1 、 Qu'est-ce que le remplissage conducteur thermique?
Le remplissage conducteur thermique est un matériau fonctionnel ajouté aux matériaux matriciels tels que les plastiques, le caoutchouc, les adhésifs, etc. pour améliorer leur conductivité thermique. Ils améliorent considérablement l'efficacité de conductivité thermique des matériaux composites en formant des voies ou des réseaux de conduction thermique, et sont largement utilisés dans la dissipation de chaleur électronique, l'éclairage LED, le stockage d'énergie, l'aérospatiale et d'autres champs.
Le mécanisme des charges conductrices thermiques réalise principalement un transfert de chaleur efficace en formant des canaux conducteurs thermiques, en améliorant le transfert de phonons et la conduction des électrons. Voici les mécanismes spécifiques:
Formation d'un chemin de conduction thermique
Le remplissage forme des canaux de conductivité thermique continus dans la matrice polymère, à travers lequel le flux de chaleur est transmis, contournant les zones de résistance thermique élevées de la matrice. Lorsque la teneur en charge est faible, leur distribution aléatoire rend difficile la formation de voies efficaces; À mesure que le remplissage augmente, ils entrent en contact les uns avec les autres pour former une structure de chaîne ou de réseau, améliorant considérablement la conductivité thermique.
Amélioration de la conduction de phonon
Les matériaux non métalliques tels que le carbure de silicium et le nitrure d'aluminium transfèrent la chaleur à travers les vibrations du réseau (phonons). Plus la conductivité thermique du remplissage est élevée (comme le nitrure de bore atteignant 320 W / (m · k)), plus l'efficacité de transfert de phonons est élevée et plus l'amélioration de la conductivité thermique du matériau composite est importante.
Synergie de conduction électronique
Les charges conductrices partielles (comme le cuivre et l'argent) conduisent la chaleur à travers des électrons libres. Ce type de remplissage améliore non seulement la conduction des phonons, mais peut également former un effet de conductivité thermique synergique phonon, améliorant davantage l'efficacité.
Effet de seuil critique
Lorsque la quantité d'ajout de remplissage atteint la valeur critique (seuil de percolation), une voie de conductivité thermique se forme soudainement et la conductivité thermique augmente considérablement. Ce phénomène est plus prononcé dans des charges de conductivité thermique élevées telles que les nanotubes de carbone, mais son applicabilité aux charges conventionnelles telles que l'alumine est limitée.
2. Types de charges conductrices thermiques
L'alumine sphérique est la charge conductrice thermique la plus longue et la plus courante, avec un coefficient de conductivité thermique entre 20-40 W / m · K. Il est relativement simple à appliquer, facile à disperser et pas facile à agglomérer. Il a des performances d'isolation relativement bonnes, une bonne fluidité et est pratique pour un remplissage élevé. Sa structure isotrope réduit la contrainte interne de la matrice (comme la résine époxy) pour éviter la fissuration. Dans le même temps, le coût de l'alumine sphérique est relativement faible, il est donc largement utilisé dans divers matériaux d'interface thermique et est actuellement le remplissage thermique le plus utilisé dans les matériaux d'interface thermique
Le nitrure de bore est un cristal composé d'atomes d'azote et de bore. La composition chimique est de 43,6% de bore et 56,4% d'azote, avec quatre variantes différentes: nitrure de bore hexagonal (HBN), nitrure de bore rhomboédrique (RBN), nitrure de boron cubique (CBN) et nitrure de boron wurtzite (WBN).
La conductivité thermique du nitrure de bore se situe entre 30-400 W / m · K. Le nitrure de bore a non seulement une conductivité thermique élevée, mais aussi d'excellentes performances d'isolation, et est souvent utilisée dans des applications qui nécessitent à la fois une conductivité thermique élevée et une bonne isolation; Cependant, par rapport à l'alumine, son coût est encore relativement élevé. Actuellement, il est principalement utilisé en combinaison avec de l'alumine pour les matériaux d'interface thermique, avec une quantité d'addition d'environ 10%.
