中國粉體網(wǎng)訊  針對(duì)電子封裝對(duì)高導(dǎo)熱界面材料的迫切需求，探究石墨、碳纖維等碳基填料的表面處理技術(shù)，大幅度提升熱界面材料的導(dǎo)熱性以及填料與基材的界面結(jié)合性，最終實(shí)現(xiàn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)氧化鋁填料，替代國外進(jìn)口高端產(chǎn)品。以改性石墨和改性碳纖維等優(yōu)質(zhì)國產(chǎn)碳基高導(dǎo)熱填料向熱管理材料廠商提供高導(dǎo)熱、絕緣的高性價(jià)比產(chǎn)品，自己解決5G芯片散熱的卡脖子問題。

石墨烯圖片來源：pixabay

目前提高聚合物材料導(dǎo)熱率的方法主要有兩種，較為常用的方式是，往聚合物中加入高導(dǎo)熱填料。當(dāng)填料的添加量達(dá)到臨界值時(shí)，填料在聚合物基體中可以形成導(dǎo)熱通路，從而提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱率。

1導(dǎo)熱填料

目前最為常見的導(dǎo)熱填料按種類可分為三類，分別是陶瓷填料、金屬填料和碳基填料，這三類填料的導(dǎo)熱率都比基體要高出很多。表1列出了常用的導(dǎo)熱填料的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能。

表1部分導(dǎo)熱填料的導(dǎo)熱系數(shù)

2碳基填料

一般來講，我們所指的碳基材料包括碳纖維(CF)、碳納米管(CNT)、石墨烯(Graphene)、石墨(Graphite)以及金剛石(diamond)等。這些碳基材料本身的導(dǎo)熱系數(shù)都很髙，相比較于金屬或陶瓷填料而言，碳基材料也擁有著更低的質(zhì)量。

2.1碳纖維改性

通過表面改性技術(shù)來提高碳纖維的表面活性，強(qiáng)化碳纖維與基體材料之間的界面性能，改善了其與基體的粘結(jié)效果，從而提高纖維材料在工業(yè)應(yīng)用中的價(jià)值。

2.1.1涂層法

涂層法，是指在碳纖維表面涂覆一層聚合物、金屬粒子或無機(jī)非金屬及其復(fù)合物，目的是改變碳纖維的表面潤濕性，增加聚合物基體和碳纖維的相容性。表面涂層處理不僅參與形成纖維/基體間的界面相，減小復(fù)合材料制造過程中纖維/基體間的熱殘余應(yīng)力，而且可以減小應(yīng)力集中，使纖維表面性能平均化。

2.1.2等離子處理

等離子噴涂過程是一個(gè)高速碰撞沉積，將熔融或者半熔融狀態(tài)的材料噴涂到經(jīng)過預(yù)處理的基體上形成涂層的過程。等離子處理具有操作簡(jiǎn)單、工藝環(huán)保、對(duì)原絲的性能和力學(xué)強(qiáng)度破壞性小等優(yōu)點(diǎn)，已成為應(yīng)用較廣的一種研究方法。

2.1.3氣相氧化法

氣相氧化法是采用熱空氣、氧氣(O₂)、二氧化碳(CO₂)、臭氧(O₃)等氣體為介質(zhì)對(duì)CF進(jìn)行氧化處理，處理后CF比表面積和表面粗糙度增加，表面含氧官能團(tuán)的種類和數(shù)量也有所增加，從而提高CF增強(qiáng)復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能。

2.1.4其他方法

此外，液相氧化法、電化學(xué)氧化法、表面接枝法、能量束處理法、稀土處理法等都是有效的碳纖維改性手段。碳纖維改性技術(shù)的關(guān)鍵在于提高碳纖維與基體的結(jié)合程度，提高復(fù)合材料的性能。而隨著環(huán)境問題的日益突出，今后碳纖維表面處理技術(shù)的低成本化、綠色化和連續(xù)生產(chǎn)化將是重點(diǎn)研究方向。

2.2石墨烯改性

填料表面處理減小聚合物基體與填料之間的界面熱阻是增加聚合物復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的方法之一。

2.2.1表面接枝處理

采用諸如異氰酸酯、硅烷偶聯(lián)劑、有機(jī)胺、重氮鹽等試劑可以實(shí)現(xiàn)石墨烯的表面功能化。對(duì)單層石墨烯進(jìn)行功能團(tuán)接枝改性，這樣可以大幅度降低分子間的范德華力，不僅讓單層分散變的很容易，還可以提高與聚合物之間的相容性，可以制成分散均勻的石墨烯聚合物復(fù)合材料。

2.2.2表面等離子體處理，采用四氟化碳等離子體進(jìn)行處理。

2.2.3表面活性劑處理

如聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)、木質(zhì)素磺酸鈉(SLS)、聚乙烯醇(PVA)、聚氧化乙烯、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚丙烯酰胺等。

整體而言，導(dǎo)熱填料類型、加載量與形貌是影響聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)熱與力學(xué)性能的重要因素。要探究高導(dǎo)熱碳基填料的開發(fā)應(yīng)用技術(shù)，需要進(jìn)行全面且深入的專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)，除了了解上述概念性的知識(shí)和大致的改性技術(shù)，我們還需要對(duì)填料屬性和導(dǎo)熱技術(shù)有一系列準(zhǔn)確的認(rèn)知。

為了給大家提供一個(gè)專業(yè)的學(xué)習(xí)平臺(tái)，中國粉體網(wǎng)旗下粉體公開課平臺(tái)，將于9月23日在線上舉辦2021首屆導(dǎo)熱散熱粉體材料制備及應(yīng)用論壇。屆時(shí)，我們將邀請(qǐng)湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院韓飛副教授為大家作《電子封裝用高導(dǎo)熱碳基填料的開發(fā)應(yīng)用》專業(yè)報(bào)告，詳細(xì)講述高導(dǎo)熱碳基填料的專業(yè)知識(shí)和先進(jìn)技術(shù)。會(huì)議期間，每一位參會(huì)者都可以現(xiàn)場(chǎng)與老師一對(duì)一交流，解答相關(guān)疑問，千萬不要錯(cuò)過哦。

專家介紹

韓飛，湖南大學(xué)副教授，博士生導(dǎo)師，湖湘青年英才，新加坡國立大學(xué)博士后，斯坦福大學(xué)訪問學(xué)者。

從事功能型炭基材料的研究工作，在Angew.Chem.、Adv.Funct.Mater.、EnergyStorageMater.等國內(nèi)外權(quán)威刊物上發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇，授權(quán)發(fā)明專利10余項(xiàng)。

主持國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、湖南省人才創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目、湖南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、長(zhǎng)沙市科技計(jì)劃項(xiàng)目等多項(xiàng)重要科研項(xiàng)目。

參考來源

王金龍，等：填充型高導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料的研究進(jìn)展，西安工程大學(xué)

張金成，等：填充型聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料的研究進(jìn)展，杭州師范大學(xué)

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