学术综述｜高导热聚合物基复合材料研究进展
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天津大学智能电网教育部重点实验室、江苏亨通电力电缆有限公司的研究人员杜伯学、孔晓晓等，在2018年第14期《电工技术学报》上撰文指出，电子与电力设备的不断集成化、小型化及大功率化带来了越来越严重的发热问题，实现高效的散热成为提高设备性能和延长其使用寿命的重要手段。拥有优异的电气、力学性能及低廉的价格而广泛应用于各类电子与电力设备中的聚合物材料，则因此成为了未来高导热材料的研究重点。
在阐述聚合物材料微观导热机理的基础上，总结复合材料导热性能的影响因素（尤其是复合材料的界面特性）。特别地，针对目前广泛关注的微观导热结构设计的研究进展进行了重点描述。同时，综述高导热聚合物基复合材料的电气性能研究状况。最后，对未来应用于电子与电气领域的高导热聚合物复合材料的发展方向进行了展望。
当代电子与电力设备的集成化与大功率化使得设备尺寸、体积急剧缩小，功率密度不断增大，尤其是当下我国特高压交、直流系统的发展，由此带来的散热问题也越来越突出，已严重影响到设备的精度和使用寿命，成为设备持续缩小的技术瓶颈[1-6]。
近年来，国内外都出现了高压电气装备绝缘过早击穿现象，绝缘过早失效与电力设备的散热情况密切相关，过高的运行温度会加速绝缘材料的老化而缩短设备使用寿命[7-10]。越来越严重的散热问题对新材料的性能、可靠性及制造技术提出了严峻的考验。如何实现高效的散热成为制约下一代电子与电力设备发展的重要因素之一。
目前，凭借优异的电气绝缘性能、机械加工性能、轻质及低廉的价格而广泛应用于电子封装与电气绝缘领域的聚合物材料却往往具有很差的导热性能（Thermal Conductivity, TC），大部分聚合物热导率在0.1～0.5W/(mK)之间[11,12]，其已经远远不能满足日益增长的散热需求。因此，兼具高导热与优异绝缘性能的聚合物复合电介质材料成为新材料研究发展的一个挑战和热点[13]。
引入高导热填料制备聚合物基复合材料是目前广泛认同的提高材料整体导热性能的可行方法。导热填料的种类、大小、含量、表面形态及分布状态等均会对复合材料性能有明显影响，这也因此得到了广泛而深入的研究。新材料技术的发展及制备工艺的创新，对复合材料进行微观结构设计为开发新型高导热材料提供了思路。
本文在介绍聚合物材料微观导热机理的基础上，综述高导热聚合物基复合材料的研究进展，其中包括聚合物材料基体、填充颗粒及影响因素的研究状况。重点介绍目前广泛关注的聚合物基复合材料微观结构的设计方法。最后，总结复合材料的电气性能研究进展并对其发展方向及挑战进行了展望。
1 聚合物材料传热机理
宏观上，热量传递是由微观粒子的运动引起的。不同微观结构的材料导热性能也有所不同[14]。分子间的相互碰撞是热量在气体及液体中传导的主要方式，而固体材料中热量的传导并不是通过分子相互碰撞来实现，而是靠电子、声子及光子等导热载体实现，不同固体物质的主要导热载体不同[6]。
金属的导热载体主要是自由电子，自由电子不受束缚可以通过相互碰撞来实现热量的快速传递。而在无机非金属和绝缘高分子材料中，自由电子很少，电子相互碰撞进行热量传导的机理不能用来解释其内部的导热过程，其内部热量的传导是由晶格的振动实现的。量子理论中，通过对晶格振动进行量子化处理后，引入声子的概念来解释非金属晶体和绝缘高分子材料内的热传递过程，即声子的热扩散运动。
材料的散热能力与热导率直接相关。物质热导率的理论计算往往采用式（1）徳拜方程得出[14,15]。
