Sentherm 导热聚合物：以复合材料思维，实现媲美铝材的热管理与轻量化突破

在新能源汽车、动力电池及车载电子加速迭代的今天，传统金属散热材料正面临前所未有的挑战。更高的集成度、更复杂的结构、严苛的电绝缘与耐腐蚀需求，以及贯穿全产业链的轻量化目标，让铝材不再是热管理部件的唯一最优解。来自英国北爱尔兰贝尔法斯特的 Sentherm 公司，以多尺度填料设计、各向异性调控、全流程工艺匹配的复合材料体系化思路，开发出新一代导热聚合物（TCP），在导热性能逼近铝材的同时，实现 25%–45% 的部件减重，为汽车及高端电子热管理提供了金属替代新路径。

一、从性能鸿沟到体系突破：导热聚合物的破局思路

电池隔片组件演示件展示出使用高填充导热聚合物所能达到的制造精度。

用聚合物替代铝材用于导热散热，曾被认为是极不现实的技术路线。铝材导热系数约 200 W/(m・K)，而常规塑料仅 0.3 W/(m・K)，两者性能差距高达 600 倍。但汽车电子与航空航天的快速普及，提出了传统铝材难以满足的需求：可制造复杂集成结构、无需二次涂层即可电绝缘、耐电偶腐蚀与高 pH 环境，以及更显著的轻量化。

传统导热聚合物为追赶金属导热水平，过度提高导电填料含量，最终材料脆如陶瓷，丧失热塑性塑料的成型优势。Sentherm 跳出单纯提高导热系数的传统思路，提出系统级热性能理念：实际构件中的传热并不与材料导热系数呈线性关系，即便材料本体导热系数仅 1.5–3.0 W/(m・K)，远低于铝材，只要通过结构设计充分发挥各向异性，并利用聚合物成型与集成优势，其整体散热效果仍可媲美甚至超越铝材。

这一思路的核心，是将材料配方、混炼工艺、成型方式与部件结构作为耦合变量，而非孤立参数，这也是 Sentherm 区别于常规导热高分子材料的关键。

二、多尺度导热通路构建：石墨烯—石墨复合填料网络

作为典型的颗粒增强复合材料，Sentherm 导热聚合物的核心竞争力，在于多尺度热桥结构的精准构建。

材料以 1–100 μm 的石墨片作为主体导热骨架，搭建宏观传热通路；但微米级石墨片之间不可避免存在空隙，形成严重的热瓶颈。团队引入纳米级石墨烯，利用其超薄厚度与高比表面积，填充石墨片之间的纳米至微米级间隙，形成连续贯通的二维与三维导热网络。石墨烯面内导热系数高达 2000–4000 W/(m・K)，可显著提升片层间有效接触面积、降低界面热阻，使整体有效导热能力远高于单一石墨填充体系。

在混炼过程中，填料长径比、形态与剪切强度高度耦合。剪切过大会破碎大尺寸片层，剪切不足则导致分散不均。Sentherm 通过专用助剂与工艺控制，在分散性与片层完整性之间实现平衡，保证导热网络连续稳定。

公司同时布局石墨烯— 石墨、石墨烯 — 氮化铝（AlN）复合体系专利。氮化铝本征导热可达 170–200 W/(m・K)，但高添加量会带来明显脆性。Sentherm 采用杂化填料结构，利用片状填料偏转裂纹，在更低陶瓷粉体含量下实现 5–10 W/(m・K) 的目标导热系数，同时抑制材料脆化，兼顾导热性与力学性能。

三、结晶度悖论：聚合物基体微结构对导热的关键影响

金属依靠高度规整的晶格结构，通过自由电子与声子实现高效传热。而 Sentherm 在研发中发现，聚合物结晶度与实际导热性能并非单调正相关，而是呈现 V 型变化规律：结晶度提升初期，传热通路增加，导热性能上升；超过最优值后，晶区与非晶区界面急剧增多，成为声子散射中心，导致导热性能不升反降。

这一现象受冷却速率、填料异相成核作用、聚合物原料来源与化学结构共同影响。即便同为 PA6，不同供应商的材料在相同配方与工艺下，热性能也可能出现显著差异。因此，Sentherm 的核心工作之一，是建立原料— 结晶 — 填料分散 — 热性能的关联图谱，不只是选择材料牌号，而是匹配特定厂商、特定工艺条件下的最优基体体系。

同时，团队证实，水分与加工残留挥发分可导致材料性能衰减，低密度填料更容易包裹难以脱除的小分子。即便经过干燥与中和处理，残余杂质仍可能引发基体提前降解。因此，挥发分控制、加工温度与停留时间管理，成为保证导热复合材料性能稳定性的关键环节。

四、工艺依赖型各向异性：成型方式决定复合材料导热行为

用于5瓦芯片散热的聚合物散热器演示应用图表。

作为多相复合材料，Sentherm 导热聚合物的填料取向高度依赖成型工艺，并直接决定最终各向异性导热特性：

• 注塑成型：高剪切与喷泉流效应使片状填料沿流动方向与模面平行取向，面内导热显著提升，但厚度方向导热通路被削弱；

• 模压成型：剪切作用低，以厚度方向压实为主，填料取向更随机，厚度方向粒子接触更好，同时压力可减少空隙、提高致密度；

• 热成型：对片材进行双轴拉伸时，填料与聚合物链沿拉伸方向高度取向，反而强化导热网络，使材料在保持柔性的同时提升厚度方向导热系数。

Sentherm 多数配方面内导热系数为厚度方向的 3–5 倍。团队并未将各向异性视为缺陷，而是通过 CAD 与拓扑优化，沿高导热轴设计散热路径，集成加强筋、翅片等结构，将复合材料的各向异性转化为结构优势。

