1 、 Che cos'è il riempitivo conduttivo termico?
Il riempitivo conduttivo termico è un materiale funzionale aggiunto ai materiali a matrice come materie plastiche, gomma, adesivi, ecc. Per migliorare la loro conduttività termica. Migliorano significativamente l'efficienza della conducibilità termica dei materiali compositi formando percorsi o reti di conduzione termica e sono ampiamente utilizzati nella dissipazione del calore del dispositivo elettronico, l'illuminazione a LED, lo stoccaggio di energia, l'aerospaziale e altri campi.
Il meccanismo dei riempitivi conduttivi termici raggiunge principalmente un efficiente trasferimento di calore formando canali conduttivi termici, migliorando il trasferimento di fononi e la conduzione di elettroni. Ecco i meccanismi specifici:
Formazione del percorso di conduzione termica
Il riempitivo forma canali di conducibilità termica continua nella matrice polimerica, attraverso i quali viene trasmesso il flusso di calore, bypassando le aree di resistenza termica elevata della matrice. Quando il contenuto di riempimento è basso, la loro distribuzione casuale rende difficile formare percorsi efficaci; All'aumentare del riempitivo, entrano in contatto tra loro per formare una catena o una struttura di rete, migliorando significativamente la conducibilità termica.
Miglioramento della conduzione dei fononi
Materiali non metallici come carburo di silicio e nitruro di alluminio trasferiscono il calore attraverso vibrazioni reticolari (fononi). Maggiore è la conduttività termica del riempitivo (come il nitruro di boro che raggiunge 320 W/(m · k)), maggiore è l'efficienza del trasferimento di fononi e più significativo è il miglioramento della conduttività termica del materiale composito.
Sinergia di conduzione elettronica
I riempitivi conduttivi parziali (come rame e argento) conducono calore attraverso elettroni liberi. Questo tipo di riempimento non solo migliora la conduzione di fononi, ma può anche formare un effetto sinergico con conducibilità termica con fonone elettronico, migliorando ulteriormente l'efficienza.
Effetto soglia critica
Quando la quantità di riempitiva aggiunta raggiunge il valore critico (soglia di percolazione), si forma improvvisamente una via di conducibilità termica e la conducibilità termica aumenta significativamente. Questo fenomeno è più pronunciato in elevati riempitivi di conducibilità termica come nanotubi di carbonio, ma la sua applicabilità a riempitivi convenzionali come l'allumina è limitata.
2. Tipi di riempitivi conduttivi termici
L'allumina sferica è il riempitivo conduttivo termico più lungo e più comune, con un coefficiente di conducibilità termica tra 20-40 W/M · K. È relativamente semplice da applicare, facile da disperdersi e non facile da agglomerato. Ha prestazioni di isolamento relativamente buone, una buona flusso ed è conveniente per un elevato riempimento. La sua struttura isotropica riduce lo stress interno della matrice (come la resina epossidica) per evitare il crack. Allo stesso tempo, il costo dell'allumina sferica è relativamente basso, quindi è ampiamente utilizzato in vari materiali di interfaccia termica ed è attualmente il riempitivo termico più comunemente usato nei materiali di interfaccia termica
Il nitruro di boro è un cristallo composto da atomi di azoto e boro. La composizione chimica è del 43,6% di boro e azoto al 56,4%, con quattro diverse varianti: nitruro di boro esagonale (HBN), nitruro di boro romboedrico (RBN), nitruro di boro cubico (CBN) e nitruro di boro di Wurtzite (WBN).
La conduttività termica del nitruro di boro è compresa tra 30-400 W/M · K. Il nitruro di boro non ha solo un'alta conducibilità termica, ma anche eccellenti prestazioni di isolamento, ed è spesso utilizzato in applicazioni che richiedono sia conducibilità termica elevata che un buon isolamento; Tuttavia, rispetto all'allumina, il suo costo è ancora relativamente alto. Attualmente, è utilizzato principalmente in combinazione con allumina per materiali di interfaccia termica, con una quantità di addizione di circa il 10%.
Il nitruro di alluminio (ALN) è un riempitivo conduttivo termico ceramico ad alte prestazioni con vantaggi come l'alta conduttività termica, l'alto isolamento (resistività> 10 ¹⁴ω · cm) e un coefficiente di espansione termica bassa (4,5 × 10 ⁻⁶/k). È ampiamente utilizzato in imballaggi elettronici ad alta potenza, substrati a LED, moduli di comunicazione 5G, materiali di dissipazione del calore aerospaziale e altri campi. La conduttività termica del nitruro di alluminio è di circa 170-200 W/M · K. Sebbene il nitruro di alluminio abbia prestazioni complessive migliori rispetto all'ossido di alluminio, all'ossido di berillio e al carburo di silicio, ed è considerato un materiale ideale per i layi di idroelementi, che è considerato un materiale di idroelesso, a ridere in un semiconduttore a semiconduttore integrato. Film di idrossido di alluminio che copre la sua superficie, che interrompe il percorso di conducibilità termica e colpisce la trasmissione dei fononi. Il suo elevato riempimento di contenuti aumenterà notevolmente la viscosità del polimero, che non è favorevole allo stampaggio e alla lavorazione.
① Alta conducibilità termica: il carburo di silicio ha un coefficiente di conducibilità termica elevata (circa 80-120W/m · K, a seconda della purezza e del tipo di cristallo). Adatto come riempitivo conduttivo termico per migliorare le prestazioni di dissipazione del calore di materiali compositi a base di polimero o metallo.
② Coefficiente di espansione termica bassa: buona compatibilità con materiali a semiconduttore (come il silicio), può ridurre lo stress termico ed è adatto per l'imballaggio elettronico.
③ Stabilità chimica: resistenza ad alta temperatura, resistenza alla corrosione, resistenza all'ossidazione e prestazioni stabili in ambienti estremi.
④ Isolamento: il carburo di silicio ad alta purezza è un isolante elettrico (con contenuto di impurità controllata), adatto alle esigenze di isolamento e dissipazione del calore dei dispositivi elettronici.
Il grafene ha un'eccellente conduttività termica. La conduttività termica del grafene a strato singolo libero difetto puro è alta quanto 5300 W/MK e, se utilizzata come vettore, la conduttività termica può anche raggiungere 600 W/Mk.
I nanotubi di carbonio possono essere visti come fogli di grafene arrotolati e possono essere divisi in nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT) e nanotubi di carbonio a più pareti (MWCNT) in base al numero di strati di grafene. Quando si formano tubi a più pareti, gli strati tra loro diventano facilmente centri di trappole, catturando vari difetti. Pertanto, le pareti dei tubi a più pareti sono generalmente riempite con un piccolo foro come difetti. Rispetto ai tubi a più pareti, i tubi a parete singola hanno un intervallo di distribuzione inferiore di dimensioni del diametro, meno difetti e una maggiore uniformità. Il diametro tipico di un tubo a parete singola è 0,6-2 nm, mentre lo strato più interno di un tubo multiplo può raggiungere 0,4 nm e il più spesso può raggiungere diverse centinaia di nanometri, ma il diametro tipico è di 2-100 nm.
La conduttività termica assiale dei nanotubi di carbonio è molto elevata. Possiamo usare questa caratteristica per organizzarle in modo ordinato e distribuito verticalmente nel materiale di interfaccia termica, che può migliorare notevolmente la conduttività termica longitudinale del materiale di interfaccia termica.
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