知識分享|導熱填料面面觀（二）

發布于： 2024-12-11 10:43

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在導熱材料面面觀（一）中，我們介紹了不同類型的導熱填料。（點擊回顧上期內容）本期我們將對影響導熱填料熱傳導性能的因素進行探討。

影響導熱填料熱傳導性能的因素

金屬氧化物（氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅）、氮化物（氮化鋁、氮化硼）、碳化物（碳化硅）、金剛石等，具有較高的導熱系數、絕緣性好、種類豐富、穩定性好、價格適宜，是導熱界面材料產品中最常用的填料。這些填料一般依賴聲子(phonon)進行熱傳導的，簡單的理解聲子就是晶格振動的能量的量子化，與電子導熱相比聲子的效率一般較低，與聲子的平均自由程和速度相關，易受結構和缺陷影響。在這篇文章中，我們總結了多種可能影響這些粉體熱傳導性能的因素。

圖1 影響導熱填料熱傳導性能的主要因素

晶型的影響

以氧化鋁為例，氧化鋁的導熱率適中、絕緣，且價格較低、來源較廣，是經濟適用型填料。此外，氧化鋁表面易于修飾，與絕大多數聚合物相容性較好。目前已經知道的氧化鋁共有九種晶體形態，包括α、γ、β、η、δ、θ、χ、κ和無定型相。

氧化鋁的導熱系數與晶型密切相關，如最常用的α-Al₂O₃的理論導熱系數為28W/(m·K)，而γ-Al₂O₃的導熱系數為35W/(m·K)（J Am Ceram Soc. 2021;104:1436–1447），κ-Al₂O₃的導熱系數為~8W/(m·K)（J. Appl. Phys., 1998, 83, 11, 5783）。

純度的影響

仍然以氧化鋁為例，文獻報道表明99%的α-Al₂O₃的導熱系數接近理論數值，當純度降低到92%時，導熱率降低到小于20W/(m·K)，雜質的存在影響晶體的結晶性及聲子的傳遞質量（圖2）。此外，氧化鋁的結晶度、顆粒尺寸、空隙等也會大大影響其導熱性能。

圖2 氧化鋁純度對導熱系數的影響

形貌的影響

氮化鋁有很高的熱導率，理論值達到320W/(m·K)，且具有較高的絕緣性，在高導熱領域的應用主要集中在兩個方面：封裝基板和導熱填料。以氮化鋁為例，研究表明氮化鋁的晶須呈現一維形貌，長徑比可高達500，在相同填充比下高長徑比氮化鋁晶須更有利于形成三維導熱網絡，具有更高的導熱性能（圖3）。這啟發我們在設計導熱網絡的時候，合理搭配各種維度的材料，會得到更明顯的收效。

圖3 氮化鋁晶須的微觀形貌及導熱系數與長徑比的關系（Ujihara et al, J Crystal Growth, 2017, 468, 576）

同素異形體

同素異形體是指由同樣的單一化學元素組成，因排列方式不同，而具有不同性質的單質。碳基材料是同素異形體的典型代表，由于C原子雜化軌道形態差異，碳的主要同素異形體包括：金剛石、石墨、富勒烯、碳納米管、石墨烯和石墨炔等，碳基材料近年來也成為了導熱領域研究的熱點（圖4）。

金剛石的導熱為各向同性，高質量單晶金剛石的導熱系數可高達2300 W/(m·K)，多晶金剛石的導熱系數一般在1~1000 W/(m·K)，受晶粒尺寸影響巨大。

圖4 碳基材料的導熱性能與影響因素（Cui et al, Materials China, 2020, 39, 450）

石墨烯是另一種明星導熱材料，它是一種二維材料，其導熱性能是各向異性的，其熱量主要沿平面內傳遞，沿厚度方向熱傳遞性能較差（~6 W/(m·K)）。石墨烯的導熱性能主要受尺寸、結晶度、表面官能度及層數影響。物理法制備的大尺寸單層的石墨烯的理論面內導熱系數可超過6000 W/(m·K)，隨著層數的增加導熱系數迅速下降，層數超過5層后降至1000~2000 W/(m·K)（圖5）。此外，石墨、碳纖維可以看做是以不同形式堆積的宏觀石墨烯材料，碳納米管可以看做是石墨烯卷曲形成的納米材料，它們在導熱領域都有良好的應用前景。