1、導(dǎo)熱填料研究現(xiàn)狀及進(jìn)展導(dǎo)熱填料的技術(shù)研究現(xiàn)狀導(dǎo)熱絕緣材料的研究進(jìn)展1無(wú)機(jī)非金屬導(dǎo)熱絕緣材料通常金屬如Au、Ag、Cu、Al、Mg等均具有較高的導(dǎo)熱性，但均為導(dǎo)體，無(wú)法用作絕緣材料，而部分無(wú)機(jī)非金屬材料，如金屬氧化物AI2O3、MgO、ZnO、NiO,金屬氮化物AlN、Si3N4、BN，以及SiC陶瓷等既具有高導(dǎo)熱性，同時(shí)也具有優(yōu)良的絕緣性能、力學(xué)性能、耐高溫性能、耐化學(xué)腐蝕性能等，因此被廣泛用作電機(jī)、電器、微電子領(lǐng)域中的高散熱界面材料及封裝材料等。陶瓷封裝具有耐熱性好、不易產(chǎn)生裂紋、熱沖擊后不產(chǎn)生損傷、機(jī)械強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)小、電絕緣性能高、熱導(dǎo)率高、高頻特性、化學(xué)穩(wěn)定性高、氣密性好等優(yōu)點(diǎn)，適

2、用于航空航天、軍事工程所要求的高可靠、高頻、耐高溫、氣密性強(qiáng)的產(chǎn)品封裝。由于陶瓷材料所具有的良好的綜合性能，使其廣泛用于混合集成電路和多芯片模組。在要求高密封的場(chǎng)合，可選用陶瓷封裝。國(guó)外的陶瓷封裝材料以日本居首，日本占據(jù)了美國(guó)陶瓷封裝市場(chǎng)的90%95%,并且占美國(guó)國(guó)防軍品陶瓷封裝市場(chǎng)的95%98%。傳統(tǒng)的陶瓷封裝材料是AI2O3陶瓷，具有良好的絕緣性、化學(xué)穩(wěn)定性和力學(xué)性能，摻雜某些物質(zhì)可滿足特殊封裝的要求，且價(jià)格低廉，是目前主要的陶瓷封裝材料。SiC的熱導(dǎo)率很高，是AI2O3的十幾倍，熱膨脹系數(shù)也低于AI2O3和AIN，但是SiC的介電常數(shù)過(guò)高，所以?xún)H適用于密度較低的封裝。AIN陶瓷是被國(guó)內(nèi)外

3、專(zhuān)家最為看好的封裝材料，具有與SiC相接近的高熱導(dǎo)率，熱膨脹系數(shù)低于AI2O3，斷裂強(qiáng)度大于AI2O3，維氏硬度是AI2O3的一半，與AI2O3相比，AIN的低密度可使重量降低20%，因此，AIN封裝材料引起國(guó)內(nèi)外封裝界越來(lái)越廣泛的重視。2聚合物基導(dǎo)熱絕緣材料由于聚合物材料具有優(yōu)良的電氣絕緣性能、耐腐蝕性能、力學(xué)性能、易加工性能等，人們逐步用聚合物材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電氣絕緣材料，但大多數(shù)聚合物材料的熱導(dǎo)率很低，無(wú)法直接用作導(dǎo)熱材料，需要通過(guò)加入導(dǎo)熱性物質(zhì)，使其成為導(dǎo)熱絕緣材料。按獲得導(dǎo)熱性的方式，聚合物導(dǎo)熱絕緣材料可分為本體導(dǎo)熱絕緣聚合物和填充導(dǎo)熱絕緣聚合物。本體導(dǎo)熱絕緣聚合物通過(guò)在高分子合成或加

