金属填料聚合物复合材料的平面热导率(TPTC)

hdy

为了提高聚合物化合物的 TC，通常的做法是加入导热填料，以形成具有改进的热和机械特性的新型复合材料。即便如此，在聚合物基质中使用大量独特的填料来开发导热聚合物复合材料 (TCPC) 仍面临多项科学和技术挑战。尽管有理论预测，但这些复合材料的测得的 TC 往往达不到要求。这是因为存在无法避免的热阻。

如图1所示，TC取决于聚合物和填料的组成和特性、聚合物复合材料的结构以及聚合物和填料的结合。设计TCPC时，必须采用综合策略，以确保满足所有应用标准。仅仅选择合适的聚合物和填料是不够的。必须彻底了解和管理聚合物和填料的结构及其相互作用。此外，除了TC之外，还必须检查和平衡各种品质和加工性能。

图 1:影响复合材料 TC 的各种因素

铝、金、铜和银等金属导热填料具有高效导热和形态可调等显著优势。据报道，插入硅弹性体的液态金属 (LM) 液滴具有4.7W/mK的优异TC和超过 600% 应变的良好拉伸能力。

四川大学研究团队开发了一种新方法（下图），用于制备具有优异机械强度、耐久性以及高 TC 的薄膜。该薄膜采用真空渗透法，将 LM 和芳纶纳米纤维 (ANF) 结合制成。由于形成了紧密组织的框架，该复合薄膜在纵向和垂直方向上均表现出优异的 TC（7.14W/mK和 1.68W/mK），其中 LM 液滴任意分散在有组织的 ANF 内，以创建有效的传热通道。同时，LM/ANF 复合薄膜表现出 10.3 MJ m−3的刚度以及 108.5 MPa 的显著拉伸强度。

冰模板技术和盐模板技术用于在所需方向上获得最佳排列。它们描述了首先创建多孔填充结构，然后将其浸入聚合物中的方法。由于填料的有效相互作用，它们提供了很高的 TC，是热界面材料的理想选择。但它们总是需要多个处理步骤。

南昌大学研究团队发表了一种冰模板组装技术，用于在环氧复合材料中构建导热三维 BN 纳米片网络和银纳米线 (AgNW)。2D BNNS 和 1D AgNW 的综合作用使构建导热路径变得简单。此外，通过低温烧结键合相邻的 AgNW 增加了填料单位体积的总连接面积。生成的聚合物复合材料在填料体积仅为 5.0 vol% 的情况下，TPTC 就达到 1.10W/mK，是纯环氧树脂的六倍（图 2a和 b）。这种创新对于当今的封装材料非常有前景，就像印刷电路板 (PCB) 和基板一样。具有优异 TC 和高电子空穴迁移率的半导体对于光子和电子器件的生产以及基础研究具有重要意义。

图 2：BNNS-AgNWs-300/环氧复合材料生产示意图

立方砷化硼 (c-BAs) 被认为是最有效的超高导热材料之一，因为它能够表现出超过 1000 cm 2 /Vs 的高电子和空穴迁移率。这种品质使其成为下一代电子产品开发的有力竞争者，因为更高的双极迁移率和超高 TC 的结合提供了显著的优势。

德克萨斯大学研究团队报道了采用改进的化学气相传输工艺合成的立方砷化硼 (BA) 在室温下初步实现了优异的 TC。只有金刚石和石墨的基面值优于BA的1000W/mK导热率 。他们的研究表明，BA 属于一类具有极高 TC 的材料，正如最近的理论所表明的那样，它可能成为高功率密度电器中热管理的合适材料。

图 3：BAs 晶体的结构表征。

金属是优良的导热体。颗粒较短且填料含量较低的金属填料具有更高的导热性。当聚合物中添加金属颗粒时，其机械特性（如模量和断裂应力）通常会得到改善。然而，当金属颗粒添加到聚合物基质中时，它们会降低复合材料的电绝缘和介电特性，导致电导率大幅增加和介电强度下降，从而限制了其在电子封装材料行业的广泛应用。此外，密度增加、制造成本高以及在潮湿和炎热环境中易氧化等问题也限制了它们在聚合物复合材料中的性能和用途。有必要采用处理方法来防止腐蚀和表面氧化。在减重和电绝缘性并非重要因素的情况下，会添加金属作为填料。