中國粉體網(wǎng)訊 隨著電子產(chǎn)品及其器件的小型化和高度集成化，散熱問題已經(jīng)成為制約電子技術(shù)發(fā)展的重要瓶頸，而其中決定散熱功效的熱界面材料等導(dǎo)熱復(fù)合材料更是受到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。
目前商業(yè)導(dǎo)熱復(fù)合材料一般由有機(jī)物和導(dǎo)熱填料復(fù)合而成。由于有機(jī)物的熱導(dǎo)率很低，一般小于0.5W/m·K，所以導(dǎo)熱復(fù)合材料的熱導(dǎo)率主要由導(dǎo)熱填料決定。
常見的聚合物基體與導(dǎo)熱填料的熱導(dǎo)率
目前市場(chǎng)上應(yīng)用最廣泛的填料是以Al2O3等為代表的氧化物填料，但氧化鋁的本征熱導(dǎo)率只有38~42W/m·K，受其限制，將很難制備出滿足未來散熱材料市場(chǎng)需求的導(dǎo)熱復(fù)合材料。
與之相比，AlN的理論熱導(dǎo)率高達(dá)320W/m·K，且具有熱膨脹系數(shù)小、絕緣性能好、介電常數(shù)低、與硅膨脹系數(shù)相匹配等優(yōu)異性能，因此以AlN粉體為填料來制備導(dǎo)熱復(fù)合材料近年來受到熱捧。
有個(gè)關(guān)鍵問題必須解決
雖然氮化鋁綜合性能遠(yuǎn)優(yōu)于氧化鋁、氧化鈹和碳化硅，被認(rèn)為是高集成度半導(dǎo)體基片和電子器件封裝的理想材料，但它有個(gè)不討人喜的地方，就是其易吸收空氣中的水發(fā)生水解反應(yīng)，使其表面包覆上一層氫氧化鋁薄膜，導(dǎo)致導(dǎo)熱通路中斷且聲子的傳遞受到影響，并且其大含量填充會(huì)使聚合物粘度大大提高，不利于成型加工。
為了克服上述問題，必須對(duì)導(dǎo)熱粒子進(jìn)行表面改性以改善二者之間的界面結(jié)合問題。目前主要有兩種對(duì)無機(jī)顆粒表面進(jìn)行改性的方法，一種是表面化學(xué)反應(yīng)法，它是小分子物質(zhì)如偶聯(lián)劑在無機(jī)顆粒表面的吸附或反應(yīng)。另一種是表面接枝法，它是聚合物單體與無機(jī)顆粒表面的羥基發(fā)生接枝反應(yīng)。
目前普遍使用的是偶聯(lián)劑表面改性，如硅烷和鈦酸酯偶聯(lián)劑及其它類型表面處理劑。與表面化學(xué)反應(yīng)法相比，表面接枝法具有更大的靈活性，它能根據(jù)不同的特性需求選擇滿足條件的單體和接枝反應(yīng)過程。
粒徑大小和形狀對(duì)導(dǎo)熱材料的影響
氮化鋁粒徑大小對(duì)高分子復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。一方面，大尺寸填料的比表面積小，其所形成的界面層面積就越小，即熱界面阻力越小，理論上獲得的熱導(dǎo)率越高；另一方面，小粒徑填料的堆砌密度更高，從而可有效降低空隙，提高導(dǎo)熱性能。
這不是矛盾嗎？粒徑到底是大了好還是小了好呢？其實(shí)，氮化鋁填料粒徑過大過小都不好，太大導(dǎo)致堆砌密度小且分布不均勻，熱導(dǎo)率減小。粒徑太小導(dǎo)致界面多，熱阻大，且小粒徑填料更易聚集，引起體系粘度的上升，導(dǎo)致聚合物中空隙的存在，使得聚合物力學(xué)和熱學(xué)性能的下降。
因此我們要求粒徑“不大不小”，但這很難達(dá)到理想要求。于是人們想到了一個(gè)好辦法——不同粒徑顆粒復(fù)配使用。選用不同尺寸的顆粒作為混合填料填充到基體材料中，大顆粒構(gòu)成主要的導(dǎo)熱通路，將小顆粒填充到大顆粒間的空隙中以形成更為豐富的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的提高。
不同尺寸導(dǎo)熱填料顆粒級(jí)配示意圖
再來說說形狀，填料的形狀（晶須狀、纖維狀、片狀、球狀）對(duì)材料的導(dǎo)熱性能有影響，形成導(dǎo)熱通路的難易程度是：晶須狀＞纖維狀＞片狀＞球狀，但球狀填料形成的堆積密度最大，在高填充時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致黏度的急劇增加，反而在工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛。
此外，加工工藝也會(huì)影響氮化鋁在聚合物導(dǎo)熱材料中的應(yīng)用效果，這是因?yàn)榧庸すに嚂?huì)影響填料在基體中的分散及分布情況，填料在基體中的分散狀態(tài)會(huì)影響復(fù)合材料導(dǎo)熱通路的形成，從而影響復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。按照聚合物復(fù)合時(shí)的不同形態(tài)，可以將加工成型方法分為溶液共混，粉末混合，熔融混合三種方式，其對(duì)導(dǎo)熱性能提高的效果呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：粉末混合＞溶液共混＞熔融混合。
參考來源：
[1]王媛等.氮化鋁／聚合物復(fù)合導(dǎo)熱塑料研究進(jìn)展
[2]王琦等.氮化鋁基導(dǎo)熱復(fù)合材料的制備及性能
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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