（1）
由式（1）可以看出，声子的平均自由行程是物质导热能力的主要影响因素。无机非金属晶体因内部规则的晶体结构而具有较高的声子平均自由行程，热导率往往很高。而大部分聚合物材料分子结晶度较低，形成的晶体结构无序且较少，非晶区的存在加之材料制备中的缺陷会导致严重的声子散射，使得高分子聚合物材料内声子热扩散受到阻碍，自由行程变短，因此具有较低的导热性能[16]。表1列举了常见的聚合物材料在室温下的热导率。
表1 常见聚合物材料热导率（室温）
聚合物材料的微观结构组成决定了其导热性能的高低。大量非结晶区域的存在造成了导热载体声子的大量散射，因此可以采用特殊工艺在聚合物合成或加工成型过程中引入微观有序的分子结构来提高聚合物材料的热导率[17]。但该方法对于导热能力的提升有限且过程复杂。
而通过引入高导热微、纳米填料来制备聚合物基复合材料，使得填料在基体内可以形成高效散热的通路进而提高整个复合材料的热导率，这为解决电子与电力设备中的散热问题提供了新的思路。该方法凭借制备流程简单，成本较小，适合于工业化生产而得到了广泛应用和研究。本文主要研究该种填充型高导热复合材料。
2 高导热聚合物基复合材料研究现状
2.1 常用聚合物绝缘材料基体
用于电子与电气领域的聚合物绝缘材料自身必须具备优异的绝缘性能、化学稳定性、力学性能及易于加工成型。常用的材料主要有聚乙烯（PE），聚丙烯（PP），聚酰亚胺（PI），硅橡胶（SiR）及环氧树脂（Epoxy）等。
对于热塑性材料，其自身结晶度对复合体系导热性能影响很大。相同高导热颗粒填充情况下，结晶度高的聚合物拥有较高的热导率，如PE的热导率较PI，PMMA，PS等高；对于同种材料，低结晶度的LDPE基复合材料较HDPE基复合材料导热性能差[18]。这是因为高度有序的分子链排列（即较高的结晶度）会降低声子散射程度，从而使得热量能够迅速沿分子链平行方向传导而具有较高的热导率。
为了提高聚合物基体导热性能，利用特殊工艺包括机械拉伸、剪切、凝胶纺丝等方法，对聚合物本身进行处理同样可以提高材料导热性能。此外，聚合物基体侧链的存在同样会影响材料的导热性能。拥有较高结晶程度的PP热导率却很低，这是因为PP侧链甲基的存在加剧了声子的散射。
对于热固性材料，树脂的组成分子在微观上形成类晶结构后，能够提高材料微观结构的有序性，减小声子散射，从而在宏观上实现整体导热性能的提高。不同单体、固化剂制备的环氧树脂的热导率有明显不同[17]。同时，类晶区域的含量、大小以及晶区的取向都对材料整体热性能有显著影响。日本日立公司（Hitachi）通过控制分子结构的合成，使该树脂在微观层面形成具有类似晶体的结构，可以使环氧树脂的热导率提高5倍[19]。
2.2 高导热无机填料研究现状
高导热聚合物基复合材料的导热性能的提高很大程度取决于填充颗粒的选择。金属颗粒、石墨类材料（如石墨烯，单壁/多壁碳纳米管等）虽然具有很高的本征热导率而广泛应用于聚合物导热性能的提高[14,20]。但这些填料往往在改变导热性能的同时也改变了聚合物的电气绝缘性能，如导致极高的电导率、较高的介电常数而不能应用于研究兼具高导热、优异绝缘性能的聚合物基复合材料。
因此，绝缘领域更多关注的是具有极高本征热导率且良好绝缘性能的无机颗粒。目前为止，包括氧化铝、氮化铝、氮化硼及其纳米片、纳米管在内的无机颗粒成为电子与电气领域高导热聚合物基复合材料研究的重点[6,9]。表2列举了几种常用的无机颗粒的导热性能。
表2 常用高导热无机填料的热导率（室温）
