Sentherm的导热聚合物配方在整个厚度导电范围内达到1.5-5.0 W/m·K，在某些聚合物中使用混合导电填充网络，结果高达18.88 W/m·K。

用聚合物取代铝用于热传导应用听起来就像用跑车换自行车。铝的传导热量约为每米200瓦开尔文(W/m·K)，而传统塑料的传导热量为0.3 W/m·K，这是一个600倍的性能缺口。

然而，电子设备在汽车甚至航空航天飞行器中的扩散需要铝越来越无法提供的热管理解决方案：具有集成功能的复杂几何形状、没有二次涂层的电气隔离、耐电偶腐蚀和高pH环境，当然，还需要低得多的质量。

热传导聚合物(TCP-Thermally conductive polymers)提供了一种解决方案，但以前的尝试创造了高度填充导电粒子的材料，它们的行为更像易碎的陶瓷，而不是可加工的热塑性塑料，完全违背了这一目的。

Sentherm（英国北爱尔兰贝尔法斯特）以不同的方式处理这一矛盾。该公司不是简单地最大限度地增加填充物含量来追求铝的导热性，而是倾向于这样一个事实，即实际部件中的热传递不会与材料电导率线性缩放。

Sentherm的首席技术官芬丹·斯特兰（Findhan Strain）指出：“当通过深思熟虑的零件设计利用材料的各向异性特性并充分利用聚合物的固有优势时，达到1.5-3.0 W/m·K（仍远低于铝）的配方可以匹配或超过整个系统的热性能。”。这种系统方法，即配方、复合、加工和零件几何形状被认为是相互依赖的变量，而不是孤立的参数，形成了Sentherm技术的基础。

多尺度热桥接

Sentherm产品的核心在于导电粒子（如石墨烯和石墨）之间在聚合物基体内的相互作用，并利用综合材料科学知识为特定应用定制这种相互作用。石墨片，通常大小为1-100微米，提供大块热通道。但这些微米级粒子之间不可避免地存在间隙，从而产生热瓶颈。石墨烯的作用更微妙：它的纳米级厚度，加上亚微米到几微米范围内的横向尺寸，允许它渗透到石墨颗粒之间的空隙中，架起几十纳米到几微米的桥梁。

图电池间隔元件验证机显示了用高填充、导热聚合物可以实现的制造精度。

把它想象成建造一个高速公路系统。石墨形成了主要路线，但由于它们之间没有连接道路，交通在每个交叉路口都会停滞。石墨烯提供这些连接。当平面内热导率达到2000-4000 W/m·K时，石墨烯片显著增加了相邻石墨片之间的有效接触面积，同时降低了其界面处的热边界电阻。这种多尺度结构创建了连续的2D和3D导电网络，该网络实现了比单独石墨高得多的有效热导率。

“这些导电填料的展弦比和几何形状在复合过程中以不立即明显的方式相互作用，” 斯特兰解释说。高导电填料，如石墨烯，允许其整合和桥接，但必须小心控制剪切力。在复合过程中，过大的剪切力会将大块片状物分解成更小的碎片。太少了，你就不能实现均匀分散。我们用特定应用的添加剂来平衡所有这一切。

该公司已公布并正在审查两项专利，包括不同比例的石墨烯-石墨聚合物组合和石墨烯与氮化铝(AlN)。后者提出了一个有趣的权衡：AlN提供了优异的固有热导率(170-200W/m·K)，但引入了陶瓷脆度。Sentherm的方法通过使用混合填充物在较低的陶瓷总体积分数处构建导电网络，其中板状填充物可以偏转裂纹。这使得它们能够以较少的AlN击中5-10 W/m·K的目标电导率，从而减少脆化。

结晶度悖论

像铝这样的金属由于其结晶度或晶格结构而具有高度的导热性，提供了有序的原子结构，该结构有助于通过自由电子和晶格振动(声子-phonons)进行有效的能量传输。把铝的内部结构想象成一个组织严密的城市，有两个输送系统同时工作。原子排列成整洁有序的行，就像街道网格上的露台房屋。当一端变热时，热量以两种方式穿过这座城市。