4、工過(guò)程中改變其分子結(jié)構(gòu)和凝聚態(tài)，使其具有較高的規(guī)整性，從而提高其熱導(dǎo)率。填充型則是通過(guò)在高分子材料中加入導(dǎo)熱絕緣填料來(lái)提高其熱導(dǎo)率。填料的導(dǎo)熱性能研究1填料的比例當(dāng)導(dǎo)熱填料的填充量很小時(shí)，導(dǎo)熱填料之間不能形成真正的接觸和相互作用，這對(duì)高分子材料導(dǎo)熱性能的提高幾乎沒(méi)有意義。只有在高分子基體中，導(dǎo)熱填料的填充量到達(dá)某一臨界值時(shí)，導(dǎo)熱填料之間才有真正意義上的相互作用，體系中才能形成類(lèi)似網(wǎng)狀或鏈狀的形態(tài)即導(dǎo)熱網(wǎng)鏈。汪雨荻等在聚乙烯PE中填充氮化鋁，并考察其導(dǎo)熱性能；在電鏡下觀察到AIN與PE結(jié)合處存在間隙，這說(shuō)明AIN不浸潤(rùn)PE。AIN/PE復(fù)合材料在AIN體積分?jǐn)?shù)小于12%時(shí)，其熱導(dǎo)率基本保持不變；

5、當(dāng)AIN體積分?jǐn)?shù)在12%24%時(shí)，熱導(dǎo)率增長(zhǎng)較快；當(dāng)體積分?jǐn)?shù)大于24%后，熱導(dǎo)率增長(zhǎng)又變慢；當(dāng)AIN體積分?jǐn)?shù)到達(dá)30.2%時(shí)，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率趨于平衡，能到達(dá)2.44W/mK。GiuseppeP等利用新型滲透工藝制備了AIN/PS互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物。將液泡狀態(tài)PS單體及引發(fā)劑持續(xù)滲透到多孔性AIN中至平衡態(tài)，在氬氣氣氛中100°C、4h使PS完成聚合。從微觀上在AIN骨架上形成了一個(gè)滲濾平衡的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即使PS體積分?jǐn)?shù)低至12%也可形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。材料熱導(dǎo)率隨AIN用量增加而升高，在高用量時(shí)趨于平衡。PS體積分?jǐn)?shù)為20%30%時(shí)，材料同時(shí)獲得高熱導(dǎo)率和良好韌性。2填料的尺寸填料填充復(fù)

6、合材料的熱導(dǎo)率隨粒徑增大而增加，在填充量相同時(shí)，大粒徑填料填充所得到的復(fù)合材料熱導(dǎo)率均比小粒徑填料填充的要高。Hasselman研究了不同粒徑SiC填充的鋁基復(fù)合材料的導(dǎo)熱率，實(shí)驗(yàn)得到在20°C填充量為20%時(shí)熱導(dǎo)率隨著SiC粒徑的增大也變大。但是，導(dǎo)熱填料經(jīng)過(guò)超細(xì)微化處理可以有效提高其自身的導(dǎo)熱性能。唐明明等研究了在丁苯橡膠中分別加入納米氧化鋁和微米氧化鋁得到的聚合物材料的導(dǎo)熱性，發(fā)現(xiàn)在相同填充量下納米氧化鋁填充丁苯橡膠的熱導(dǎo)率和物理力學(xué)性能均優(yōu)于微米氧化鋁填充的丁苯橡膠，且丁苯橡膠的熱導(dǎo)率隨著氧化鋁填充量的增加而增大。3填料的形狀分散于樹(shù)脂基體中的填料可以是粒狀、片狀、球形、纖維

7、等形狀，填料的外形直接影響其在高分子材料中的分散及熱導(dǎo)率。汪雨荻利用模壓法制備了聚乙懈AIN復(fù)合基板，研究了AIN的結(jié)晶形態(tài)和填加量對(duì)復(fù)合基板熱導(dǎo)率的影響。結(jié)果說(shuō)明復(fù)合基板的熱導(dǎo)率隨AIN添加量的增大，最初變化很小，而后迅速升高，隨后增速又逐漸降低；在相同的AIN填加量情況下，熱導(dǎo)率最低的是AIN粉體復(fù)合材料，其次是含AIN纖維復(fù)合材料，最高的則是以晶須形態(tài)填加的復(fù)合材料。4基體與填料的界面導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料是由導(dǎo)熱填料和聚合物基體復(fù)合而成的多相體系，在熱量傳遞即晶格振動(dòng)傳遞過(guò)程中，必然要經(jīng)過(guò)許多基體-填料界面，因此界面間的結(jié)合強(qiáng)度也直接影響整個(gè)復(fù)合材料體系的熱導(dǎo)率。基體和填料界面的結(jié)合強(qiáng)度與

