填料都以固体颗粒的形式填充到聚合物基体中，因此，为获得较高的热导率，所需固体填料的体积分数通常较高。但加入过量的固体颗粒又会使复合材料整体硬化，从而丧失原有的力学性能优势。因此，导热性能的提升和力学性能的恶化这一对矛盾是限制聚合物基导热复合材料发展的主要因素，而液态金属的出现为此提供了有效的解决方案。
02热界面材料的传热机理
在用作热界面材料时，液态金属基导热材料和液态金属填充型聚合物基导热材料都具有较理想的前景，因此，了解热界面材料的传热机理具有重要意义。
热界面材料大多应用在大功率电子器件的散热过程中。当电子器件与散热设备相接合时，热界面材料可填充两接触面间的空气间隙，从而降低界面热阻，提高电子器件的散热性能。当热量从电子器件经热界面材料流向散热设备时，除材料本身的热阻外，电子器件基板和热界面材料之间的接触热阻也在一定程度上阻碍热量的传导。除此之外，接触热阻还出现在热界面材料内部的基体与填料之间(图1)。对于液态金属基导热材料而言，电子器件基板和热界面材料之间、材料内部填料与基体之间的热阻主要由晶格失配、缺陷引起的电子散射导致。而对于液态金属填充型聚合物基导热材料而言，由于电子器件基板和热界面材料之间、材料内部填料与基体之间的接触界面是金属与非金属界面，因此，声子和电子都可作为热传导的载体。Zhou等提出一种传热机理，指出金属和聚合物基体之间的接触热阻取决于界面处声子-声子耦合、声子-电子耦合和电子-电子耦合过程的相对关系。此外，在进行界面热阻预测方面，Hopkins等基于扩散失配模型，考虑了声子非弹性散射的影响，提出一种可以在更宽范围内测量界面热导的联合频率弥散失配模型，该模型可在几百开尔文的温度范围内，对多种材料进行界面热导率预测。
图1热界面材料在电子器件中的散热与界面热阻原理图
03液态金属材料及其应用
镓基液态金属主要包括金属镓(Ga)、镓铟共晶合金(EGaIn)及镓铟锡合金(Galinstan)，相关的物理性质如表1所示。与易挥发且具有毒性的汞(Hg)和具有放射性的铷(Rb)、铯(Cs)、钫(Fr)相比，镓基液态金属除了具有导热、导电等金属特性和室温流动性外，还具有无毒、生物相容性好等优点，在化学、柔性电子、热管理、生物医疗等方面具有广阔的应用前景，是近几年科学研究的热门材料。
表1镓基液态金属的物理性质
在热管理领域，镓基液态金属兼具高导热和流动性的特点，既可作为对流换热介质，也可直接作为热界面材料，因而备受研究者