中國粉體網(wǎng)訊 熱界面材料不僅廣泛用于電子設(shè)備的散熱，在5G通訊、新能源汽車等方面的需求也日益增多，此外在軍事裝備和航空航天領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。
作為一類導(dǎo)熱材料，導(dǎo)熱性能自然是熱界面材料最重要的技術(shù)指標。常用的熱界面材料主要為填充型，主要是通過在聚合物基體中填充高導(dǎo)熱的填料制備而成。
通常情況下，聚合物基體的固有熱導(dǎo)率都比較低（約為0.2W/(m·K)），因此，熱界面材料的導(dǎo)熱性能往往由填料說了算。
種類不同，導(dǎo)熱能力不同
常用的導(dǎo)熱填料主要可以分為：金屬類導(dǎo)熱填料，碳材料類導(dǎo)熱填料，無機導(dǎo)熱填料。
常見導(dǎo)熱填料的導(dǎo)熱系數(shù)
金屬都具有良好的導(dǎo)熱性，導(dǎo)熱系數(shù)較高，是一類常用的導(dǎo)熱填料。常用的金屬類導(dǎo)熱填料主要包括金粉、銀粉、銅粉、鋁粉、鋅粉、鎳粉以及低熔點合金。
碳材料通常具有極高的導(dǎo)熱系數(shù)，比金屬填料的導(dǎo)熱性還要好。添加的碳填料的固有導(dǎo)熱性是決定碳基聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)熱性最重要的參數(shù)之一。常用的碳材料有石墨、碳納米管、石墨烯、膨脹石墨、碳纖維和炭黑等。其中碳納米管的導(dǎo)熱系數(shù)為3100-3500W/(m·K)，石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)為2000-5200W/(m·K)，是熱管理應(yīng)用的有希望的候選者。
陶瓷填料不僅具有良好的導(dǎo)熱性，而且具備比較低的導(dǎo)電性，是目前應(yīng)用最為廣泛的填料。常用的陶瓷填料主要有氧化物類和氮化物類兩種。氧化物類包括Al2O3、ZnO、MgO等；氮化物類包括：AlN、BN等。
形狀不同，導(dǎo)熱能力不同
導(dǎo)熱填料有球形、不規(guī)則形狀、纖維狀和片狀等各種形狀。與零維材料相比，具有超高長徑比的一維材料(例如，碳納米管、碳纖維等)和二維材料(例如，石墨烯、六方氮化硼和片狀氧化鋁等)可以在填料與填料之間形成較大的接觸面積，為聲子的傳遞提供了更廣闊的通路，降低了界面接觸熱阻，有利于體系中導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。然而，由于球形填料在高填充時，不會導(dǎo)致黏度的急劇增加，在工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛。
不同形貌的Al2O3的SEM圖
尺寸不同，導(dǎo)熱能力不同
導(dǎo)熱填料的尺寸也會對導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能有顯著影響。
當填料為單一尺寸時，填充量相同時，大粒徑填料填充的復(fù)合材料的導(dǎo)熱率往往比小粒徑填充的復(fù)合材料的導(dǎo)熱率高，這是因為大顆粒之間的界面接觸較少，界面熱阻較低。然而，粒徑也不能過大，否則，填料之間不能形成密堆積，不利于導(dǎo)熱通路的形成。
不同尺寸導(dǎo)熱填料顆粒級配示意圖
目前，行業(yè)上多采用不同粒徑的填料搭配使用，以獲得較高的導(dǎo)熱率。選用不同尺寸的顆粒作為混合填料填充到基體材料中，大顆粒構(gòu)成主要的導(dǎo)熱通路，將小顆粒填充到大顆粒間的空隙中以形成更為豐富的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的提高。
填充量不同，導(dǎo)熱能力不同
當填充量不足時，填料分散在基體中，為孤立存在的狀態(tài)，不能形成連續(xù)地導(dǎo)熱通路，此時復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能的提高主要依賴于導(dǎo)熱填料的增加。當高于逾滲閾值濃度，導(dǎo)熱填料在基體中形成具有高導(dǎo)熱率的連續(xù)滲透結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著填料含量的增加而呈指數(shù)性地增加。當導(dǎo)熱填料填充量高于60-70vol.%，導(dǎo)熱填料在基體中形成連續(xù)豐富的熱傳導(dǎo)路徑。
高填充量在基體中形成導(dǎo)熱通路示意圖
然而，高的填充量會導(dǎo)致成本的增加、質(zhì)量的增加和力學(xué)性能的降低，這些都會降低電子設(shè)備使用性能。因此，我們需要研發(fā)高性能的復(fù)合材料，在低填充量的前提下，實現(xiàn)高導(dǎo)熱，以滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要。
表面改性程度不同，導(dǎo)熱能力也不同
界面熱阻一部分來源于界面引起的熱流阻擋，是由于復(fù)合材料中兩個組成相之間的機械或化學(xué)不匹配造成的。界面熱阻的另一個來源是導(dǎo)熱填料與基體之間不完美的物理接觸和弱界面粘合。為了解決界面熱阻的問題，填料的表面化學(xué)功能化被認為是一種有效的方法。填料的表面化學(xué)官能化可形成共價橋鍵，從而改善界面粘附性，通過互連顆粒-樹脂和顆粒-顆粒界面，可使界面聲子散射最小化。為了提高聚合物復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，表面處理已應(yīng)用于不同的填料，如氮化硼納米管，石墨烯等。導(dǎo)熱填料可以通過使用不同的試劑如丙酮，胺，硝酸，硫酸，硅烷等進行官能化。
純度不同，導(dǎo)熱能力也不同
以往，我國廠商生產(chǎn)的熱界面材料無法媲美國外廠家，原材料(如有機硅、氧化鋁、鋁和氮化鋁)純度不夠是其中一大因素。
填料中的雜質(zhì)不但會對導(dǎo)熱界面材料電氣性能產(chǎn)生影響，而且對工藝性能也有一定影響。
參考來源：
[1]朱晴.高導(dǎo)熱熱界面材料的制備及其導(dǎo)熱性能研究
[2]孟凡成.導(dǎo)熱界面材料的制備與性能研究
[3]李建忠等.導(dǎo)熱界面材料及導(dǎo)熱填料Al2O3的技術(shù)研究
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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