取向导热聚合物复合材料的节能工艺（热泳）

 

摘要：导热聚合物复合材料由沿着特定方向定向的填料组成，形成热流通道。然而，控制这些填料取向的传统方法是高成本的能源密集型的，并且需要进行表面修饰，这会降低材料的质量和性能。现在，韩国研究人员已经开发出一种节能的方法来控制填料的取向，且无需进行表面修饰，从而提高导热性。由于具有质轻、柔韧和加工灵活性等优势，导热聚合物复合材料常被用做热界面材料（TIM）填充在电子设备芯片/热源和散热器之间，从而将热源产生的热量传导到散热器，进而扩散至周围环境。

 

图1：导热聚合物TIM材料应用示意图

散热器水平放置在电子产品热源顶部，通常要求热源与散热器之间的 TIM 材料具有较大的轴向热导率，才能提供较高的导热效率。由于六方氮化硼 (h-BN) 具有较高的面内热导率 (∼400 W/m∙K)，通过引导 h-BN 填料在轴向上取向来实现结构化热传导路径，制造垂直排列的 h-BN 高效导热 TIM 材料获得青睐。
 

图2：六方氮化硼 (h-BN) 的结构

目前，改变导热填料的取向方向依然采用能源密集型的传统工艺，需要使用电/磁场和表面修饰工艺，这除了大幅增加取向导热聚合物材料的成本，还可能会损害填充物的质量和热性能。现在，韩国釜山国立大学的 Chae Bin Kim 教授和他的团队宣布已经开发出一种节能的工艺，可以改变填料的排列方向，而不需要进行表面修饰。研究论文已于 2022 年 10 月17 日在网上公布，并将于 2023 年 1 月 1 日发表在《聚合物测试》杂志的第 117 卷。

图3：改变导热填料取向的节能方法，研究成果发表在《Polymer Testing》

论文中所提出的节能工艺利用了热泳方法，是一种利用温度梯度使悬浮在流体介质中的固体颗粒发生移动或旋转的现象。为了制备导热取向聚合物复合材料，研究人员将六方氮化硼（h-BN）填料颗粒悬浮在一种紫外线固化的液体中，并将其涂在两块玻璃板之间，然后沿着薄膜厚度方向施加一个温度梯度，使填料颗粒旋转，并沿着施加的温度梯度重新排列。在达到所需的取向方向时，对复合材料进行光固化，从而形成具有固定填料方向的固体复合材料，形成结构化传热途径。

图4：六方氮化硼（h-BN）填料颗粒在温度梯度中发生垂直取向排列（图片来源：Pusan National University）

Chae Bin Kim 教授表示，据他们所知，他们目前的研究是利用热泳技术控制各向异性填料颗粒获得取向的第一个实验证明。他们所提出的方法有可能降低制造导热聚合物复合材料的能耗成本。此外，通过避免表面修饰，可以开发出高效的导热聚合物复合材料，以改善散热和延长电子产品的寿命。