1 、 O que é preenchimento condutor térmico?
O enchimento condutor térmico é um material funcional adicionado a materiais matrículas, como plásticos, borracha, adesivos, etc. para melhorar sua condutividade térmica. Eles melhoram significativamente a eficiência da condutividade térmica dos materiais compósitos, formando vias ou redes de condução térmica e são amplamente utilizadas na dissipação de calor do dispositivo eletrônico, iluminação LED, armazenamento de energia, aeroespacial e outros campos.
O mecanismo de enchimentos condutores térmicos atinge principalmente a transferência de calor eficiente, formando canais condutores térmicos, aumentando a transferência de fônonos e a condução de elétrons. Aqui estão os mecanismos específicos:
Formação do caminho de condução térmica
O enchimento forma canais de condutividade térmica contínua na matriz polimérica, através dos quais o fluxo de calor é transmitido, ignorando as áreas de alta resistência térmica da matriz. Quando o conteúdo de preenchimento é baixo, sua distribuição aleatória dificulta a formação de vias eficazes; À medida que o enchimento aumenta, eles entram em contato entre si para formar uma estrutura de cadeia ou rede, melhorando significativamente a condutividade térmica.
Aprimoramento da condução do phonon
Materiais não metálicos, como carboneto de silício e calor de transferência de nitreto de alumínio através de vibrações na treliça (fônons). Quanto maior a condutividade térmica do enchimento (como nitreto de boro, atingindo 320 W/(M · K)), maior a eficiência da transferência de fônon e, mais significativa a melhoria na condutividade térmica do material compósito.
Sinergia de condução eletrônica
Os preenchimentos condutores parciais (como cobre e prata) conduzem calor através de elétrons livres. Esse tipo de preenchimento não apenas aumenta a condução do fônon, mas também pode formar um efeito de condutividade térmica sinérgica de elétrons fônonos, melhorando ainda mais a eficiência.
Efeito limiar crítico
Quando a quantidade de carga adicionada atinge o valor crítico (limiar de percolação), uma via de condutividade térmica se forma repentinamente e a condutividade térmica aumenta significativamente. Esse fenômeno é mais pronunciado em preenchimentos de alta condutividade térmica, como nanotubos de carbono, mas sua aplicabilidade a preenchimentos convencionais, como a alumina, é limitada.
2 tipos de preenchimentos condutores térmicos
A alumina esférica é o preenchimento condutor térmico mais longo e comum, com um coeficiente de condutividade térmica entre 20-40W/M · K. É relativamente simples de aplicar, fácil de dispersar e não fácil de aglominar. Possui desempenho relativamente bom de isolamento, boa fluxabilidade e é conveniente para um alto preenchimento. Sua estrutura isotrópica reduz o estresse interno da matriz (como resina epóxi) para evitar rachaduras. Ao mesmo tempo, o custo da alumina esférica é relativamente baixa, por isso é amplamente utilizada em vários materiais de interface térmica e atualmente é o enchimento térmico mais comumente usado em materiais de interface térmica
O nitreto de boro é um cristal composto por átomos de nitrogênio e boro. A composição química é de 43,6% de boro e 56,4% de nitrogênio, com quatro variantes diferentes: nitreto de boro hexagonal (HBN), nitreto de boro romboédrico (RBN), nitreto de boro cúbico (CBN) e Wurtzite Boron Nitre (WBN).
A condutividade térmica do nitreto de boro está entre 30-400W/M · K. O nitreto de boro não apenas possui uma alta condutividade térmica, mas também excelente desempenho de isolamento, e é frequentemente usado em aplicações que requerem alta condutividade térmica e bom isolamento; No entanto, em comparação com a alumina, seu custo ainda é relativamente alto. Atualmente, é usado principalmente em combinação com alumina para materiais de interface térmica, com uma quantidade adicional de cerca de 10%.
O nitreto de alumínio (ALN) é um enchimento condutor térmico de cerâmica de alto desempenho, com vantagens como alta condutividade térmica, alto isolamento (resistividade> 10 ¹⁴Ω · cm) e baixo coeficiente de expansão térmica (4,5 × 10 ⁻⁶/k). É amplamente utilizado em embalagens eletrônicas de alta potência, substratos de LED, módulos de comunicação 5G, materiais de dissipação de calor aeroespacial e outros campos. The thermal conductivity of aluminum nitride is approximately 170-200W/m · K. Although aluminum nitride has better overall performance than aluminum oxide, beryllium oxide, and silicon carbide, and is considered an ideal material for highly integrated semiconductor substrates and electronic device packaging, it is prone to absorbing water from the air and undergoing hydrolysis reactions, resulting in a layer of aluminum O filme de hidróxido cobrindo sua superfície, que interrompe o caminho da condutividade térmica e afeta a transmissão de fônons. Seu alto preenchimento de conteúdo aumentará bastante a viscosidade do polímero, que não é propício à moldagem e processamento.
① Alta condutividade térmica: o carboneto de silício possui um alto coeficiente de condutividade térmica (cerca de 80-120W/m · k, dependendo da pureza e do tipo de cristal). Adequado como um enchimento condutor térmico para aprimorar o desempenho de dissipação de calor dos materiais compósitos à base de polímero ou metal.
② Coeficiente de baixa expansão térmica: boa compatibilidade com materiais semicondutores (como silício), pode reduzir o estresse térmico e é adequado para embalagens eletrônicas.
③ Estabilidade química: resistência à alta temperatura, resistência à corrosão, resistência a oxidação e desempenho estável em ambientes extremos.
④ Isolamento: o carboneto de silício de alta pureza é um isolador elétrico (com conteúdo de impureza controlado), adequado para as necessidades de isolamento e dissipação de calor dos dispositivos eletrônicos.
O grafeno tem excelente condutividade térmica. A condutividade térmica do grafeno de camada única sem defeito pura é de até 5300W/Mk e, quando usada como transportadora, a condutividade térmica também pode atingir 600W/Mk.
Os nanotubos de carbono podem ser vistos como folhas de grafeno laminados e podem ser divididos em nanotubos de carbono de parede única (SWCNTs) e nanotubos de carbono com várias paredes (MWCNTs) com base no número de camadas de grafeno. Quando os tubos com várias paredes são formados, as camadas entre eles se tornam facilmente centros de armadilhas, capturando vários defeitos. Portanto, as paredes de tubos com várias paredes geralmente são preenchidos com pequenos orifícios como defeitos. Comparados com tubos com várias paredes, os tubos de parede única têm uma faixa de distribuição menor de tamanhos de diâmetro, menos defeitos e maior uniformidade. O diâmetro típico de um tubo de parede única é de 0,6-2 nm, enquanto a camada mais interna de um tubo com várias paredes pode atingir 0,4 nm e a mais espessa pode atingir várias centenas de nanômetros, mas o diâmetro típico é de 2-100 nm.
A condutividade térmica axial dos nanotubos de carbono é muito alta. Podemos usar essa característica para organizá -los de maneira ordenada e distribuída verticalmente no material da interface térmica, que pode melhorar bastante a condutividade térmica longitudinal do material da interface térmica.
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