导热复合材料降低填料之间界面热阻研究进展

复合材料热导率增强的低效率源于其内部存在界面热阻——填料与树脂基体之间的界面热阻及填料之间的界面热阻。目前大多数研究都集中于降低填料与树脂基体之间的界面热阻,而高填充量下填料之间的界面热阻才是影响复合材料热导率的关键因素。文中从增加填料之间的接触面积和提高填料之间的键接强度两方面综述了近年来降低填料之间界面热阻的研究进展,为高导热复合材料的设计和制备提供参考。

氮化硼/聚合物导热复合材料界面热阻调控研究进展

随着5G时代的发展,电子器件领域的热管理问题日发严峻。氮化硼(BN)是一类高热导率(TC)、高绝缘的导热填料,广泛应用于热管理领域,包括六方氮化硼(h-BN)、氮化硼纳米片(BNNS)和氮化硼纳米管(BNNT)。然而,BN表面呈化学惰性,其与基体或其他填料间亲和力低、声子谱失配等,导致了填料与基体/填料间存在明显的界面热阻,限制了复合材料TC的提升,难以满足使用要求。因此,如何调控界面热阻、设计BN/聚合物导热复合材料的热传导界面,并提高复合材料的导热能力是当前亟待解决的难题。研究者分别从理论模拟与实验验证两个角度对热流在界面传导的差异及其原因进行探索。在理论研究中,将分子动力学(MD)模拟及有限元模拟(FEA)等方法结合有效介质模型及其优化模型、Foygel模型等能够对界面热阻(ITR)进行深入的理论模拟与分析;其中,影响界面热阻的关键参数包括BN含量、尺寸及晶体状态、BN的分布形貌等。在实验设计中,为了改善填料与基体间界面热阻,首先对BN表面共价键改性或表面包覆,随后结合聚合物种类设计相应的官能团来改善BN与聚合物的界面作用力;其中BN表面的共价键改性对BN本身晶体结构有一定的破坏,表面包覆则能够较好地保持BN结构。为了改善填料与填料间界面热阻,研究者常采用BN的定向排列、桥接、构建3D导热网络结构等策略来改善填料间的接触,其中BN的定向排列法充分利用BN的各向异性、增大填料间的有效接触面积,能够显著提升复合材料某一方向的TC;桥接法是将彼此分离的BN相互连接,通过在基体中形成异质结构来构建更为完善的导热路径;构建3D导热网络结构的方法近年来已被广泛研究,其能够创建长程连续的导热路径,具体方法包括冰模板法、盐模板、发泡策略、构建凝胶网络和两相/三相隔离结构等。综合目前研究进展,本文首先归纳了计算BN/聚合物界面热阻的模型及相关模拟的进展,并从填料与基体及填料与填料间的界面热阻两个角度,分别总结了改善聚合物/BN导热复合材料界面热阻的策略,对比了各种方法对复合材料导热性能的改善效果,并展望了低界面热阻与高导热复合材料的发展趋势。

填充型环氧树脂基导热绝缘复合材料研究进展

简要介绍填充型环氧树脂基绝缘材料的导热机理,重点从填料种类、物料配比以及新技术新方法的角度概述了近几年填充型环氧树脂基导热绝缘复合材料的研究进展,简述了填料表面处理对其导热性能的影响。并对填充型环氧树脂基导热绝缘复合材料新的发展方向进行了展望。

液晶功能化氮化硼/液晶环氧树脂导热复合材料的制备

导热高分子复合材料的导热系数(λ)难以达到预期值的重要原因之一在于高分子基体的本征λ低;同时导热填料-高分子基体的界面热障也是导致其导热性能提升不佳的重要因素。通过在球形氮化硼(GBN-100)表面原位接枝液晶环氧小分子(LCE-g-(GBN-100),gGBN-100),再与自制的主链型液晶环氧树脂(M-LCER)基体熔融共混复合-浇注成型制备gGBN-100/M-LCER导热复合材料。结果表明,GBN-100表面LCE的引入赋予了gGBN-100液晶特性,同时有效降低了gGBN-100和M-LCER基体的界面热障。当gGBN-100的质量分数为30%时,gGBN-100/M-LCER导热复合材料的λ为1.12 W/mK,为纯M-LCER基体λ(0.51 W/mK)的2.2倍,也高于相同用量(质量分数30%)下GBN-100/M-LCER导热复合材料的λ(1.02 W/mK)。此时gGBN-100/M-LCER导热复合材料的弹性模量和硬度也从纯M-LCER基体的2.78和0.19 GPa分别提高到4.13和0.24 GPa。

具有三维连续网络结构的聚合物基导热复合材料研究进展

热界面材料可以有效地将高温电子器件的热量快速传递到热管理元件,以缓解电子器件过热而导致的元件寿命恶化的问题。近年来,由聚合物和高导热填料制成的聚合物基复合材料因其密度低、导热性能可调而受到广泛关注。不同于传统的填料随机分散的复合材料,在聚合物基体中构建三维连续网络结构可以显著增加填料/填料接触、降低导热渗透阈值和界面热阻,显著改善复合材料的导热性能。首先,简要分析了聚合物基导热复合材料的导热机制。其次,总结了具有连续网络结构的聚合物基导热复合材料的构筑工艺,主要包括基于三维导热填料网络的预构筑、基于聚合物颗粒/粉末的后加工、基于聚合物纤维/织物的后加工、基于聚合物胶乳的铸膜或絮凝等工艺。再次,系统总结了不同类型的导热填料对聚合物复合材料导热性能的影响,主要包括金属填料、陶瓷填料、碳基填料及其混杂填料等。最后,对具有三维连续网络结构的聚合物基导热复合材料的发展前景进行了展望。