首先，你有自由电子像摩托车一样在交通中穿梭。这些电子不会附着在任何特定的原子上；他们可以自由漫游。当一侧加热时，这些电子摩托车加速朝向冷侧，携带能量。它既快又高效，因为有序的街道让它们移动而不会不断撞上障碍物。

第二，原子本身开始震动。想象每个原子都是一个人站在有序的网格中，当一个人被推挤时，他们撞上了邻居，邻居撞上了他们的邻居，等等，就像波穿过人群一样。这些振动（物理学家称它们为声子，但实际上它们只是协调振动）将能量传递给线。

有序的排列对于热能传输至关重要。这是将一桶水从一排整整齐齐的消防员手中倒下与试图通过摩西坑倒下之间的区别。在铝的晶体结构中，电子摩托车和原子振动都可以有效地传播，因为一切都排列得很好。这就是为什么金属传导热量如此之好。

在开发TCP的早期，Sentherm观察到了一些意想不到的事情。聚合物结晶度与实际导热性能呈非单调关系。换句话说，他们不是一致的线性，但实际上具有V形相关性。当结晶度从低水平增加时，热导率最初按预期提高，但超过最佳点，它会稳定下来，然后下降。

Sentherm的聚合物主管比阿特丽斯·梅亚尔(Beatriz Mayoral)博士解释说：“结晶相和非晶相之间的界面在顺序、刚度、密度和振动特性上产生了突然的变化。”。这些界面可以作为声子散射点。在最佳结晶度以下，你获得了传热的结构化路径。在它之上，你增加了破坏声子传输的界面边界。

图 显示了聚合物结晶度和实际导热性能之间的非单调关系。

这种关系受到各种因素的影响，包括冷却速率、填料如何作为成核剂以及供应商之间的聚合物化学变化。生产名义上相同的尼龙6(PA6)的两个制造商可以在相同的配方中产生显著不同的热性能。“我们遇到了某些聚合物表现非常好的情况，而来自不同制造商的化学相似材料效果不佳，”斯特兰指出。Sentherm的大部分配方工作涉及绘制这些相互作用。我们不仅要选择聚合物等级，还要了解在什么条件下加工的特定制造商的材料会产生最佳的填充物分布和结晶度。

该团队还发现，水分和加工挥发物会导致性能退化，而热重分析并不总是揭示这一点。“即使使用中和和干燥的添加剂，问题也会持续存在，” 斯特兰承认。低体积密度填料可能含有难以完全去除的嵌入挥发物。聚合物降解有时发生得比预期的更早，可能是通过增强熔融传导性，但更可能是由于残余污染物。控制这些参数对于实现所需的性能至关重要。

工艺相关各向异性

制造方法还显著影响填充物定向，从而影响热性能。注射成型将熔化的聚合物暴露在高剪切速率和喷泉流中，这强烈地将平行于流动方向和模具表面的各向异性填充物对准。这增强了平面内的导电性，但通过厚度路径中断。相比之下，压缩成型涉及最小的剪切，主要是通过厚度压缩。填充物保持更随机的垂直方向，使整个厚度上的粒子对粒子接触更好。持续压力也会减少空隙并提高填充密度。

结果是，相同的配方显示出明显不同的热行为，因此制造路线对于了解应用至关重要。业内有些人知道，不同的工艺会产生不同的性能。因此，用处理方法定制配方和设计以实现最佳结果是至关重要的。Sentherm的许多配方表现出比穿透厚度值高三到五倍的平面内电导率，尽管穿透厚度性能仍然很强。“如果你为它设计，这种各向异性并不是一个限制，”应变强调。我们使用计算机辅助设计和拓扑优化软件来设计和制造沿高导电性轴的热量路线，结合了聚合物热交换部件中典型的带状和其他特征。

图由挤压导热片制成的热成型热交换器翅片原型。

也许令人惊讶的是，涉及填充聚合物片的双轴拉伸的热成型实际上增强了导电性，而不是使其退化。在拉伸过程中，填充粒子沿着拉伸方向物理排列。梅亚尔解释说：“在压力下，粒子的电导率变得与方向相关。”他的博士研究碳纳米管为这一理解提供了信息。拉伸改善了分散性，减少了粒子间距离，加强了导电网络。一种柔性PE配方在挤出和热成型后实现了1.5-1.6 W/m·K通过厚度的导电性，同时保持了相当大的可拉伸性。