氧化铝（Al2O3），具有较低的成本及较高电阻率而经常被选为填料使用[21]。虽然与其他颗粒相比，其本征热导率较低，但仍得到了广泛的研究与应用。文献[22]综述了作为导热绝缘填料的氧化铝的形态和表面处理及其在绝缘导热聚合物复合材料中的应用。一般而言，对于较高热导率的实现，氧化铝的添加量较高，且提升效果有限。
氮化铝（AlN），凭借其较高的导热性能及优异的绝缘性能[23]，同样也成为制备高导热聚合物复合电介质材料的一种无机填料。研究表明，体积分数为70%的AlN/环氧树脂复合体系热导率达到了4W/(mK)，更多详细的氮化铝/聚合物基导热复合材料最新研究进展可以在文献[24]中找到，本文不再赘述。
氮化硼（BN），尤其是六方晶型氮化硼（h-BN），拥有类似于石墨的层状结构，不仅热导率较高，而且拥有优异的绝缘性能（介电常数约为4.0，电阻率约为1015·cm），是目前为止最理想的绝缘导热填料。类似于石墨类材料的研究，近年来国内外学者对一维氮化硼纳米管（BNNTs）和二维氮化硼纳米片（BNNSs）的研究兴趣不断增加[25,26]。
类比于石墨烯，可以将微米氮化硼剥离到几nm到几十nm厚度从而制得BNNSs。图1[25]分别给出了h-BN的层状结构示意图及BNNSs在透射电子显微镜下的照片（图1c中左下角为电子衍射图谱）。而BNNTs则类似于碳纳米管（CNTs）。
研究表明，BNNTs具有理论上高达2 000W/(mK)的本征热导率[27]，远远高于传统无机颗粒。最重要的是，BNNSs与BNNTs拥有较高的禁带宽度（大约5～6eV，1eV=1.60×1019J），这保证了其优异的绝缘性能。可以预见，BNNSs与BNNTs将是未来导热填料发展的热点与方向。
图1 BN的层状结构
2.3 高导热聚合物基复合材料导热性能影响因素
聚合物基复合材料的导热性能受到各种各样因素的影响而呈现出不同的规律。填料的大小、形态、填充含量、在基体内的空间分布及取向均会对复合材料热导率有显著影响。复合材料导热能力的提升关键在于基体内形成的导热通路数目及稳定性。
当无机颗粒的添加量较少时，即使颗粒能够均匀分散在基体中，但颗粒之间并没有完全接触，热量传递时还需要通过热导率较低的基体，此时整个体系的热导率提高并不明显；随着无机颗粒的进一步添加，当填充量超过某一阈值（逾渗阈值）时，颗粒间有效接触，在基体内部形成了网状或者链状的导热通路，热量可以沿着无机颗粒形成的导热网迅速传递，此时复合体系的热导率会迅速升高。针对不同的影响因素，国内外研究人员作了大量的研究与工作[6,9]，而本文重点描述复合材料内形成的界面特性。
高导热颗粒与聚合物基体为两种具有不同特性的材料，不同材料的添加往往会在填料与基体，填料与填料间形成界面。研究表明，热流在通过界面时会受到阻碍，称之为热阻。热阻主要受以下三种原因影响：不同物质间的接触面积，不同物质的声子谱图的匹配程度以及两者的结合程度[28]。其中不同物质间的有效接触面积及结合程度决定的热流阻碍效果的大小称为接触热阻。
对于聚合物基复合材料，不同无机颗粒拥有与聚合物基体不同的表面态，当被引入聚合物基体时，基体与颗粒间的接触不平滑，结合强度较低，易形成缺陷，从而导致该处声子传递受阻。而声子谱的不匹配导致声子传导通过界面时发生的散射则称为界面热阻（卡皮查热阻），颗粒与基体的电子特性及振动特性的不同，使得即使接触很平滑的界面间也会存在声子散射。研究表明，通过表面处理改善填料与基体间的界面状态，可以在一定程度上提高复合材料的整体散热性能[29-33]。