8、填料的外表處理有很大關(guān)系，取決于顆粒外表易濕潤(rùn)的程度。這是因?yàn)樘盍贤獗頋?rùn)濕程度影響填料與基體的黏結(jié)程度、基體與填料界面的熱障、填料的均勻分散、填料的加入量等一些直接影響體系熱導(dǎo)率的因素。增加界面結(jié)合強(qiáng)度能提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。張曉輝等研究發(fā)現(xiàn)AI2O3粒子經(jīng)偶聯(lián)劑外表處理后填充環(huán)氧，與未經(jīng)外表處理直接填充所得的環(huán)氧膠黏劑相比，其熱導(dǎo)率提高了10%，獲得的最大熱導(dǎo)率為1.236W/mK牟秋紅等以AI2O3為導(dǎo)熱填料，制備了熱硫化導(dǎo)熱硅橡膠，考察了5種外表處理劑對(duì)AI2O3填充硅橡膠性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，5種處理劑處理均能提高硅橡膠的熱導(dǎo)率，其中以乙烯基三B-甲氧基乙氧基硅烷效果最為明顯。外表處理

9、劑的加入既可以改善填料的分散能力，又可以減少硅橡膠受外力作用時(shí)填料粒子與基體間產(chǎn)生的空隙，減少應(yīng)力集中導(dǎo)致的基體破壞。外表處理劑對(duì)硅橡膠熱導(dǎo)率的影響應(yīng)該是“橋聯(lián)”和“包覆”共同作用的結(jié)果。一方面，其“橋聯(lián)”作用改善了填料與基體的界面相容性，減少了界面缺陷及可能存在的空隙，從而降低了體系的熱阻；另一方面，假設(shè)包裹在填料表層的偶聯(lián)劑的熱導(dǎo)率較低，又會(huì)增加熱阻。外表處理劑是否能夠提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，關(guān)鍵在于處理是否能夠在界面處形成有效的鍵合。中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所的汪倩等人在提高室溫硫化硅橡膠導(dǎo)熱性能方面做了一系列研究工作，發(fā)現(xiàn)選擇高導(dǎo)熱系數(shù)的填料，更重要的是通過(guò)填料在硅橡膠中堆積致密模型的設(shè)計(jì)和計(jì)

10、算及選擇合理的填料品種、填料粒徑及粒徑的分布，可以使室溫硫化硅橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)高到I. 32.5W/mK到達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平。XuYS等研究了AIN粉末及晶須填充的環(huán)氧、聚偏氟乙烯PVDF復(fù)合塑料導(dǎo)熱性能，發(fā)現(xiàn)加7um粒子和晶須以25:1質(zhì)量比混合，總體積為60%時(shí)，PVDF熱導(dǎo)率達(dá)11.5W/m用硅烷偶聯(lián)劑處理粒子外表，因粒子/環(huán)氧界面改善減少了熱阻，則環(huán)氧熱導(dǎo)率可以到達(dá)II. 5W/mK提高了97%；但是，AIN加入降低了材料拉伸強(qiáng)度、模量及韌性，在水中浸泡后發(fā)生降解。YuSZ等研究了AIN/聚苯乙烯PS體系導(dǎo)熱性能，將AIN分散到PS中，環(huán)繞、包圍PS粒子，發(fā)現(xiàn)PS粒子大小影響材料熱導(dǎo)率，2m