这种行为延伸到聚合物基质本身。聚合物链本身通过沿应变方向排列来响应拉伸，类似于拉动缠结的绳索如何拉直单个纤维。这种分子排列增加了聚合物自身在该方向上的热导率，同时在填充粒子之间创建降低热边界电阻的定向通道。拉伸基体本质上成为更热透明的介质，其允许填充网络比在随机定向为模制状态的填充网络中更有效地工作。

作为关键变量的复合

Sentherm还发现，在不同的配方设施中加工的相同配方产生不同的特性。例如，在英国与中欧混合的配方，尽管配方相同，但产生可测量的不同热导率。这些差异源于螺旋设计、停留时间分布、进料区与计量区的温度分布、剪切强度、干燥条件、挥发物提取效率以及填充物引入的顺序和时间。

图在制造过程中将导电聚合物制成片状。

“这与了解供应链的加工特性和相应调整配方一样重要，就像它与基本配方一样，”斯特兰指出。与中等剪切相比，高剪切复合会影响填充物的分散方式，而一些聚合物可以容忍，而另一些则不能。温度控制影响聚合物流动和添加剂分布。它类似于传统的热固性复合材料，其中每一步都有助于成品性能。

这一现实塑造了Sentherm的商业模式。该公司提供的不是简单地销售小球，而是一种端到端的解决方案：评估热需求，制定零件和配方设计，然后生产聚合物并制造部件。“我们认为需要一种系统的方法来取得成功，”斯特兰解释说。“这类似于客户考虑使用碳或玻璃纤维复合材料而不是铝。设计'黑色金属'是次优的。”

薄片冷却验证

一个简单的测试案例展示了这种集成方法。Sentherm使用薄片将5瓦的电能耗散到热量中，并将其放置在各种散热器（通常用于冷却汽车电子设备的被动热交换器）下方—测量最大薄片温度以表示热管理效率。重量为206.5克的铝参考散热器达到46.3°C的标称薄片温度。类似几何形状的标准聚合物散热器将重量减少到95.6克，但热失效，达到148.2°C。使用Sentherm的导热聚合物而没有设计优化的版本为99.4克，达到55.2°C。最后，Sentherm的导热聚合物，与 材料设计和考虑各向异性传热，达到159.9克，达到46.9°C—几乎与铝性能相匹配，重量减轻了29%。

这一进展揭示了真正显著的改进 不仅仅依赖于热导率。例如，从0.3 W/m·K到1.0 W/m·K提供了巨大的好处，而从1.5 W/m·C进一步移动到3.0 W/m·K只提供了增量改进。超过一定的阈值，额外的电导率提供最小的性能增益。“根据傅里叶定律，热导率与传热成正比，”应变观察到。“在现实中，它有更多的东西，在某些点之上，有一个收益递减的定律。”

图5瓦薄片冷却应用图表的聚合物散热器演示器。

Sentherm通过各向异性特性开发和通过组件设计增强表面积来弥补剩余的差距。在上述情况下，与铝（2700 kg/m³）相比，聚合物的较低密度（1200-1600 kg/m3）允许增加材料体积，而不会过度减轻重量。复杂的鳍片几何结构、内部肋条和可变壁厚—铸铝中很难或不可能的特征—将热量从集中源重新分配到较大的耗散区域，从而产生类似的切屑温度。然而，这种薄片热交换器设计的案例研究并没有完全优化，这表明可以进一步减轻重量。

斯特兰警告说，聚合物和铝之间的热质量差也会影响瞬态响应。尽管Sentherm配方的比热容比传统聚合物更适合热循环，但这是否有利于或阻碍性能取决于应用具体情况。他解释说，对于间歇性高功率脉冲，响应特性与铝的不同之处在于需要设计考虑，而不是简单的材料替换。

汽车行业整合

现代车辆包含1000-3500个半导体设备，电动车辆通常超过内燃机车辆。并非所有这些都需要主动冷却，但电力电子设备、电机驱动器、电池管理系统和ADAS处理器——每辆车可能有20-100个冷却芯片——产生了大量的热管理需求。功率密度各不相同，但典型的情况可能涉及耗散5-50瓦的48×43毫米芯片（20.6平方厘米）。