硅烷偶联剂是常用于表面处理的方法之一。不同硅烷偶联剂对无机颗粒进行表面修饰可以有效地在无机颗粒表面引入不同基团，如环氧基，氨基等。引入的基团与聚合物基体间发生共价结合，使得无机颗粒与基体间有较为平滑的接触界面，大大降低了界面接触热阻，从而提高复合材料的热导率。需要注意的是，引入不同的基团对其热导率的改善效果也不尽相同，这是因为不同基团对不同基体的结合程度不同[29]。
同样地，对无机颗粒进行表面接枝，在其表面引入终端基团同样可以起到相同的效果[30]。而用于改善界面卡皮查热阻的方法相比改善接触热阻的方法较少，同时拥有高导热，优异绝缘性能的无机颗粒，声子谱很难做到匹配。但有研究表明，氧化石墨烯（GO）拥有与氮化硼相近的振动特性，可以用来改善相邻BNNSs颗粒间界面热阻，从而提高界面导热性能[31]。
除对高导热填料进行表面修饰提高界面相容性外。还可以通过在填料周围包裹其他材料来提高整个复合体系的导热性能。该种方法往往形成一个核壳结构，在内部的高导热粒子特性与包裹层性质的同时影响下，使复合材料具有更加优异的物理化学性能。Zhou Y.等用PI包裹AlN颗粒制备具有核壳结构的粒子，其制备过程如图2所示，制备得到该粒子填充到环氧树脂中，在质量分数为40%时热导率达到2.03W/(mK)，提高到将近10.6倍，介电损耗维持基本不变[32]，这得益于AlN的高导热特性与PI对环氧树脂的共价结合特性，使得复合材料拥有优异的综合性能。
图2 PI包裹AlN颗粒制备流程示意图
改善了银纳米线与环氧之间的界面性能[33]。在AgNWs@SiO2体积分数仅为4%的条件下，导热系数提高到1.03W/(mK)。更为重要的是，由于包裹层SiO2的绝缘性能，使得整个复合材料有望在电子封装领域使用。图3[33]给出了AgNWs@SiO2粒子的扫描电镜（Scanning Electron Microscope, SEM）图。
图3 AgNWs@SiO2的SEM照片
3 高导热聚合物基复合材料微观结构设计方法
复合材料导热性能的提升取决于填料在基体内形成的导热通路，使得热量可以沿着导热通路快速消散。常规的填充型高导热聚合物基复合材料制备时，填料的分布是随机的，必须在高含量下（逾渗阈值）方能有明显的热导率提升，然而这对于材料机械加工、电气绝缘及其他性能会产生负面影响。如果能够在材料制备过程中，有控制地实现颗粒的分布及网络的形成，将会大大有利于高导热聚合物材料的发展与应用。
目前，对聚合物基复合材料微观结构的设计有望实现“有目的”的构建导热通路，从而提高导热效率。主要的微观结构设计方法可以大体分为以下五种：导热颗粒的取向，混合填充法，双逾渗结构设计，夹层结构设计及自组装3D导热网络构建。表3列举了典型的高导热聚合物基复合材料微观结构设计方法。
3.1 高导热颗粒的取向
诸如BNNTs、BNNSs等一维、二维高导热填料往往具有各向异性的导热性能，其在某一个方向上
表3 典型的聚合物基复合材料微观结构设计方法
具有较高的热导率。在要求导热性能具有方向性的应用领域，可以通过填料的定向分布，使得在所需方向上复合材料拥有较高的热导率。目前应用于高导热聚合物材料内填料取向的方法主要有机械剪切、外加磁场及外加电场等方法。
机械剪切法利用材料制备过程中振动剪切作用使得高导热填料能沿剪切方向定向排列。一方面，这使得颗粒间容易接触并形成导热通道；另一方面，机械作用使得填料与基体可以更好的相互融合，从而整体提高复合材料沿剪切方向的热导率。Kuang Z.等将BNNSs分别加入弹性体硅橡胶（SiR）与天然橡胶（NR）中，通过在双辊机上对复合材料的振动剪切作用对BNNSs进行取向，结果表明，经过剪切取向的BNNSs/SiR复合材料和BNNSs/NR在相同BNNSs含量下沿剪切方向都具有较高的热导率[35]。