11、m的PS粒子比015mm粒子體系熱導(dǎo)率高，因粒子尺寸愈小，等量PS需更多AIN粒子對(duì)其形成包裹，從而形成導(dǎo)熱通道。AIN加入顯著提高PS熱導(dǎo)率，含20%AIN且PS粒子為2mm時(shí)，體系的熱導(dǎo)率為純PS的5倍。提高導(dǎo)熱性能的途徑1開(kāi)發(fā)新型導(dǎo)熱材料如利用納米顆粒填充，導(dǎo)熱系數(shù)可增加不少，尤其是某些共價(jià)鍵型材料變?yōu)榻饘冁I型材料導(dǎo)熱性能急劇升高。2填料粒子外表改性處理樹(shù)脂和導(dǎo)熱填料界面對(duì)塑料導(dǎo)熱性能有重要影響，所以導(dǎo)熱填料外表的潤(rùn)濕程度影響著導(dǎo)熱填料在基體中的分散情況，基體與填料粒子的粘結(jié)程度及二者界面的熱障。3成型工藝條件選擇及優(yōu)化導(dǎo)熱填料與塑料的復(fù)合方式及成型過(guò)程中溫度、壓力、填料及各種助劑的加料

12、順序等對(duì)導(dǎo)熱性能有明顯影響。多種粒徑導(dǎo)熱填料混合填充時(shí)，填料的搭配對(duì)提高導(dǎo)熱性能和降低粘度有明顯影響，導(dǎo)熱填料不同粒徑分布變化時(shí)，體系導(dǎo)熱性能和粘度發(fā)生規(guī)律性變化，當(dāng)粒徑分布適當(dāng)時(shí)可同時(shí)得到最高導(dǎo)熱系數(shù)和最低粘度的混合體系。目前在有機(jī)硅領(lǐng)域所使用的導(dǎo)熱材料多數(shù)為氧化鋁、氧化硅、氧化鋅、氮化鋁、氮化硼、碳化硅等。尤其是以微米氧化鋁、硅微粉為主體，納米氧化鋁，氮化物做為高導(dǎo)熱領(lǐng)域的填充粉體；而氧化鋅大多做為導(dǎo)熱膏導(dǎo)熱硅脂填料用。一、導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)列表：材料名稱(chēng)導(dǎo)熱系數(shù)K(w/m.k)氧化鈹劇毒270氮化鋁80320氮化硼125有文章寫(xiě)60K(w/m.k)碳化硅83.6-有文章寫(xiě)170220K(

13、w/m.k),個(gè)人表示疑心，導(dǎo)熱這么好的話，就完全沒(méi)有BN和AIN的市場(chǎng)了氧化鎂36氧化鋁30氧化鋅26二氧化硅(結(jié)晶型)10注：以上數(shù)據(jù)來(lái)自以下3篇論文1. 氧化鋁在導(dǎo)熱絕緣高分子復(fù)合材料中的應(yīng)用，李冰，塑料助劑，2008年第3期，1416頁(yè)2. 金屬基板用高導(dǎo)熱膠膜的研究，孔凡旺等，廣東生益科技，第十一屆覆銅板市場(chǎng)技術(shù)研討會(huì)論文集101106頁(yè)3. 復(fù)合絕緣導(dǎo)熱膠粘劑的研究，周文英等中國(guó)膠粘劑2006年11月第15卷11期，2225頁(yè)以下部分觀點(diǎn)來(lái)自期刊論文，部分觀點(diǎn)來(lái)自廣闊產(chǎn)品工程師，感謝大家。優(yōu)缺點(diǎn)分析：1、氮化鋁AIN,優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)熱系數(shù)非常高。缺點(diǎn)：價(jià)格昂貴，通常每公斤在千元以上；氮化