电池组组件提供了另一个机会。Sentherm开发了电池间隔器，将热量从电池传递到冷却板。从铝切换到导热聚合物在整体组件中实现了高达30%的重量减轻。对于一种汽车应用，材料成本比铝增加了1.5倍，但组装时间显著减少。总体安装零件成本下降到基线的80%，重量减轻了24%，所有这些都采用了类似于铝制参考零件的保守设计。

Sentherm的方法提供了超越简单零件合并的组装优势。聚合物加工允许成型螺钉凸台、快速配合功能、定位销和对准表面直接进入热管理部件。这些集成功能消除了单独的紧固件，并减少了组装劳动力。在高压电池系统中至关重要的电隔离是材料固有的，而不是需要二次涂层操作。

Sentherm为这些情况提供了两个TCP类:导电(通常为碳基，1200-1300 kg/m³，成本较低)和电隔离(陶瓷填充，1500-1600 kg/m³)，成本略高。选择取决于应用程序是否需要接地路径或隔离。混合架构也是可能的，其表面电导率与内部特性不同。

耐久性、圆形性、碳足迹

图欧盟提供铝和50%回收，铝散热器与聚合物散热器的生命周期分析。

汽车热管理部件经历了连续的温度波动—在车辆的使用寿命期间，从低于冰点到工作温度的温度范围超过100°C数千次。与均匀铝不同，填充聚合物复合材料在这些循环期间面临着基本的耐久性挑战：填充粒子和聚合物基体以不同的速率膨胀，产生界面应力，随着时间的推移，界面应力会降低性能。

热循环在填充物和基体之间产生差异膨胀，可能导致界面随着时间的推移而退化。大小取决于载荷、温度范围、循环次数、环境因素、填充物布置和基础聚合物选择。为了解决这一问题，Sentherm通过兼容的填充物-基体化学和配方设计优先考虑界面粘附，尽管填充物负载较高，但仍保持可接受的灵活性。其大多数配方实现了超过1.5%的断裂应变值，大大优于竞争TCP。剩余的预期退化可以通过工程安全系数来解决。

从循环经济的角度来看，Sentherm的TCP可以重新研磨和重新处理，但有重要的限制：

• 多个挤压通道会导致一些退化，但不会阻止重复使用。

• 降解幅度取决于加工严重程度和基础聚合物特性。

• 过度加工或干燥不良会增加财产损失。

“与大多数报废元素一样，主要问题是是否有人会真正回收这些材料，而不是将其填埋，”斯特兰指出。“如果它被回收，我们当然可以重新处理它。”

同时，在体现碳方面，TCP提供了实质性的优势。Fieschi工作室(意大利都灵)的一项独立评估将铝热交换器翅片与具有增强表面积和类似热性能的TCP改型进行了比较。即使假设欧洲供应链中回收的铝含量为50%，并且TCP部分在最坏的情况下进行填埋，由于生产能源要求低得多，该聚合物的含碳量也降低了82.1%。

膨胀材料包层

Sentherm最近实现了UL 94 V-0阻燃分类，同时在PA6配方中保持2 W/m·K的穿透厚度电导率。“这种材料在加工过程中流动良好，并且不会过于脆化，这与阻燃剂必须影响热或机械性能的假设相矛盾，” 斯特兰解释说。“从导电性的角度来看，某些阻燃剂的性能比其他阻燃剂更好，因此我们已经广泛测试了配方，以最大限度地减少热导性影响。”

该公司致力于从PPA和PPS到PA6、PA66和聚苯氧化物混合物的聚合物系列。近期的开发重点是通过压缩成型或二次成型来结合长纤维增强材料。在TCP情况下，短纤维提供许多小的、不连续的热流路，而长纤维形成更连续的网络，改善沿纤维长度的热传递，而基质填充系统处理横向热传输。由于长纤维复合材料适合压缩成型而不是注射成型，加工方法将有所不同，但该方法可以提供增强的机械性能以及优化的热管理。

“TCP适用于质量较低、组装优势、设计自由度和耐腐蚀性与热性能同等重要的行业，”应变强调。“我们不是试图让聚合物的行为完全像铝。我们正在创造铝无法提供的解决方案。”

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