Le nitrure d'aluminium (ALN) est un remplissage conducteur thermique en céramique haute performance avec des avantages tels qu'une conductivité thermique élevée, une isolation élevée (résistivité> 10 ¹⁴ω · cm) et un coefficient de dilatation thermique faible (4,5 × 10 ⁻⁶ / k). Il est largement utilisé dans l'emballage électronique haute puissance, les substrats LED, les modules de communication 5G, les matériaux de dissipation de chaleur aérospatiale et d'autres champs. La conductivité thermique du nitrure en aluminium est d'environ 170-200 W / m · K. Bien que le nitrure d'aluminium ait de meilleures performances globales que l'oxyde d'aluminium, l'oxyde de béryllium et le carbure de silicium, et est considéré comme un matériau idéal pour les substrats de semi-conducteurs hautement intégrés et les packages de dispositifs électroniques, ce qui est susceptible d'absorber de l'eau de l'air et sous des réactions hydrolysis et sous une couche à la base de l'eau à partir de l'air et sous des réactions hydrolysis et sous une couche, il est susceptible d'absorber de l'eau et de la sous Film d'hydroxyde d'aluminium couvrant sa surface, qui interrompt le chemin de conductivité thermique et affecte la transmission des phonons. Sa remplissage de contenu élevé augmentera considérablement la viscosité du polymère, qui n'est pas propice à la moulure et au traitement.
① Conductivité thermique élevée: le carbure de silicium a un coefficient de conductivité thermique élevé (environ 80-120W / m · k, selon la pureté et le type de cristal). Convient en tant que remplissage conducteur thermique pour améliorer les performances de dissipation thermique des matériaux composites à base de polymère ou en métal.
② COEFFICATEUR DE LA DÉPANSION THERMALE: Une bonne compatibilité avec les matériaux semi-conducteurs (comme le silicium), peut réduire la contrainte thermique et convient à l'emballage électronique.
③ Stabilité chimique: résistance à haute température, résistance à la corrosion, résistance à l'oxydation et performances stables dans des environnements extrêmes.
④ Isolation: le carbure de silicium de haute pureté est un isolant électrique (avec une teneur en impuretés contrôlés), adapté aux besoins d'isolation et de dissipation thermique des dispositifs électroniques.
Le graphène a une excellente conductivité thermique. La conductivité thermique du graphène à couche unique sans défaut pur est aussi élevée que 5300 W / Mk, et lorsqu'elle est utilisée comme porteuse, la conductivité thermique peut également atteindre 600 W / Mk.
Les nanotubes de carbone peuvent être considérés comme des feuilles de graphène roulées et peuvent être divisés en nanotubes de carbone à parois à parois (SWCNT) et nanotubes de carbone multi-paroi (MWCNT) basés sur le nombre de couches de graphène. Lorsque des tubes multi-paroi sont formés, les couches entre elles deviennent facilement des centres de pièges, capturant divers défauts. Par conséquent, les murs des tubes multi-paroi sont généralement remplis de petits trou comme des défauts. Par rapport aux tuyaux multi-parois, les tuyaux à parois à un seul ont une plus petite gamme de distribution de tailles de diamètre, moins de défauts et une uniformité plus élevée. Le diamètre typique d'un tube à paroi unique est de 0,6 à 2 nm, tandis que la couche la plus intérieure d'un tube multi-paroi peut atteindre 0,4 nm et le plus épais peut atteindre plusieurs centaines de nanomètres, mais le diamètre typique est de 2 à 100 nm.
La conductivité thermique axiale des nanotubes de carbone est très élevée. Nous pouvons utiliser cette caractéristique pour les organiser de manière ordonnée et distribuée verticalement dans le matériau d'interface thermique, ce qui peut considérablement améliorer la conductivité thermique longitudinale du matériau d'interface thermique.
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