五、混炼与供应链：复合材料性能一致性的核心保障

在复合材料体系中，配方不等于最终性能。Sentherm 证实，完全相同的配方在不同混炼工厂加工，会因螺杆结构、停留时间、温度曲线、剪切强度、干燥脱挥效率、填料加入顺序产生可测量的导热性能差异。

因此，其技术逻辑不局限于基础配方，而是延伸至供应链工艺特性匹配与动态配方调整。高剪切与中剪切混炼对填料分散的影响、不同基体对剪切的耐受性、温度场对熔体与助剂分布的作用，都被纳入材料开发体系，与热固性复合材料“全过程决定最终性能” 的理念高度一致。

这也决定了 Sentherm 的商业模式：不只是销售改性粒子，而是提供从热需求评估、材料— 结构一体化设计，到聚合物生产与部件制造的端到端解决方案，避免将导热复合材料简单当作“黑色金属” 进行替代设计。

六、芯片散热验证：系统设计实现近铝级性能

在 5W 芯片散热对比验证中，传统方案与 Sentherm 导热聚合物呈现清晰差距：

• 铝材散热器（206.5 g）：芯片温度 46.3°C；

• 常规塑料散热器（95.6 g）：温度 148.2°C，热失效；

• Sentherm 导热聚合物（无设计优化，99.4 g）：55.2°C；

• Sentherm 导热聚合物（各向异性优化设计，159.9 g）：46.9°C。

最终方案在减重 29%的前提下，热性能几乎与铝材持平。这一结果印证：导热复合材料的突破，不依赖无限提高本体导热系数。从 0.3 提升至 1.0 W/(m・K) 可带来质变，而超过临界值后，继续提升导热系数收益递减。Sentherm 依靠各向异性调控与结构扩面，利用聚合物密度（1200–1600 kg/m³）远低于铝（2700 kg/m³）的优势，在不显著增重的前提下扩大散热面积，实现与铝材接近的散热效果。

团队同时指出，聚合物与铝材的热容量差异会影响瞬态热响应，在间歇高功率工况下，不能简单替换，必须进行针对性结构设计。

七、车载热管理落地：轻量化、集成化与全生命周期优势

铝质散热器与聚合物散热器的生命周期分析，假设铝材来自欧盟供应链且包含50%回收料。

现代汽车搭载 1000–3500 颗半导体芯片，电动车更高。功率电子、电机驱动、BMS、ADAS 等核心器件对热管理提出刚性需求。Sentherm 将导热聚合物用于电池间隔件，可将电芯热量导向冷板，总成重量降低最高 30%。某车载应用中，材料成本上升至铝材的 1.5 倍，但装配效率大幅提升，最终单件成本降至原方案的 80%，减重 24%。

与金属相比，导热聚合物可直接集成螺丝柱、卡扣、定位销等结构，省去紧固件与装配工时；在高压电池系统中，材料本征电绝缘，无需二次绝缘涂层。Sentherm 提供两类产品体系：

• 导电型：碳基填充，密度 1200–1300 kg/m³，成本更低；

• 电绝缘型：陶瓷基填充，密度 1500–1600 kg/m³，适用于高压绝缘场景。

面对车载数千次高低温循环，填料与基体热膨胀不匹配易引发界面失效。Sentherm 通过填料— 基体界面相容设计，使材料断裂伸长率超过 1.5%，显著优于同类导热聚合物，长期可靠性可通过安全系数保障。在循环利用方面，其材料可破碎再加工，多次挤出虽有轻微降解，但不影响回收再利用。

在碳足迹方面，独立评估显示，即便采用 50% 再生铝材，Sentherm 导热聚合物的隐含碳仍比铝材低 82.1%，具备显著低碳优势。

八、材料体系拓展：阻燃、长纤增强与多基体平台

目前，Sentherm 已在 PA6 体系中实现UL 94 V0 阻燃，同时保持 2 W/(m・K) 的厚度方向导热，且流动性与韧性良好，打破阻燃剂必然牺牲热 / 力学性能的行业共识。材料矩阵覆盖 PA6、PA66、PPO、PPA、PPS 等多种热塑性基体，可满足不同温度与环境工况需求。

团队近期重点开发长纤维增强导热复合材料，通过模压或包覆成型实现结构— 功能一体化。短纤维提供离散导热通路，长纤维构建连续传热网络，沿纤维方向强化导热，基体 — 填料体系承担横向传热，在优化热管理的同时提升力学性能。

Sentherm 导热聚合物的核心价值，并非简单复制铝材的导热能力，而是以先进复合材料的设计逻辑，重构热管理部件的材料— 结构 — 工艺 — 性能关系。它在实现 95% 铝材导热水平的同时，提供轻量化、设计自由度、电绝缘、耐腐蚀、低装配成本与低碳足迹等金属无法比拟的综合优势。

对于新能源汽车、动力电池与高端电子而言，这不仅是一种新材料，更是一套可规模化落地的金属替代解决方案，代表着热管理从“金属时代” 迈向 “高性能导热复合材料时代” 的重要方向。