14、鋁吸潮后會(huì)與水反應(yīng)會(huì)水解AIN+3H20=AI(OH)3+NH3，水解產(chǎn)生的AI(0H)3會(huì)使導(dǎo)熱通路產(chǎn)生中斷，進(jìn)而影響聲子的傳遞，因此做成制品后熱導(dǎo)率偏低。即使用硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行外表處理，也不能保證100%填料外表被包覆。單純使用氮化鋁，雖然可以到達(dá)較高的熱導(dǎo)率，但體系粘度極具上升，嚴(yán)重限制了產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。2、氮化硼B(yǎng)N，優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)熱系數(shù)非常高，性質(zhì)穩(wěn)定。缺點(diǎn)：價(jià)格很高，市場(chǎng)價(jià)從幾百元到上千元根據(jù)產(chǎn)品品質(zhì)不同差異較大雖然單純使用氮化硼可以到達(dá)較高的熱導(dǎo)率，但與氮化鋁類(lèi)似，大量填充后體系粘度極具上升，嚴(yán)重限制了產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。聽(tīng)說(shuō)有國(guó)外廠商有生產(chǎn)球形BN，產(chǎn)品粒徑大，比外表積小，填充率高，不易增

15、粘，價(jià)格極高。3、碳化硅SiC優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)熱系數(shù)較高。缺點(diǎn)：合成過(guò)程中產(chǎn)生的碳及石墨難以去除，導(dǎo)致產(chǎn)品純度較低，電導(dǎo)率高，不適合電子用膠。密度大，在有機(jī)硅類(lèi)膠中易沉淀分層，影響產(chǎn)品應(yīng)用。環(huán)氧膠中較為適用。4、氧化鎂MgO優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格廉價(jià)。缺點(diǎn)：在空氣中易吸潮，增粘性較強(qiáng)，不能大量填充；耐酸性差，一般情況下很容易被酸腐蝕，限制了其在酸性環(huán)境下的應(yīng)用。5、a-氧化鋁針狀優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格廉價(jià)。缺點(diǎn)：添加量低，在液體硅膠中，普通針狀氧化鋁的最大添加量一般為300份左右，所得產(chǎn)品導(dǎo)熱率有限。6、a-氧化鋁球形優(yōu)點(diǎn)：填充量大，在液體硅膠中，球形氧化鋁最大可添加到600800份，所得制品導(dǎo)熱率高。缺點(diǎn)：價(jià)格較貴，但低于

16、氮化硼和氮化鋁。7、氧化鋅ZnO優(yōu)點(diǎn)：粒徑及均勻性很好，適合生產(chǎn)導(dǎo)熱硅脂。缺點(diǎn)：導(dǎo)熱性偏低，不適合生產(chǎn)高導(dǎo)熱產(chǎn)品；質(zhì)輕，增粘性較強(qiáng)，不適合灌封。8、石英粉結(jié)晶型優(yōu)點(diǎn)：密度大，適合灌封；價(jià)格低，適合大量填充，降低成本。缺點(diǎn)：導(dǎo)熱性偏低，不適合生產(chǎn)高導(dǎo)熱產(chǎn)品。密度較高，可能產(chǎn)生分層。9、纖維狀高導(dǎo)熱碳粉優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)熱系數(shù)極高，沿纖維方向的導(dǎo)熱率是銅的2-3倍，最高可到達(dá)700w/mk,同時(shí)具有良好的機(jī)械性能和優(yōu)異的導(dǎo)熱及輻射散熱能力，并且可設(shè)計(jì)導(dǎo)熱取向；缺點(diǎn)：價(jià)格昂貴，并且不易與塑料混合。10、鱗片狀高導(dǎo)熱碳粉優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)熱系數(shù)高，粒徑在納米級(jí)，填充率高；缺點(diǎn)：堆積密度大，不易加工，價(jià)格昂貴但低于纖維狀高

17、導(dǎo)熱碳粉氮化鋁AIN多介紹一些高純度低含氧量納米氮化鋁AIN粉體純度高、粒徑小、分布均勻、比外表積大、高外表活性，具有良好的注射成形性能；用于復(fù)合材料，與半導(dǎo)體硅匹配性好、界面相容性好，可提高復(fù)合材料的機(jī)械性能和導(dǎo)熱介電性能。納米氮化鋁粉體的外表活性特別大，特別容易水解與吸氧，所以必須要對(duì)納米氮化鋁粉體進(jìn)行外表處理，才可以表達(dá)出它超凡的特性出來(lái)。高純度低含氧量納米氮化鋁AIN(導(dǎo)熱系數(shù)320W/(m*k)目前主要用于硅膠、環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯等高分子樹(shù)脂材料中，大幅提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱性及良好的電絕緣性，較寬的電絕緣性使用溫度工作溫度-60°C-220°C較低的粘度和良好的施工性

