知識分享|導(dǎo)熱填料面面觀（二）
在導(dǎo)熱材料面面觀（一）中，我們介紹了不同類型的導(dǎo)熱填料。（點擊回顧上期內(nèi)容）本期我們將對影響導(dǎo)熱填料熱傳導(dǎo)性能的因素進(jìn)行探討。
影響導(dǎo)熱填料熱傳導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)、絕緣性好、種類豐富、穩(wěn)定性好、價格適宜，是導(dǎo)熱界面材料產(chǎn)品中最常用的填料。這些填料一般依賴聲子(phonon)進(jìn)行熱傳導(dǎo)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(dǎo)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(guān)，易受結(jié)構(gòu)和缺陷影響。在這篇文章中，我們總結(jié)了多種可能影響這些粉體熱傳導(dǎo)性能的因素。
圖1 影響導(dǎo)熱填料熱傳導(dǎo)性能的主要因素
晶型的影響
以氧化鋁為例，氧化鋁的導(dǎo)熱率適中、絕緣，且價格較低、來源較廣，是經(jīng)濟適用型填料。此外，氧化鋁表面易于修飾，與絕大多數(shù)聚合物相容性較好。目前已經(jīng)知道的氧化鋁共有九種晶體形態(tài)，包括α、γ、β、η、δ、θ、χ、κ和無定型相。
氧化鋁的導(dǎo)熱系數(shù)與晶型密切相關(guān)，如最常用的α-Al2O3的理論導(dǎo)熱系數(shù)為28W/(m·K)，而γ-Al2O3的導(dǎo)熱系數(shù)為35W/(m·K)（J Am Ceram Soc. 2021;104:1436–1447），κ-Al2O3的導(dǎo)熱系數(shù)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(xiàn)報道表明99%的α-Al2O3的導(dǎo)熱系數(shù)接近理論數(shù)值，當(dāng)純度降低到92%時，導(dǎo)熱率降低到小于20W/(m·K)，雜質(zhì)的存在影響晶體的結(jié)晶性及聲子的傳遞質(zhì)量（圖2）。此外，氧化鋁的結(jié)晶度、顆粒尺寸、空隙等也會大大影響其導(dǎo)熱性能。
圖2 氧化鋁純度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響
形貌的影響
氮化鋁有很高的熱導(dǎo)率，理論值達(dá)到320W/(m·K)，且具有較高的絕緣性，在高導(dǎo)熱領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在兩個方面：封裝基板和導(dǎo)熱填料。以氮化鋁為例，研究表明氮化鋁的晶須呈現(xiàn)一維形貌，長徑比可高達(dá)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(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，具有更高的導(dǎo)熱性能（圖3）。這啟發(fā)我們在設(shè)計導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)熱系數(shù)與長徑比的關(guān)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(xué)元素組成，因排列方式不同，而具有不同性質(zhì)的單質(zhì)。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(tài)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(dǎo)熱領(lǐng)域研究的熱點（圖4）。
金剛石的導(dǎo)熱為各向同性，高質(zhì)量單晶金剛石的導(dǎo)熱系數(shù)可高達(dá)2300 W/(m·K)，多晶金剛石的導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)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(dǎo)熱材料，它是一種二維材料，其導(dǎo)熱性能是各向異性的，其熱量主要沿平面內(nèi)傳遞，沿厚度方向熱傳遞性能較差（~6 W/(m·K)）。石墨烯的導(dǎo)熱性能主要受尺寸、結(jié)晶度、表面官能度及層數(shù)影響。物理法制備的大尺寸單層的石墨烯的理論面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)可超過6000 W/(m·K)，隨著層數(shù)的增加導(dǎo)熱系數(shù)迅速下降，層數(shù)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(dǎo)熱領(lǐng)域都有良好的應(yīng)用前景。
圖5 石墨烯導(dǎo)熱性能與層數(shù)的關(guān)系（Ghosh et al, Nature Mater, 2010, 9, 555）
多種因素影響
在更多的情況中，多種因素共同影響材料的導(dǎo)熱性能。以氮化硼為例，氮化硼是由氮原子和硼原子所構(gòu)成的晶體。具有四種不同的變體：六方氮化硼（hBN）、立方氮化硼（cBN）、菱方氮化硼（rBN）和纖鋅礦氮化硼（WBN）。其中六方氮化硼是最常用的導(dǎo)熱填料，具有高導(dǎo)熱和高絕緣的特點。
圖6總結(jié)了不同晶型的氮化硼、不同層數(shù)的氮化硼、氮化硼納米管、氮化硼量子點、不同邊緣結(jié)構(gòu)的氮化硼納米帶等多種形態(tài)氮化硼的導(dǎo)熱系數(shù)。通過對比我們可以得出一些基本的結(jié)論：尺寸越大、層數(shù)越少、原子排列越規(guī)整的氮化硼其導(dǎo)熱系數(shù)越高。
圖6 不同形態(tài)氮化硼的導(dǎo)熱系數(shù)（Jha, Renew Sust Energy Rev, 2020, 120, 109622）
隨著對導(dǎo)熱界面材料性能的深入研究和理解，泰吉諾將繼續(xù)不定期推出更多與熱管理材料領(lǐng)域相關(guān)的基礎(chǔ)知識、原理、最新研究進(jìn)展等內(nèi)容，以持續(xù)的交流分享推動行業(yè)更好發(fā)展。
我們期待與您一起探索導(dǎo)熱界面材料的無限可能，下期再見。