对导热颗粒进行一定处理使得其拥有特殊的物理性质，使得其在外施场作用下有取向性的方法同样被广泛研究用于聚合物基复合材料的制备中。Cho H. B.等采用化学气相沉积法在BN粒子表面沉积氧化铁纳米粒子，然后再将其加入聚硅氧烷的过程中对其施加外磁场，诱导BN取向，结果发现平行于磁场方向的聚合物热导率明显高于其他方向，磁场取向示意图如图4所示[48]。
这表明，经过处理后的BN颗粒在磁场作用下会进行取向分布，颗粒在基体内不再是随机的接触组成导热通路，而是有方向性的定向排列，大大提高了导热通路形成的效率，从而提升材料导热性能。同样地，可以通过外施电场的作用使得颗粒沿电场方向分布，研究表明，电场取向同样可以提升聚合物基复合材料的热导率[39]。
图4 利用磁场进行取向的示意图
通过对高导热颗粒的取向可以使复合材料在取向方向上具有较高的热导率。但是该种方法在实际应用中存在一定的局限性：通过机械剪切作用制备复合材料时，如何保证剪切方向与设定高导热的方向一致非常重要；对于外施场作用取向方法，制备过程中颗粒必须在基体中拥有一定的活动能力，即基体必须拥有流动性，因此该种方法较少应用于聚烯烃及橡胶类等聚合物基复合材料的制备。
3.2 混合填充
将不同种类、大小、形状的导热填料混杂填充能够充分利用各组分材料的性质，从而得到更加优异性能的复合材料。混合填充不仅有利于粒子间配合形成更多的导热通路，而且有望减少整体的颗粒填充量。
不同粒径颗粒的混合填充体系利用填料不同大小尺寸的相互配合，增加导热颗粒间相互接触的几率。Du B. X.等分别将微米、微纳米混合BN填充到聚乙烯基体内，发现相同总体含量下混合填充较微米填充有较好的导热性能，这是因为复合材料内微米材料可以作为导热网络主结构而纳米材料填补微米间的空隙，从而增加导热链的形成[49]。
不同形状及不同类型的颗粒之间的混合填充则充分发挥了各组分的协同作用，综合调控复合材料的各项性能。研究发现，使用体积分数为30%的BN与1%的多壁碳纳米管（MWCNT）填充环氧树脂，复合材料的热导率能提高近743%[50]。Su J.等将一维BNNTs与二维BNNSs填料混合加入环氧树脂体内，使得该复合绝缘材料不仅具有更高的导热性能，同时具有良好的电绝缘性能[42]。
在质量分数为2%的条件下，环氧树脂的热导率就提高了将近2.5倍，这使得低含量下提高聚合物基复合材料的热导率成为可能。其原理可以由图5[42]解释，BNNSs的分布沿平面方向，使得一个方向上导热性能较好，但垂直于面内方向相互之间导热连接性较差，而BNNTs的加入可以纵向上对其网络进行连接，从而提高网络形成的效率，进而提高整体材料热导率。
图5 BNNTs/BNNSs网络示意图
混合填充体系的引入，使得不同种类、大小及作用的颗粒可以协同作用，综合提高复合材料性能。但是，如何选择合适的混合体系需要经过不断的积累与尝试，多种颗粒的混合及协同作用机理还需要进一步的研究与探索。
3.3 双逾渗结构设计
双逾渗结构最早应用于导电材料的设计中，用来降低整体填充颗粒的含量。应用于高导热复合材料的双逾渗结构设计的思路基本与导电材料设计相符：将填料引入到两种不同聚合物的共混物中，通过制备工艺使得粒子有选择性的分布于其中一种聚合物中，从而实现在低含量下的高性能材料的实现。