18、能。因?yàn)榭扇〈?lèi)進(jìn)口產(chǎn)品而廣泛應(yīng)用于電子器件的熱傳遞介質(zhì)，提高工作效率。如CPU與散熱器填隙、大功率三極管、可控硅元件、二極管、與基材接觸的細(xì)縫處的熱傳遞介質(zhì)。納米導(dǎo)熱膏是填充IC或三極管與散熱片之間的空隙，增大它們之間的接觸面積，到達(dá)更好的散熱效果。導(dǎo)熱塑料中的應(yīng)用：高純度低含氧量納米氮化鋁粉體可以大幅度提高塑料的導(dǎo)熱率。通過(guò)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品以15%的比例添加到塑料中，可以使塑料的導(dǎo)熱率從原來(lái)的0.2提高到3，導(dǎo)熱率提高了15倍。相比較目前市場(chǎng)上的導(dǎo)熱填料氧化鋁、氧化鎂、低純度的納米氮化鋁等具有添加量低，對(duì)制品的機(jī)械性能有提高作用，導(dǎo)熱效果提高更明顯等特點(diǎn)。高導(dǎo)熱硅橡膠的應(yīng)用：采購(gòu)與硅匹配性能好，

19、在橡膠中容易分散，在不影響橡膠的機(jī)械性能的前提下可大幅度提升硅橡膠的導(dǎo)熱率，在添加過(guò)程中不像氧化物等使黏度上升很快，添加量很小根據(jù)導(dǎo)熱要求一般在3%左右就可以使導(dǎo)熱率提高50%-70%，現(xiàn)廣泛應(yīng)用與軍事，航空以及信息工程中。其他應(yīng)用領(lǐng)域：高純度低含氧量納米氮化鋁應(yīng)用于熔煉有色金屬和半導(dǎo)體材料砷化鎵的坩堝、蒸發(fā)舟、熱電偶的保護(hù)管、高溫絕緣件、微波介電材料、耐高溫及耐腐蝕結(jié)構(gòu)陶瓷及透明氮化鋁微波陶瓷制品，以及目前應(yīng)用與聚酰亞胺樹(shù)脂，導(dǎo)熱絕緣云母帶，導(dǎo)熱脂，絕緣漆以及導(dǎo)熱油等。綜上，不同填料有各自特點(diǎn)，選擇填料時(shí)應(yīng)充分利用各填料的優(yōu)點(diǎn)，采用幾種填料進(jìn)行混合使用，發(fā)揮協(xié)同作用，既能到達(dá)較高的熱導(dǎo)率，又能有效的降低成本，同時(shí)保障填料與有機(jī)硅基體的混溶性。導(dǎo)熱材料目前主要方式還是靠填充來(lái)提高導(dǎo)熱系數(shù)，所以填充量的多少對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)影響至關(guān)重要。說(shuō)到這個(gè)，給大家說(shuō)說(shuō)我以前的一個(gè)經(jīng)歷，以前有見(jiàn)過(guò)說(shuō)添加個(gè)百分之幾就可以提高導(dǎo)熱系數(shù)到我們理想的數(shù)值。導(dǎo)熱系數(shù)再高的東西，如果沒(méi)有形成導(dǎo)熱通路，導(dǎo)熱也不會(huì)很高。但是抱著試試的心理。聯(lián)系了這家賣(mài)這個(gè)導(dǎo)熱填料的公司。具體就不說(shuō)了。當(dāng)初只是想找一點(diǎn)點(diǎn)樣品，試試效果，如果真有這么好，那整個(gè)行業(yè)就轟動(dòng)了。剛開(kāi)口需求樣品，那邊就說(shuō)樣品不免費(fèi)送，需要購(gòu)買(mǎi)。我說(shuō)只需