摘要：美国海军正在寻求导热系数达到希望能达到1200W/mK的热界面材料，这对热管理专业人士是一个热门话题，无论在材料研制和导热性能测试方面都是一个挑战。
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1. 简介
美国国防部（DoD）于2017年发布的第一个小型企业创新研究（SBIR）公告已经出炉，由美国海军提出的主题N171-081“用于储能设备和其它电子元件的高性能热界面材料（TIMs）”，以寻求导热系数和其他性能指标提高多个数量级的TIMs，这对热管理专业人士是一个热门话题。
正在开发的海军舰船用储能系统预计将以高充放电率和高负荷周期运行，这将给热管理技术带来严峻挑战。维持狭窄区间内电池温度变化对于舰船电源系统的性能和电池寿命至关重要，温度升高会导致循环寿命降低，并可能对电池造成安全隐患。电池中的温度梯度也可能导致其运行在不稳定状态。海军所用电池通常放置在热沉结构中，其中电池单元和热沉之间的热接触必须最小化，以确保有效的热管理解决方案。
SBIR寻求新型绝缘和高导热TIMs，这就要求TIM必须承受振动和磨损，并且便于对电池模块进行维护，TIM不能形成永久性粘合，即可维护性是主要要求之一。TIM还必须适应不规则间隙宽度和/或不规则夹紧力，该材料必须是不易燃无毒，并且要求在作业过程中不得配备任何人身安全装备（手套、面罩、呼吸器等）。
2. 热界面材料（TIMs）现状
热界面材料的关键性能是热阻和导热系数，请看下图所示不同材料的导热系数比较图。
如上图所示，目前大多数最先进TIMs的导热系数基本都是个位数，为了实现TIMs几个数量级的改进，更高导热系数的材料如金刚石和石墨烯将需要注入到TIM中。
3. 海军正在寻找什么
美国海军首次宣布的三阶段新型热界面材料开发的努力旨在用于其军事化电池模块，由小企业开发的TIM必须满足TIMs所有特征的改进：
（1）坚固性以满足振动和磨损要求
（2）非永久性粘接性（可维护性）
（3）高介电强度
（4）高导热性
在考虑到上述挑战时，SBIR所征集寻求的热界面材料需具有无与伦比的热性能。有趣的是，对各种先进材料（如纳米材料、相变材料和复合材料等）的使用SBIR表示鼓励但并不需要！材料选择中使用的相关指标如下：
（1）传热面积（单电池单元）：8平方英寸至60平方英寸
（2）每个电池模块中单元数量：12～48
（3）电池单元表面热流密度：3～7kW/ m2
（4）热沉材料和粗糙度：铝，机加工
（5）标称温度：40～70℃
（6）最高温度：150℃
（7）跨单电池单元的间隙和接触压力：可能范围从50毫英寸间隙对于100 psi接触压力（如果可能，允许更大间隙尺寸）
（8）传热系数：阈值2000W/(m2K），目标：5000W/(m2K）。
（9）电气绝缘等级：阈值2000V，目标5000V
（10）易燃性：符合ASTM D1000和UL 94等塑料材料的公认标准。对于其他材料类型应采用类似标准。
（11）抗机械冲击性：参见MIL-S-901D
（12）抗振性：参见MIL-STD-167-1A
（13）运输性和其他环境兼容性：请参阅MIL-STD-810G
在第一开发阶段，小企业先确定出一个或多个热界面材料用于在第二和第三阶段的预期开发。小企业需要通过测试来证明所做的分析和选择的可行性，以此来探索如何达成既定目标。第一阶段的重点是传热系数、电绝缘性、抗振/耐磨性、符合不规则间隙、制造成本以及对其他军事或工业客户的适销性/过渡性。
在第二开发阶段，小企业需要进一步开发第一阶段确认和选择的热界面材料。在此阶段需要生产原型材料，并可能需要对材料成分或制造技术进行迭代。原型材料将根据海军规程进行测试以确保合适的测试条件。
在第三阶段，小型企业需要与海军和适用行业合作伙伴合作，以展示由海军指定的经历高速运行的电池模块用热界面材料。
从以上海军对热界面材料的要求中可以看出，非常有趣的是导热性能要求。在上述阈值和目标值范围内，对于0.050in间隙和8in2区域，要求具有从500W/mK到1200W/mK的等效导热系数。毫无疑问，在这些导热系数范围内的TIMs填料将需要碳基材料，但为了使电绝缘的TIM具有非常高的导热性肯定是需要一些聪明才智！
美国海军对热界面材料高导热性要求，还提出一个严峻的挑战就是如何准确测量厚度在50毫英寸、压力在100 psi的超高导热系数。现有最先进的热界面材料导热系数基本都在10W/mK以下，采用的方法多为恒定热流法（ASTM D5470）、瞬态平面热源法（ISO 22007-2:2008）或激光闪光法（ASTM E1461），这些方法都已经无法满足一定压力下超高导热系数（或超低接触热阻）的准确测量，还需要开发新型测试方法和设备才能保证新型热界面材料的研制、生产和质量控制。
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