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导热粉体提升导热界面材料性能:降低界面热阻的关键策略

  • 发布日期:2024-06-01
​​       ​导热界面材料是热传导的关键,它们帮助热量顺畅地流动。导热系数和热阻是衡量这些材料性能的两个重要指标。导热系数越高,材料传导热量的能力越强,热量损失越少。而热阻则是材料阻止热量通过的能力,它是提升导热性能的障碍。因此,要想提高导热界面材料的传热性能,不仅要关注导热系数,还要关注如何降低热阻。
​​那么,如何降低导热材料界面的热阻呢?
​​       ​导热界面材料通常由有机基体和无机填料组成。热阻的产生主要是因为两个固体表面之间的界面层作用力较弱,声子振动频率不匹配,导致声子散射,从而增加热阻。根据界面不同,界面热阻可以分为三类:填料与填料间界面热阻、填料与基体之间的界面热阻、热界面材料与器件之间的界面热阻。
对于填料与填料间的界面热阻,我们可以采取以下措施来降低:

​​       ​1. 增加填料添加量:随着填料比例的增加,填料间距减小,当达到一定比例时,填料相互接触、堆叠,形成导热通路,从而降低界面热阻。但要注意,过量的填料可能会破坏导热网络,反而增加热阻,并影响材料的加工性能和机械性能。

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​​       ​2. 定向排列:对于一维或二维导热填料,如碳纤维、片状六方氮化硼,可以利用力场、磁场、电场或冰模板法等方法诱导形成高度取向有序结构,增大填料间有效接触面积,降低界面热阻。

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​​       ​3. 颗粒级配:将不同尺寸或形貌的导热粒子填充进聚合物基体中,可以产生协同增强效应,连接分离的颗粒,增加声子传导界面,降低填料间的界面热阻。

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​​       ​在杂化填料的研究中,由于不同填料间界面亲和力和声子谱不匹配,会导致声子散射。因此,需要对填料表面进行处理,形成更强的界面结合。目前,共价键改性是一种有效的方法,共价键的结合力比氢键和范德华力更强,可以减小粉体间界面热阻,提升导热性能。

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​​       ​此外,由于无机填料与聚合物基体难以浸润,未处理的填料与基体连接不紧密,会产生气孔和间隙,增加界面热阻。表面改性是一种有效的方式,可以改变填料表面张力,减少团聚,改善填料与基体的亲和程度,减少内部缺陷,降低界面热阻。目前,最广泛应用的表面改性方法是通过对填料进行表面化学修饰,利用有机单体、有机低聚物、表面活性剂、偶联剂等表面处理剂在粉体颗粒表面的吸附、反应、包覆或包膜来实现。




参考来源:

纪超. 导热复合材料中多组分填料的协同作用的研究[D].深圳大学.
张荣,刘卓航,熊文伟等.氮化硼/聚合物导热复合材料界面热阻调控研究进展[J].材料导报.
粉体圈:导热界面材料性能提升的拦路虎:界面热阻该如何降低?


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