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知識分享|導(dǎo)熱填料面面觀(二)

發(fā)布于: 2024-12-11 10:43
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    在導(dǎo)熱材料面面觀(一)中,我們介紹了不同類型的導(dǎo)熱填料。(點擊回顧上期內(nèi)容)本期我們將對影響導(dǎo)熱填料熱傳導(dǎo)性能的因素進行探討。

影響導(dǎo)熱填料熱傳導(dǎo)性能的因素

    金屬氧化物(氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅)、氮化物(氮化鋁、氮化硼)、碳化物(碳化硅)、金剛石等,具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)、絕緣性好、種類豐富、穩(wěn)定性好、價格適宜,是導(dǎo)熱界面材料產(chǎn)品中最常用的填料。這些填料一般依賴聲子(phonon)進行熱傳導(dǎo)的,簡單的理解聲子就是晶格振動的能量的量子化,與電子導(dǎo)熱相比聲子的效率一般較低,與聲子的平均自由程和速度相關(guān),易受結(jié)構(gòu)和缺陷影響。在這篇文章中,我們總結(jié)了多種可能影響這些粉體熱傳導(dǎo)性能的因素。

圖1 影響導(dǎo)熱填料熱傳導(dǎo)性能的主要因素

晶型的影響

    以氧化鋁為例,氧化鋁的導(dǎo)熱率適中、絕緣,且價格較低、來源較廣,是經(jīng)濟適用型填料。此外,氧化鋁表面易于修飾,與絕大多數(shù)聚合物相容性較好。目前已經(jīng)知道的氧化鋁共有九種晶體形態(tài),包括α、γ、β、η、δ、θ、χ、κ和無定型相。

    氧化鋁的導(dǎo)熱系數(shù)與晶型密切相關(guān),如最常用的α-Al2O3的理論導(dǎo)熱系數(shù)為28W/(m·K),而γ-Al2O3的導(dǎo)熱系數(shù)為35W/(m·K)(J Am Ceram Soc. 2021;104:1436–1447),κ-Al2O3的導(dǎo)熱系數(shù)為~8W/(m·K)(J. Appl. Phys., 1998, 83, 11, 5783)。

純度的影響

    仍然以氧化鋁為例,文獻報道表明99%的α-Al2O3的導(dǎo)熱系數(shù)接近理論數(shù)值,當(dāng)純度降低到92%時,導(dǎo)熱率降低到小于20W/(m·K),雜質(zhì)的存在影響晶體的結(jié)晶性及聲子的傳遞質(zhì)量(圖2)。此外,氧化鋁的結(jié)晶度、顆粒尺寸、空隙等也會大大影響其導(dǎo)熱性能。

圖2 氧化鋁純度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

形貌的影響

    氮化鋁有很高的熱導(dǎo)率,理論值達(dá)到320W/(m·K),且具有較高的絕緣性,在高導(dǎo)熱領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在兩個方面:封裝基板和導(dǎo)熱填料。以氮化鋁為例,研究表明氮化鋁的晶須呈現(xiàn)一維形貌,長徑比可高達(dá)500,在相同填充比下高長徑比氮化鋁晶須更有利于形成三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò),具有更高的導(dǎo)熱性能(圖3)。這啟發(fā)我們在設(shè)計導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的時候,合理搭配各種維度的材料,會得到更明顯的收效。

圖3 氮化鋁晶須的微觀形貌及導(dǎo)熱系數(shù)與長徑比的關(guān)系(Ujihara et al, J Crystal Growth, 2017, 468, 576)

同素異形體

    同素異形體是指由同樣的單一化學(xué)元素組成,因排列方式不同,而具有不同性質(zhì)的單質(zhì)。碳基材料是同素異形體的典型代表,由于C原子雜化軌道形態(tài)差異,碳的主要同素異形體包括:金剛石、石墨、富勒烯、碳納米管、石墨烯和石墨炔等,碳基材料近年來也成為了導(dǎo)熱領(lǐng)域研究的熱點(圖4)。

    金剛石的導(dǎo)熱為各向同性,高質(zhì)量單晶金剛石的導(dǎo)熱系數(shù)可高達(dá)2300 W/(m·K),多晶金剛石的導(dǎo)熱系數(shù)一般在1~1000 W/(m·K),受晶粒尺寸影響巨大。

圖4 碳基材料的導(dǎo)熱性能與影響因素(Cui et al, Materials China, 2020, 39, 450)

    石墨烯是另一種明星導(dǎo)熱材料,它是一種二維材料,其導(dǎo)熱性能是各向異性的,其熱量主要沿平面內(nèi)傳遞,沿厚度方向熱傳遞性能較差(~6 W/(m·K))。石墨烯的導(dǎo)熱性能主要受尺寸、結(jié)晶度、表面官能度及層數(shù)影響。物理法制備的大尺寸單層的石墨烯的理論面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)可超過6000 W/(m·K),隨著層數(shù)的增加導(dǎo)熱系數(shù)迅速下降,層數(shù)超過5層后降至1000~2000 W/(m·K)(圖5)。此外,石墨、碳纖維可以看做是以不同形式堆積的宏觀石墨烯材料,碳納米管可以看做是石墨烯卷曲形成的納米材料,它們在導(dǎo)熱領(lǐng)域都有良好的應(yīng)用前景。

圖5 石墨烯導(dǎo)熱性能與層數(shù)的關(guān)系(Ghosh et al, Nature Mater, 2010, 9, 555)

 多種因素影響

    在更多的情況中,多種因素共同影響材料的導(dǎo)熱性能。以氮化硼為例,氮化硼是由氮原子和硼原子所構(gòu)成的晶體。具有四種不同的變體:六方氮化硼(hBN)、立方氮化硼(cBN)、菱方氮化硼(rBN)和纖鋅礦氮化硼(WBN)。其中六方氮化硼是最常用的導(dǎo)熱填料,具有高導(dǎo)熱和高絕緣的特點。

    圖6總結(jié)了不同晶型的氮化硼、不同層數(shù)的氮化硼、氮化硼納米管、氮化硼量子點、不同邊緣結(jié)構(gòu)的氮化硼納米帶等多種形態(tài)氮化硼的導(dǎo)熱系數(shù)。通過對比我們可以得出一些基本的結(jié)論:尺寸越大、層數(shù)越少、原子排列越規(guī)整的氮化硼其導(dǎo)熱系數(shù)越高。

圖6 不同形態(tài)氮化硼的導(dǎo)熱系數(shù)(Jha, Renew Sust Energy Rev, 2020, 120, 109622)

 

    隨著對導(dǎo)熱界面材料性能的深入研究和理解,泰吉諾將繼續(xù)不定期推出更多與熱管理材料領(lǐng)域相關(guān)的基礎(chǔ)知識、原理、最新研究進展等內(nèi)容,以持續(xù)的交流分享推動行業(yè)更好發(fā)展。

    我們期待與您一起探索導(dǎo)熱界面材料的無限可能,下期再見。

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