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1、导热硅脂研究最新导热硅脂研究 随着电子产品的日益密集化、微型化和高效率化,其耐用性能显得尤为重要。然而,电子产品普遍存在着热聚集问题,即其在使用过程中会产生大量热能,从而直接影响了其可靠性和使用寿命。有关研究结果表明,电气元件的温度每升高2 ,其可靠性将会下降10%。因此,电气元件的及时散热性,已成为影响其使用寿命的重要因素。导热性能良好的散热装置虽能减小电气元件/环境的热阻缩小元件内部与环境之间的温差但其成本较高且存在较多缺陷。散热装置使用一段时间后在发热体外壳的散热片上会沉积大量灰尘其铝合金基覆铜板上连接铜层基板的介质层老化会使胶层失效由此热阻大幅上升致使整体热性能急剧下降。近年来应运而生
2、的导热高分子材料的制备与开发已成为研究热点并已广泛应用于诸多特殊场合如航空航天、电子电器等领域。 导热硅脂又称散热膏是一种膏状的热界面导热材料可用于发热或散热元件的散热具有良好的导热性能常应用于电子产品等领域。其主要特点是既可应用于快速释放电子产品使用时产生的热量也可应用于航空航天、电子电气等领域中需要散热、传热或绝缘等部位能及时排除电子设备使用过程中产生的大量热量在电子产品的密集化、小型化、可靠性、精密度及使用寿命等方面具有重要作用。 本研究介绍了导热硅脂的导热机制 分别阐述了聚合物选择、导热填料选择建立了简易的导热填料填充示意图并综述了金属氧化物填充、金属氮化物填充以及其他特种导热材料制备
3、用导热硅脂的最新研究进展。 1 导热硅脂的导热机制和组成 1.1 导热机制 导热硅脂是由大量导热填料填充的含有硅油的膏脂状物质具有较佳的导热性能。电子元件受制造工艺和装夹方法的限制其发热元件和散热片之间总是存在着微小的空隙而空气的热阻很大从而对其热量的散发带来负面影响。导热硅脂具有良好的流动性能填充上述空隙从而保证了电子元件和散热片之间的紧密接触并增加了接触面积、提高了传热效率进而能最大程度地将发热元件工作时所产生的热量迅速而均匀地传至散热片使散热效果达到最佳。因此导热硅脂性能的好坏对电子元件的散热性能影响极大。 在散热材料的实际应用中导热硅脂本身具有热导率高、胶层厚度薄、附着压力最小和再加工
4、性好等诸多优点其在散热材料中起着不可替代的作用。图1 为导热硅脂的应用示意图。由图1可知将导热材料填充于热界面材料中导热硅脂将充分填充于发热元件和散热元件中间充当导热通路从而将热量传递出去。 导热硅脂的性能取决于硅油、填料及其共同的界面。导热填料是主要的导热载体无论是以粒子还是以纤维的形式存在其自身的导热性均远大于基质材料。当导热填料掺量较少时导热填料能均匀分散在体系中彼此之间无相互接触和无相互作用此时导热填料对整个体系的导热性贡献不大然而当导热填料掺量达到临界点时导热填料之间开始相互接触和相互作用并在体系中形成导热网链当这些导热网链的取向与热流方向平行时就会明显提高体系的导热性能。 1.2
5、组成及其作用 导热硅脂由聚合物和高导热填料等组成其制备难点主要在于聚合物和导热填料的选择。 1.2.1 聚合物的选择 通常应考虑其与导热填料的相容性、对配合面的润湿性和黏度等性能。可以承受的最大填料掺量是由聚合物对填料热力学润湿性和聚合物黏度所决定的。通常选择有机硅材料为聚合物其热稳定性高、压力低且压力吸收性好并可改善配合面的润湿性。 1.2.2 导热填料的选择 为便于加工和处理可将导热填料分散于导热性较差的聚合物基体中。填料的重要特性包括本身的导热属性、形态颗粒大小和形态以及粒径分散度等。若考虑到其介电性能和成本则通常使用陶瓷粉末如氧化铝、氧化锌等也可使用金属颗粒如银、铝等 导热硅脂中导热填
