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无机填料之间共价键结合TIMs导热性能的方向

发布日期：2023-03-01
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随着现代电子设备朝着小型化、高功率密度、高集成化方向发展，电子器件的散热问题成为了影响设备使用寿命和性能的关键，特别是在5G领域尤为突出，为此，需要更好的热管理方案来解决这一问题。通常而言，电子器件产生的热量需要传递到散热器表面，而将热界面材料（TIMs）填充于电子器件和散热器之间可以最大限度的提升传热能力。

无机填料在聚合物复合材料中主要起到增量、增强和赋予功能等作用。
　　（1）增量：添加廉价的无机填料以降低制品的成本，降低聚合物用量。
　　（2）增强：提高聚合物基复合材料，如塑料、橡胶的力学性能（弹性模量、抗压强
　　度、冲击强度、耐磨性等）。
　　（3）赋予功能：无机填料可赋予聚合物基体自身没有的一些特殊功能，如阻燃性、导电、抗菌等。此时，无机填料的化学组成，光、电、热等性质起到重要的作用。

TIMs主要由有机基体和无机填料组成，因此，TIMs的整体导热能力将由聚合物和无机填料的导热能力、聚合物和无机填料的界面热阻、无机填料接触面之间的界面热阻共同决定。导热率主要由电子或/和声子决定，而目前广泛的介绍只停留在宏观导热材料的制备和热导率的表征方面，有关导热率的解释主要集中在无机填料粒径分布、填料搭配构筑导热通路和粉体填充率大小方面，而对于微观机制电子和声子的介绍很少。因此本文简要介绍了TIMs中的导热机制，并从机制出发介绍了可供提高TIMs导热性能的方向。

01 电子和声子的热传导

电子导热主要发生在导电性导热材料中，当这些材料所处环境失衡，电子将会从高温向低温扩散，产生相应的电流和热流，即发生电子导热。而在介质和非导电性聚合物中，导热通常是声子导热，当这类材料一侧受热，材料的晶格发生震动，而后相应的震动传递给相邻的原子导致热流在材料中传递，通常我们遇到的TIMs就是这一类。作为TIMs的组成部分，无机非金属填料晶格分布较为规则，声子可以沿着晶格方向传播，往往表现出优异的导热性能；而在另一重要组成部分高分子聚合物中，高分子链相互纠缠，对高速运动的声子并不传导，而这些声子在高分子链界面被高度分散，导致声子流程大幅度减少，导热能力下降。因此，减小声子的散射对于提高导热性能格外重要。

02 如何构建性能优异的TIMs
常规构建TIMs的方法是采用高导热系数的无机填料，然而这样构建的TIMs由于高分子聚合物导热系数低，其与无机填料界面热阻大使得整体导热性能往往不太理想。为此，减小无机填料与高分子聚合物、无机填料与无机填料的界面热阻和构造导热通路或者兼顾以上两者成为了提升TIMs导热性能的方向（图2）。作为无机填料的主要供应商，我司致力于从无机粉体出发通过降低无机粉体本身的界面热阻来提升导热，为客户提供优质产品。

03 无机填料表面功能化

无机填料表面功能化是有效增强填料与聚合物之间结合力的方法，这无疑降低界面热阻，提升TIMs的导热性能。基于这种观点，东超新材料致力于粉体材料的表面功能化从而获得更优的导热材料。无机填料表面由于各种官能团的存在，使其与填料内部的化学结构差别很大。大多数无机填料具有一定的酸碱性，表面有亲水性基团，并呈极性；而聚合物则呈疏水性、极性。因此两者之间的相容性差，为了改善填料和聚合物基体间的界面结合，必须采用适当的方法对无机填料表面进行改性处理，这对于改善聚合物复合材料的最终性能至关重要。表面改性方法主要有物理方法和化学方法。物理法表面改性是增加填料表面凹凸度，从而增加填料的比表面积；化学法表面改性是在填料表面上架接了各种官能基团，使表面具有反应活性，这种改性方法具有简单易行，而得到广泛的应用。我司开发的导热填料系列产品有效降低了粘度，极限填充率可提升约3%，是一种有效的热管理方案。

04 填料之间共价键结合

共价键拥有比氢键和范德华力更强的结合力，填料之间共价键结合被认为是减小粉体间界面热阻的重要方法，可有效提升其导热性能。有报道显示，通过机械辅助法使聚酰胺和BN共价结合，很好的降低了填料之间的界面热阻，导热率显著提高，是未共价结合时的4倍。

05 构建导热通路

通过焊接技术也可以提升粉体材料的导热性能。该方法主要通过压力、摩擦力，剪切力或高温热在粉体表面焊接微粉颗粒实现粉体间优异的导热通路，通过该技术手段可减小声子的散射，从而提升其导热能力。这种技术在导热界面材料中导热填料粉体厂很少使用。

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无机填料之间共价键结合TIMs导热性能的方向