導(dǎo)熱填料研究現(xiàn)狀及進(jìn)展-各種填料分析介紹

導(dǎo)熱填料研究現(xiàn)狀及進(jìn)展導(dǎo)熱填料的技術(shù)研究現(xiàn)狀導(dǎo)熱絕緣材料的研究進(jìn)展（1）無(wú)機(jī)非金屬導(dǎo)熱絕緣材料通常金屬（如Au、Ag、Cu、Al、Mg等）均具有較高的導(dǎo)熱性，但均為導(dǎo)體，無(wú)法用作絕緣材料，而部分無(wú)機(jī)非金屬材料，如金屬氧化物Al2O3、MgO、ZnO、NiO，金屬氮化物AlN、Si3N4、BN，以及SiC陶瓷等既具有高導(dǎo)熱性，同時(shí)也具有優(yōu)良的絕緣性能、力學(xué)性能、耐高溫性能、耐化學(xué)腐蝕性能等，因此被廣泛用作電機(jī)、電器、微電子領(lǐng)域中的高散熱界面材料及封裝材料等。陶瓷封裝具有耐熱性好、不易產(chǎn)生裂紋、熱沖擊后不產(chǎn)生損傷、機(jī)械強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)小、電絕緣性能高、熱導(dǎo)率高、高頻特性、化學(xué)穩(wěn)定性高、氣密性好等優(yōu)點(diǎn)，適用于航空航天、軍事工程所要求的高可靠、高頻、耐高溫、氣密性強(qiáng)的產(chǎn)品封裝。由于陶瓷材料所具有的良好的綜合性能，使其廣泛用于混合集成電路和多芯片模組。在要求高密封的場(chǎng)合，可選用陶瓷封裝。國(guó)外的陶瓷封裝材料以日本居首，日本占據(jù)了美國(guó)陶瓷封裝市場(chǎng)的90%～95%，并且占美國(guó)國(guó)防（軍品）陶瓷封裝市場(chǎng)的95%～98%。傳統(tǒng)的陶瓷封裝材料是Al2O3陶瓷，具有良好的絕緣性、化學(xué)穩(wěn)定性和力學(xué)性能，摻雜某些物質(zhì)可滿足特殊封裝的要求，且價(jià)格低廉，是目前主要的陶瓷封裝材料。SiC的熱導(dǎo)率很高，是Al2O3的十幾倍，熱膨脹系數(shù)也低于Al2O3和AlN，但是SiC的介電常數(shù)過高，所以僅適用于密度較低的封裝。AlN陶瓷是被國(guó)內(nèi)外專家最為看好的封裝材料，具有與SiC相接近的高熱導(dǎo)率，熱膨脹系數(shù)低于Al2O3，斷裂強(qiáng)度大于Al2O3，維氏硬度是Al2O3的一半，與Al2O3相比，AlN的低密度可使重量降低20%，因此，AlN封裝材料引起國(guó)內(nèi)外封裝界越來(lái)越廣泛的重視。（2）聚合物基導(dǎo)熱絕緣材料由于聚合物材料具有優(yōu)良的電氣絕緣性能、耐腐蝕性能、力學(xué)性能、易加工性能等，人們逐步用聚合物材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電氣絕緣材料，但大多數(shù)聚合物材料的熱導(dǎo)率很低，無(wú)法直接用作導(dǎo)熱材料，需要通過加入導(dǎo)熱性物質(zhì)，使其成為導(dǎo)熱絕緣材料。按獲得導(dǎo)熱性的方式，聚合物導(dǎo)熱絕緣材料可分為本體導(dǎo)熱絕緣聚合物和填充導(dǎo)熱絕緣聚合物。本體導(dǎo)熱絕緣聚合物通過在高分子合成或加工過程中改變其分子結(jié)構(gòu)和凝聚態(tài)，使其具有較高的規(guī)整性，從而提高其熱導(dǎo)率。填充型則是通過在高分子材料中加入導(dǎo)熱絕緣填料來(lái)提高其熱導(dǎo)率。填料的導(dǎo)熱性能研究（1）填料的比例當(dāng)導(dǎo)熱填料的填充量很小時(shí)，導(dǎo)熱填料之間不能形成真正的接觸和相互作用，這對(duì)高分子材料導(dǎo)熱性能的提高幾乎沒有意義。只有在高分子基體中，導(dǎo)熱填料的填充量達(dá)到某一臨界值時(shí)，導(dǎo)熱填料之間才有真正意義上的相互作用，體系中才能形成類似網(wǎng)狀或鏈狀的形態(tài)——即導(dǎo)熱網(wǎng)鏈。汪雨荻等在聚乙烯（PE）中填充氮化鋁，并考察其導(dǎo)熱性能；在電鏡下觀察到AlN與PE結(jié)合處存在間隙，這表明AlN不浸潤(rùn)PE。AlN/PE復(fù)合材料在AlN體積分?jǐn)?shù)小于12%時(shí)，其熱導(dǎo)率基本保持不變；當(dāng)AlN體積分?jǐn)?shù)在12%～24%時(shí)，熱導(dǎo)率增長(zhǎng)較快；當(dāng)體積分?jǐn)?shù)大于24%后，熱導(dǎo)率增長(zhǎng)又變慢；當(dāng)AlN體積分?jǐn)?shù)達(dá)到30.2%時(shí)，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率趨于平衡，能達(dá)到2.44W/（m·K）。GiuseppeP等利用新型滲透工藝制備了AlN/PS互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物。將液泡狀態(tài)PS單體及引發(fā)劑持續(xù)滲透到多孔性AlN中至平衡態(tài)，在氬氣氣氛中100℃、4h使PS完成聚合。