6、料的体积分数直接影响到其本体的热导率。为将导热填料的掺量最大化应使用不同粒径的导热填料以保证空隙处基本上能被导热填料填满且能保证其足够的润湿性。颗粒的粒径分布对体系的黏度影响很大特别是当导热填料的体积分数相同时不同粒径的导热填料若能调配适当则相应体系的黏度小于只使用单一粒径的导热填料体系若使用3种以上不同粒径的导热填料则体系的导热填料掺量超过90%。图2为导热硅脂中导热填料的理想填充示意图。 2 导热硅脂的研究进展 导热填料主要包括金属粉体、金属氧化物、金属碳化物、金属氮化物和新型导热材料如碳纳米管、相变材料、石墨烯和纳米金刚石等。由于金属粉体具有良好的导电性能在实际使用过程中考虑到绝缘性能要
7、求金属氧化物、金属碳化物和金属氮化物等均可作为导热填料用于导热硅脂中。 2.1 金属氧化物填充 金属氧化物是最常见和最便宜的导热粉体已普遍应用于制备导热硅脂。通常采用不同粒径的导热粉体进行复配以达到最佳的导热效果也可对导热粉体进行改性使其性能达到最佳点。杨福河研究了一种高性能导热硅脂及其制备方法该导热硅脂由有机合成酯、钛酸酯偶联剂和导热粉体等组成其中钛酸酯覆盖在导热粉体表面导热粉体选用不同种类的金属氧化物粉体并按照m大粒径1550mm中粒径515 mm小粒径0.55 m=1551 比例复配而成制成的导热硅脂具有极好的不蠕变特性并且其热导率高、流动性佳且耐高温性良好而且消除了导热硅脂在存储和使用
8、过程中存在的硅油析出等问题其热导率达到了4 W/mK。Yamada 等以自制硅油、氧化铝/氧化锌共混导热填料等为主要原料制备了离油度低、热导率高的导热硅脂其中氧化铝、氧化锌的粒径分别为7、2 m两者均呈不规则形状的粉体。 由于导热硅脂具有很高的填充率故在制备过程中要进行充分分散若分散效果不好会造成导热填料团聚现象从而会明显增大导热硅脂的热阻影响其实际导热性能。因此有关研究者对导热硅脂的分散工艺进行了探究。萧博元公开了一种合成散热膏的方法该方法以共混氧化锌/聚酯作为主要原料两者质量比为41通过施加0.1 MN/m2 的压强和20 r/min 的转速搅拌混合120 min后制备而成的。由于该法采用
9、加压、搅拌等手段将粉体和基料共混在一起故混合物内部压强的提高使得基料更易进入粉体之间从而有效加速了粉体的分散性能提高了导热硅脂的合成速率和缩短了合成时间与常规加工方式即行星搅拌机制备的导热硅脂相比其加工时间明显缩短同时热导率明显提高。 2.2 金属氮化物填充 金属氮化物本体具有很高的导热性能是用作导热填料的理想粉体然而由于其成本相对较高和使用稳定性欠佳等原因使得金属氮化物制备导热硅脂还停留在实验室阶段。 任克刚采用自制氮化铝/氮化硅为导热填料以导热硅脂为试验对象系统研究了导热填料的掺量、类型和形貌等对导热硅脂热阻的影响并同步研究了大小粒径混杂填料、偶联剂的种类和含量等对导热硅脂热导率的影响。Y