Zhang D. L.等尝试将BNNSs加入了苯乙烯嵌段共聚物（SEBS）/聚丙烯（PP）共混物中制得了SEBS/PP/BNNSs三相双逾渗纳米复合材料，从而在复合材料内构建了导热网络[43]。三相双逾渗纳米复合材料的制备流程如图6[43]所示。BNNSs有选择性的分布于SEBS中，而PP基体作为连续相。结果发现复合材料的直流击穿强度及空间电荷抑制效果都有明显提升。
此外，导热性能由0.42W/(mK)提高到了1.38W/(mK)。类似的研究同样发现，通过控制MNCNTs与碳化硅（SiC）粒子有选择的分布于聚偏氟乙烯（PVDF）中，可以使得PVDF/PS复合材料拥有了较高的热导率及电阻率[51]。
图6 三相双逾渗纳米复合材料制备过程
得益于双逾渗结构的形成，高导热粒子可以选择性的分布于共混物的一相中，在提高热导率的同时有效地较低了颗粒填充含量。合适的共混体系有望应用于电子与电气领域的材料制备中。
3.4 夹层结构设计
考虑到微米颗粒对于导热性能的贡献，纳米颗粒对电气性能的提高，一种创新的导热夹层结构为实现兼具高导热与电气绝缘提供了可能。最近，Wang Z.等设计了一种夹层结构的环氧复合材料，将体积分数为3%的纳米氧化铝填充的环氧夹在两层微米（质量分数为70%）填充环氧树脂中间，制得的复合材料拥有良好的导热性能及电气性能[45]。
其原理主要是，微米填充层提高材料的热导率而纳米层用来提高材料的电气绝缘强度。其材料结构示意图及SEM照片如图7[45]所示。该结构在一定程度上有利于聚合物复合电介质导热性能的提高，但结构的优化设计，如微米层厚度的选择等，还需要进一步的研究。
图7 夹层结构环氧树脂复合材料
此外，在夹层结构的设计中，微米层与纳米层之间不可避免地会引入界面，热流从一侧微米层如何有效经过导热效率较低的纳米层传导到另一侧微米层，其微观导热机理还需要进一步研究。
3.5 自组装3D导热网络的构建
聚合物基复合材料导热性能的提高关键在于材料内部导热通路及网络的形成。通过制备过程中外力及场作用的颗粒取向，混合填充的协同作用，甚至双逾渗结构的设计往往还是无法实现高效率的“人为控制”导热通道形成。为了实现整个材料各个方向上导热性能的提高及填充含量的降低，可以在材料制备前对导热网络进行构建，将导热网络及聚合物基体进行组装从而实现整体材料导热性能的提高。
Zeng X.等采用了一种Ice-Templated的组装方法在环氧树脂基体内形成了3D-BNNSs网络来提升整体复合材料的导热性能[46]。该方法首先利用各向异性的冰冻成型法形成3D-BNNSs气凝胶，然后对其进行环氧浸渍成型。SEM照片显示复合材料内部形成规则的树形或蜂窝状分层结构，表明材料内部已经形成了导热通路，BNNSs网络间更小的界面热阻提高了传热效率。测量结果显示，在BNNSs体积分数不超过10%的情况下，热导率就可以提高近14倍。与此同时，材料具有较低的热膨胀系数和提高的玻璃化转换温度。
同样地，采用溶胶凝胶法及冰冻成型法制备的以纤维为骨架，BNNSs为导热填料的3D-BNNSs气凝胶，在用环氧树脂浇注固化后的复合材料具有超高的导热性能[47]。在BNNSs体积分数仅为9.6%时,热导率可以达到3.13W/(mK)。此外，复合体系还具有良好的绝缘性能，这对于高导热聚合物材料在电子、电力领域来说是非常重要的。
自组装高导热复合材料的制备可以实现材料内部导热网络的设计及构建，是提高材料导热性能的一种有效的方法，但目前该种方法制备过程复杂，难度较大，简便的制备方法还需进一步探索。
4 高导热聚合物复合电介质电气性能研究现状
