無機填料之間共價鍵結合TIMs導熱性能的方向

文章出處：行業動態責任編輯：東莞東超新材料科技有限公司發表時間：2023-03-01

　　隨著現代電子設備朝著小型化、高功率密度、高集成化方向發展，電子器件的散熱問題成為了影響設備使用壽命和性能的關鍵，特別是在5G領域尤為突出，為此，需要更好的熱管理方案來解決這一問題。通常而言，電子器件產生的熱量需要傳遞到散熱器表面，而將熱界面材料（TIMs）填充于電子器件和散熱器之間可以最大限度的提升傳熱能力。

無機填料在聚合物復合材料中主要起到增量、增強和賦予功能等作用。
　　（1）增量：添加廉價的無機填料以降低制品的成本，降低聚合物用量。
　　（2）增強：提高聚合物基復合材料，如塑料、橡膠的力學性能（彈性模量、抗壓強
　　度、沖擊強度、耐磨性等）。
　　（3）賦予功能：無機填料可賦予聚合物基體自身沒有的一些特殊功能，如阻燃性、導電、抗菌等。此時，無機填料的化學組成，光、電、熱等性質起到重要的作用。

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TIMs主要由有機基體和無機填料組成，因此，TIMs的整體導熱能力將由聚合物和無機填料的導熱能力、聚合物和無機填料的界面熱阻、無機填料接觸面之間的界面熱阻共同決定。導熱率主要由電子或/和聲子決定，而目前廣泛的介紹只停留在宏觀導熱材料的制備和熱導率的表征方面，有關導熱率的解釋主要集中在無機填料粒徑分布、填料搭配構筑導熱通路和粉體填充率大小方面，而對于微觀機制電子和聲子的介紹很少。因此本文簡要介紹了TIMs中的導熱機制，并從機制出發介紹了可供提高TIMs導熱性能的方向。

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01 電子和聲子的熱傳導

電子導熱主要發生在導電性導熱材料中，當這些材料所處環境失衡，電子將會從高溫向低溫擴散，產生相應的電流和熱流，即發生電子導熱。而在介質和非導電性聚合物中，導熱通常是聲子導熱，當這類材料一側受熱，材料的晶格發生震動，而后相應的震動傳遞給相鄰的原子導致熱流在材料中傳遞，通常我們遇到的TIMs就是這一類。作為TIMs的組成部分，無機非金屬填料晶格分布較為規則，聲子可以沿著晶格方向傳播，往往表現出優異的導熱性能；而在另一重要組成部分高分子聚合物中，高分子鏈相互糾纏，對高速運動的聲子并不傳導，而這些聲子在高分子鏈界面被高度分散，導致聲子流程大幅度減少，導熱能力下降。因此，減小聲子的散射對于提高導熱性能格外重要。

02 如何構建性能優異的TIMs
常規構建TIMs的方法是采用高導熱系數的無機填料，然而這樣構建的TIMs由于高分子聚合物導熱系數低，其與無機填料界面熱阻大使得整體導熱性能往往不太理想。為此，減小無機填料與高分子聚合物、無機填料與無機填料的界面熱阻和構造導熱通路或者兼顧以上兩者成為了提升TIMs導熱性能的方向（圖2）。作為無機填料的主要供應商，我司致力于從無機粉體出發通過降低無機粉體本身的界面熱阻來提升導熱，為客戶提供優質產品。

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03 無機填料表面功能化

無機填料表面功能化是有效增強填料與聚合物之間結合力的方法，這無疑降低界面熱阻，提升TIMs的導熱性能。基于這種觀點，東超新材料致力于粉體材料的表面功能化從而獲得更優的導熱材料。無機填料表面由于各種官能團的存在，使其與填料內部的化學結構差別很大。大多數無機填料具有一定的酸堿性，表面有親水性基團，并呈極性；而聚合物則呈疏水性、極性。因此兩者之間的相容性差，為了改善填料和聚合物基體間的界面結合，必須采用適當的方法對無機填料表面進行改性處理，這對于改善聚合物復合材料的最終性能至關重要。表面改性方法主要有物理方法和化學方法。物理法表面改性是增加填料表面凹凸度，從而增加填料的比表面積；化學法表面改性是在填料表面上架接了各種官能基團，使表面具有反應活性，這種改性方法具有簡單易行，而得到廣泛的應用。我司開發的導熱填料系列產品有效降低了粘度，極限填充率可提升約3%，是一種有效的熱管理方案。

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04 填料之間共價鍵結合

共價鍵擁有比氫鍵和范德華力更強的結合力，填料之間共價鍵結合被認為是減小粉體間界面熱阻的重要方法，可有效提升其導熱性能。有報道顯示，通過機械輔助法使聚酰胺和BN共價結合，很好的降低了填料之間的界面熱阻，導熱率顯著提高，是未共價結合時的4倍。

05 構建導熱通路

通過焊接技術也可以提升粉體材料的導熱性能。該方法主要通過壓力、摩擦力，剪切力或高溫熱在粉體表面焊接微粉顆粒實現粉體間優異的導熱通路，通過該技術手段可減小聲子的散射，從而提升其導熱能力。這種技術在導熱界面材料中導熱填料粉體廠很少使用。

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