10、amada 等以长链烷基硅油作为基质、氮化铝/氧化锌为复合导热填料制得了高热导率的导热硅脂其中氮化铝、氧化锌的粒径分别为3、2 m。 崔巍等研究了不同陶瓷粉体的类型、掺量和表面改性剂等对导热硅脂热导率的影响规律。研究结果表明当无机填料如氮化硅、氮化铝、球形氧化铝和纳米氧化锌等与硅油共混后制成的导热硅脂固含量分别为85%、80% 、85%和80%等具有相对最小的热阻值此外球形粉体是最理想的导热填料使用合理的改性剂可在粉体表面形成单层包覆从而能有效提高复合材料的热导率。 2.3 其他导热材料填充物 随着导热材料研究的不断深入人们开始转向新型高导热粉体材料的研究然后利用该导热粉体制备导热硅脂并取得了
11、很多研究成果。纳米改性导热填料、石墨相变导热材料、石墨烯、碳纳米管和金刚石等新型高导热材料也相继问世。 邵成芬制备了一种纳米改性导热填料。先将20%50%无机填料投入反应釜中加入纳米银粉搅拌然后按照n六甲基二硅氮烷n二甲基二乙氧基硅烷n净化水=1351015比例混合均匀后再用NaOH 溶液调节体系的pH 至57得到无色透明溶液 随后按照无机填料质量的5%10%在反应釜中喷洒加入透明溶液并充分搅拌均匀上述物料经过滤、蒸发、真空干燥、150180 焙烧13 h后制得表面纳米改性处理后的纳米导热填料含银20%50%最后将上述导热填料用于导热硅脂的制备。研究结果表明该导热硅脂因采用了纳米级导热填料包覆
12、银粉而具有热导率高、耐高温性佳等特征可长时间在高温露置环境中300 使用并具有不干、不硬、不熔化且无味、无臭等特点该导热硅脂对铁、铜和铝等金属均无腐蚀性 并具有绝缘、防潮、防震、耐辐射老化和延长电器使用寿命等优点同时加快了电子和电器的热传导速率提高了散热效率。 黄亮国公开了一种石墨相变导热硅脂及其制备方法首先将高精度石蜡加热熔融再加入纳米多孔石墨搅拌均匀然后将所得的封装了高精度石蜡的纳米多孔石墨和有机硅油共混后制得以纳米多孔石墨基相变材料为填料的高导热硅脂。 张文宾等研制的导热硅脂组合物主要由碳纳米管、石墨烯、相变胶囊颗粒物和硅油等组成碳纳米管能进一步加速热量的传导相变胶囊颗粒物用于提高热端的
13、初始温度吸收速率 最终在流体内部形成了由颗粒相变胶囊+线 碳纳米管+平面石墨烯等组成的全三维网络分布的组合物。研究结果表明该导热硅脂组合物具有热导率高、热阻值低等特征从而明显提高了导热硅脂的散热效率和使用寿命具有良好的实用价值。Chiu 等以碳纤维为主要导热材料制备了相应的导热硅脂。由于碳纤维的导热性极高故不必引入大量碳纤维也能保证体系具有足够的热导率、较低的黏度并可进行工业化生产。 Lu 等制备了一种纳米金刚石散热膏。该散热膏包含纳米金刚石粉体、高导热粉体和基体三者的体积分数分别为5%30%、40%90%和5%30%。Chou 等以大粒径金刚石和小粒径氧化锌为导热材料制成的导热硅脂之热导率优
14、于单一金刚石导热填料体系。 俸颢等采用惰性气体蒸发法和电弧等离子体法制备了纳米铜粒子然后以此为导热填料研制出具有高热导率的新型纳米铜导热硅脂最后利用此导热硅脂在计算机平台上进行了试验 发现新型的导热硅脂显著降低了CPU 的工作温度。 3 结语 1导热硅脂的高端市场基本上被国外导热公司所占据国内导热硅脂的技术参差不齐甚至在市场推广中以次充好加剧了国产导热硅脂市场的混乱局面。导热硅脂的研究应在确保导热性尽可能高的前提下降低其生产成本同时应解决热导率和离油度等使用方面的问题。 2目前导热硅脂仅限于基体与最常见的导热粉体的共混复合所得导热硅脂产品的导热性能欠佳。因此进行高导热本体聚合物材料的研究、探索新 型高导热粉体等将成为导热硅脂研究的新方向导热硅脂必将成为高科技领域必不可少的材料之一。
