1 、 ¿Qué es el relleno conductivo térmico?
El relleno conductivo térmico es un material funcional agregado a materiales matriciales como plásticos, caucho, adhesivos, etc. para mejorar su conductividad térmica. Mejoran significativamente la eficiencia de conductividad térmica de los materiales compuestos mediante la formación de vías o redes de conducción térmica, y se utilizan ampliamente en la disipación de calor electrónico del dispositivo, iluminación LED, almacenamiento de energía, aeroespacial y otros campos.
El mecanismo de los rellenos conductores térmicos logra principalmente una transferencia de calor eficiente al formar canales conductores térmicos, mejorar la transferencia de fonones y la conducción de electrones. Aquí están los mecanismos específicos:
Formación de la ruta de conducción térmica
El relleno forma canales continuos de conductividad térmica en la matriz de polímero, a través del cual se transmite el flujo de calor, sin pasar por las áreas de resistencia térmica altas de la matriz. Cuando el contenido de relleno es bajo, su distribución aleatoria dificulta la formación de vías efectivas; A medida que aumenta el relleno, entran en contacto entre sí para formar una cadena o estructura de red, mejorando significativamente la conductividad térmica.
Mejora de la conducción de fonones
Materiales no metálicos, como el carburo de silicio y el calor de transferencia de nitruro de aluminio, a través de vibraciones de red (fonones). Cuanto mayor sea la conductividad térmica del relleno (como el nitruro de boro que alcanza 320 w/(m · k)), mayor es la eficiencia de transferencia de fonón y más significativa es la mejora en la conductividad térmica del material compuesto.
Sinergia de conducción electrónica
Los rellenos conductores parciales (como el cobre y la plata) conducen el calor a través de electrones libres. Este tipo de relleno no solo mejora la conducción de fonones, sino que también puede formar un efecto de conductividad térmica sinérgica de fonones de electrones, mejorando aún más la eficiencia.
Efecto umbral crítico
Cuando la cantidad de relleno agregada alcanza el valor crítico (umbral de percolación), se forma repentinamente una vía de conductividad térmica y la conductividad térmica aumenta significativamente. Este fenómeno es más pronunciado en rellenos de conductividad térmica alta, como nanotubos de carbono, pero su aplicabilidad a los rellenos convencionales como la alúmina es limitada.
2. Tipos de rellenos conductores térmicos
La alúmina esférica es el relleno conductivo térmico más largo y común, con un coeficiente de conductividad térmica entre 20-40W/m · K. Es relativamente simple de aplicar, fácil de dispersar y no fácil de aglomerar. Tiene un rendimiento de aislamiento relativamente bueno, buena flujo y es conveniente para el alto relleno. Su estructura isotrópica reduce la tensión interna de la matriz (como la resina epoxi) para evitar el agrietamiento. Al mismo tiempo, el costo de la alúmina esférica es relativamente bajo, por lo que se usa ampliamente en varios materiales de interfaz térmica y actualmente es el relleno térmico más utilizado en materiales de interfaz térmica
El nitruro de boro es un cristal compuesto de átomos de nitrógeno y boro. La composición química es 43.6% Boron y 56.4% de nitrógeno, con cuatro variantes diferentes: nitruro de boro hexagonal (HBN), nitruro de boro romboédico (RBN), nitruro de boro cúbico (CBN) y nitruro de boro de wurtzita (WBN).
La conductividad térmica del nitruro de boro es entre 30-400W/m · K. El nitruro de boro no solo tiene una alta conductividad térmica, sino también un excelente rendimiento de aislamiento, y a menudo se usa en aplicaciones que requieren una alta conductividad térmica y un buen aislamiento; Sin embargo, en comparación con la alúmina, su costo sigue siendo relativamente alto. Actualmente, se usa principalmente en combinación con alúmina para materiales de interfaz térmica, con una cantidad de adición de aproximadamente el 10%.
El nitruro de aluminio (ALN) es un relleno conductivo térmico cerámico de alto rendimiento con ventajas como alta conductividad térmica, alto aislamiento (resistividad> 10 ¹⁴Ω · cm) y coeficiente de expansión térmica baja (4.5 × 10 ⁻⁶/k). Se usa ampliamente en envases electrónicos de alta potencia, sustratos LED, módulos de comunicación 5G, materiales de disipación de calor aeroespacial y otros 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 La película de hidróxido que cubre su superficie, que interrumpe la ruta de conductividad térmica y afecta la transmisión de fonones. Su alto contenido de contenido aumentará en gran medida la viscosidad del polímero, que no conduce al moldeo y el procesamiento.
① Alta conductividad térmica: el carburo de silicio tiene un alto coeficiente de conductividad térmica (aproximadamente 80-120w/m · k, dependiendo de la pureza y el tipo de cristal). Adecuado como un relleno conductivo térmico para mejorar el rendimiento de la disipación de calor de los materiales compuestos a base de polímero o metal.
② Coeficiente de expansión térmica baja: buena compatibilidad con los materiales semiconductores (como el silicio), puede reducir el estrés térmico y es adecuado para el envasado electrónico.
③ Estabilidad química: alta resistencia a la temperatura, resistencia a la corrosión, resistencia a la oxidación y rendimiento estable en entornos extremos.
④ Aislamiento: el carburo de silicio de alta pureza es un aislante eléctrico (con contenido de impureza controlado), adecuado para las necesidades de aislamiento y disipación de calor de dispositivos electrónicos.
El grafeno tiene una excelente conductividad térmica. La conductividad térmica del grafeno de una sola capa sin defecto puro es tan alta como 5300W/mk, y cuando se usa como portador, la conductividad térmica también puede alcanzar 600W/mk.
Los nanotubos de carbono pueden verse como láminas de grafeno enrolladas, y se pueden dividir en nanotubos de carbono de pared de una sola pared (SWCNT) y nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWCNT) en función del número de capas de grafeno. Cuando se forman tubos de paredes múltiples, las capas entre ellos se convierten fácilmente en centros de trampas, capturando varios defectos. Por lo tanto, las paredes de los tubos de paredes múltiples generalmente se llenan con pequeños agujeros como defectos. En comparación con las tuberías de paredes múltiples, las tuberías de paredes individuales tienen un rango de distribución más pequeño de tamaños de diámetro, menos defectos y mayor uniformidad. El diámetro típico de un tubo de pared único es de 0.6-2 nm, mientras que la capa más interna de un tubo de paredes múltiples puede alcanzar 0.4 nm y el más grueso puede alcanzar varios cientos de nanómetros, pero el diámetro típico es de 2-100 nm.
La conductividad térmica axial de los nanotubos de carbono es muy alta. Podemos usar esta característica para organizarlos de manera ordenada y distribuida verticalmente en el material de la interfaz térmica, que puede mejorar en gran medida la conductividad térmica longitudinal del material de la interfaz térmica.
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