液態金屬架橋：打造高柔順聚合物基導熱復合材料

發布時間 | 2025-01-03 09:51 分類 | 粉體應用技術點擊量 | 695

氮化硼

導讀：熱界面材料（TIMs）廣泛應用于電子元件散熱領域，其主要作用為填充于芯片與熱沉之間和熱沉與散熱器之間，以驅逐其中的空氣[常溫下導熱系數僅為0.026W/（m·K）]，使芯片產生的熱量能更快速地通過...

熱界面材料（TIMs）廣泛應用于電子元件散熱領域，其主要作用為填充于芯片與熱沉之間和熱沉與散熱器之間，以驅逐其中的空氣[常溫下導熱系數僅為0.026W/（m·K）]，使芯片產生的熱量能更快速地通過熱界面材料傳遞到外部，達到降低工作溫度、延長使用壽命的重要作用。

使用一種熱導率高于空氣的材料來填補接觸面形成的空氣間隙，從而提高傳熱效率，這就是所謂的熱界面材料，圖片參考資料1

熱界面材料通常要求具備高導熱性和高柔韌性，以確保其能有效填充接觸面間隙并提高熱傳導效率，然而，這兩個特性基本上是矛盾的，因為大多數高導熱材料都是剛性的。為了解決這一矛盾，傳統的熱界面材料采用填充型復合材料：它由導熱填料（例如金屬粉體、BN、AIN）和高分子基體組成，其中高分子基體賦予復合材料易加工性和可塑性等，導熱填料則負責體系的高效、及時地散發熱量。

基體中導熱填料的分布情況（a）“海島”結構;（b）局部導熱鏈條;（c）貫穿基體的導熱路徑，圖片來源：參考資料1

“填充型復合材料”的填料分散在連續的聚合物基質中，只有在填料含量達到或超過臨界值，聚合物基復合材料的導熱性能才會有效改善。目前制備填充型TIMs材料面臨兩方面的困境：一方面，必須增加復合材料中的填料用量才能提高熱導率；另一方面，填料過多會破壞聚合物基質的連續性，導致柔順性下降，聚合物復合材料的適用性變差。當TIMs內部僅有單一填料時，即使在高填充條件下，顆粒間可能仍然有較多的空隙，這是限制TIMs導熱性能的重要原因。將導熱基體與具有不同形狀、尺寸或者種類的導熱填料相結合，通過填料分散以及填料堆積，在填料之間形成“橋接”的傳熱通道，可以使填料在TIMs中形成連續的導熱路徑。

單一填料（a）和（b）不同尺寸的混合填料的導熱路徑

液態金屬（liquid metal，LM）例如鎵、銦及其合金，在室溫上下具有極好的流動性，因其柔韌性，不乏的導熱系數（20~30W·m^-1·K^-¹）和低熱阻而受到越來越多的關注，但相較于氮化硼（250~300W·m^-1·K^-¹），碳納米管（2000~6 000W·m^-1·K^-¹）等其他高導熱填料，液態金屬稍有遜色，即使高填充量的液態金屬/聚合物熱界面材料也達不到目前的電子部件的散熱，但若將其作為輔助填料，以“液橋”的形式填料中架起利于聲子傳熱的通道，液態金屬的流動性可以在保證柔順性的同時也能使聚合物基熱界面材料熱導率得到提升。

龐云嵩等[2]通過向聚二甲基硅氧烷（PDMS），鋁體系中引入鎵基液態金屬，降低球形鋁粉之間的接觸熱阻，提高了聚二甲基硅氧烷/鋁的導熱性能；同時，避免了高填料含量導致的柔順性下降問題。制備的聚二甲基硅氧烷/鋁/液態金屬熱界面材料導熱系數達到4.25W·m^-1·K^-1，柔順性能表現優異（斷裂伸長率高達164.9%，楊氏模量僅為174kPa），與生物軟體組織的力學性能類似。