目前，针对高导热聚合物基复合材料的研究大多集中在材料和化学领域。然而应用于电子封装、电气设备领域的聚合物复合电介质首先需要保证的是良好的电气绝缘性能。为此应用于该领域的高导热聚合物基复合材料的电学性能也受到了越来越多的关注。
传统高导热填料的引入往往对聚合物材料本身的结构产生影响。填料与基体间一般具有不同的物理化学性质，使得复合材料具有与基体不同的电气性能。无机填料一般有高于聚合物的介电常数及低于聚合物的电阻率，这将导致应用于电子与电气领域的复合材料内部场强分布的不均匀及介电强度的改变。此外，大量的无机颗粒的引入（尤其是微米颗粒的引入）可能会带来微观结构上的缺陷。这都是未来高导热聚合物基复合材料制备研究需要考虑的。
值得注意的是，近年发展迅速的聚合物基复合材料微观结构设计似乎可以有效解决上述矛盾。Su J.等采用BNNTs与BNNSs混合填充的高导热环氧树脂复合材料电阻率有明显的提升如图8所示[42]。文献[43]中制备的三相双逾渗纳米复合材料直流击穿强度及空间电荷抑制效果都有明显提升，成功地解决了高导热与高电绝缘性能材料的制备。
同样地，夹层结构的环氧树脂在外层微米质量分数为70%和内层纳米质量分数为3%的情况下，电气击穿强度较纯环氧树脂提高了6.3%[45]。越来越多的研究结果表明，兼具高导热及优异绝缘性能的聚合物复合电介质的制备可以通过设计其微观结构来实现，这也为今后的研究方向提供了思路。
图8 BNNTs/BNNSs/环氧复合体系电阻率变化
此外，考虑到固体绝缘材料在经受表面放电时会产生大量的热，热量的积累会加速材料老化、破坏，而高导热聚合物复合电介质的制备有望增强绝缘材料的耐电痕特性。Du B. X.等对此进行了一系列的深入研究，结果发现，聚合物材料导热性能的提高有利于材料表面散热，提高了材料的耐电痕破坏能力[52-54]。
本文从高导热聚合物复合电介质的微观传热机理入手，对复合电介质基体、填充颗粒及影响因素展开综述，着重介绍了高导热聚合物复合电介质的微观结构设计。最后，对其电气性能研究现状进行了总结。
聚合物材料的热传导主要是通过声子进行，而聚合物材料的微观无序则会造成声子散射而导致其具有较低热导率。引入高导热无机颗粒可以有效提高聚合物材料的热导率，复合体系的导热性能不仅与材料基体结构有关，还受到填料类型、大小、形状、填充含量、在基体内的空间分布及界面特性等因素的影响。
聚合物基复合体系热导率的提升主要是在材料内部构建高效的热传导网络，因此，通过对复合材料微观结构的设计可以实现材料导热性能的显著提高，与此同时，对复合体系电气性能的研究发现，良好的微观结构设计会提高聚合物复合电介质的电气绝缘性能。
虽然目前的研究已经取得了重大突破，但仍面临一些重要的挑战与难题，这也将成为未来聚合物复合材料研究的发展趋势：
1）高导热聚合物复合材料的实现依旧是凭借较高含量的粒子填充来实现。高导热填料及复合材料制备的高昂价格限制了高导热聚合物复合电介质的推广应用，如何实现低填充含量下，兼具高导热、优异绝缘性能的材料仍需要进一步研究。
2）对复合体系的性能研究目前还主要局限于热导率及基础电气参数的测量，应用于电气领域的聚合物材料还需经受复杂的电磁热机运行条件。因此，依据具体应用场合对材料综合性能进行评估可以为材料进一步实际应用提供可能。
3）聚合物基复合材料微观结构的设计目前还停留在实验室制备阶段，材料的合成过程复杂，成本较高，如何实现简便大量的制备是当下面临的重大挑战；而且，针对不同的聚合物材料，采用的结构设计方法也不尽相同，根据聚合物基体性质进行相应设计是必要发展趋势。
4）其他创新的新材料制备方法还需进一步探索。