從微觀上在AlN骨架上形成了一個(gè)滲濾平衡的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即使PS體積分?jǐn)?shù)低至12%也可形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。材料熱導(dǎo)率隨AlN用量增加而升高，在高用量時(shí)趨于平衡。PS體積分?jǐn)?shù)為20%～30%時(shí)，材料同時(shí)獲得高熱導(dǎo)率和良好韌性。（2）填料的尺寸填料填充復(fù)合材料的熱導(dǎo)率隨粒徑增大而增加，在填充量相同時(shí)，大粒徑填料填充所得到的復(fù)合材料熱導(dǎo)率均比小粒徑填料填充的要高。Hasselman研究了不同粒徑SiC填充的鋁基復(fù)合材料的導(dǎo)熱率，實(shí)驗(yàn)得到在20℃填充量為20%時(shí)熱導(dǎo)率隨著SiC粒徑的增大也變大。但是，導(dǎo)熱填料經(jīng)過超細(xì)微化處理可以有效提高其自身的導(dǎo)熱性能。唐明明等研究了在丁苯橡膠中分別加入納米氧化鋁和微米氧化鋁得到的聚合物材料的導(dǎo)熱性，發(fā)現(xiàn)在相同填充量下，納米氧化鋁填充丁苯橡膠的熱導(dǎo)率和物理力學(xué)性能均優(yōu)于微米氧化鋁填充的丁苯橡膠，且丁苯橡膠的熱導(dǎo)率隨著氧化鋁填充量的增加而增大。（3）填料的形狀分散于樹脂基體中的填料可以是粒狀、片狀、球形、纖維等形狀，填料的外形直接影響其在高分子材料中的分散及熱導(dǎo)率。汪雨荻利用模壓法制備了聚乙烯/AlN復(fù)合基板，研究了AlN的結(jié)晶形態(tài)和填加量對(duì)復(fù)合基板熱導(dǎo)率的影響。結(jié)果表明復(fù)合基板的熱導(dǎo)率隨AlN添加量的增大，最初變化很小，而后迅速升高，隨后增速又逐漸降低；在相同的AlN填加量情況下，熱導(dǎo)率最低的是AlN粉體復(fù)合材料，其次是含AlN纖維復(fù)合材料，最高的則是以晶須形態(tài)填加的復(fù)合材料。（4）基體與填料的界面導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料是由導(dǎo)熱填料和聚合物基體復(fù)合而成的多相體系，在熱量傳遞（即晶格振動(dòng)傳遞）過程中，必然要經(jīng)過許多基體-填料界面，因此界面間的結(jié)合強(qiáng)度也直接影響整個(gè)復(fù)合材料體系的熱導(dǎo)率?；w和填料界面的結(jié)合強(qiáng)度與填料的表面處理有很大關(guān)系，取決于顆粒表面易濕潤(rùn)的程度。這是因?yàn)樘盍媳砻鏉?rùn)濕程度影響填料與基體的黏結(jié)程度、基體與填料界面的熱障、填料的均勻分散、填料的加入量等一些直接影響體系熱導(dǎo)率的因素。增加界面結(jié)合強(qiáng)度能提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。張曉輝等研究發(fā)現(xiàn)Al2O3粒子經(jīng)偶聯(lián)劑表面處理后填充環(huán)氧，與未經(jīng)表面處理直接填充所得的環(huán)氧膠黏劑相比，其熱導(dǎo)率提高了10%，獲得的最大熱導(dǎo)率為1.236W/（m·K）。牟秋紅等以Al2O3為導(dǎo)熱填料，制備了熱硫化導(dǎo)熱硅橡膠，考察了5種表面處理劑對(duì)Al2O3填充硅橡膠性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，5種處理劑處理均能提高硅橡膠的熱導(dǎo)率，其中以乙烯基三（β-甲氧基乙氧基）硅烷效果最為明顯。表面處理劑的加入既可以改善填料的分散能力，又可以減少硅橡膠受外力作用時(shí)填料粒子與基體間產(chǎn)生的空隙，減少應(yīng)力集中導(dǎo)致的基體破壞。表面處理劑對(duì)硅橡膠熱導(dǎo)率的影響應(yīng)該是“橋聯(lián)”和“包覆”共同作用的結(jié)果。一方面，其“橋聯(lián)”作用改善了填料與基體的界面相容性，減少了界面缺陷及可能存在的空隙，從而降低了體系的熱阻；另一方面，若包裹在填料表層的偶聯(lián)劑的熱導(dǎo)率較低，又會(huì)增加熱阻。表面處理劑是否能夠提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，關(guān)鍵在于處理是否能夠在界面處形成有效的鍵合。中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所的汪倩等人在提高室溫硫化硅橡膠導(dǎo)熱性能方面做了一系列研究工作，發(fā)現(xiàn)選擇高導(dǎo)熱系數(shù)的填料，更重要的是通過填料在硅橡膠中堆積致密模型的設(shè)計(jì)和計(jì)算及選擇合理的填料品種、填料粒徑及粒徑的分布，可以使室溫硫化硅橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)高到1.3～2.5W/（m·K），達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。XuYS等研究了AlN粉末及晶須填充的環(huán)氧、聚偏氟乙烯（PVDF）復(fù)合塑料導(dǎo)熱性