以下文章来源于先进功能材料,作者苏幕遮
前言导读
5G时代,电子产品在集成化、小型化、精密化的方向取得前所未有的发展。在高功率密度的发展趋势下,器件中产生的热流密度越来越大,导致散热问题越来越突出。如果这些热量不能及时排出,将会对电子设备的运行可靠性和稳定性产生负面影响,也会威胁电子设备的使用寿命。在电子元件和散热器之间引入具有高导热性的复合材料对于解决这些散热问题至关重要。热界面材料(TIMs)是用于改善电子设备热量传递的材料,TIMs主要是导热聚合物复合材料。
填充型导热聚合物是在通用聚合物中加入高热导率粒子,通过一定方式复合而获得,具有成本低、加工简便、适合工业化生产的特点,是目前国内外导热聚合物的主要制备方法。
制备填充导热聚合物的填料粒子有三类:金属、无机粒子及碳材料。金属碳粒子填充的导热聚合物,主要用于对电绝缘性不做要求的传热及散热场合,如石墨、铝粒子/聚丙烯导热塑料用于制造耐化学腐蚀的换热器;绝缘导热无机粒子填充的聚合物材料,主要应用在电绝缘要求较高场合的散热及导热,如导热覆铜板的导热绝缘树脂层、芯片封装的导热塑料、绝缘导热聚合物胶黏剂等。
本文主要阐述金属粒子、碳材料、无机导热粒子的基本性能及其在聚合物中的应用,为正确选择和使用导热填料提供技术参考。
一、 金属填料
工业使用的导热金属粒子主要有金、银、铜、铝、锌、镍等,金、银价格昂贵,工业上很少使用,而铜、铝、锌等金属粒子因热导率高、价格适中而广泛使用。下面分别介绍主要金属粒子的化学、物理性能。
(1)金粒子
金(Gold, Au),原子序数为79,原子量为196.966,熔点为1064.43℃,沸点2808℃,汽化热334.4kJ/mol,熔解热12.55kJ/mol,电阻率2.4x10-8Ω·m,比热容0.128J/(g·K),热导率为317W/(m·K),CTE为14.2x10-6/K,莫氏硬度2.5。
金,难分解,具有良好的延展性、极高的传热性和导电性。纯金具有良好的抗化学腐蚀性、极高的化学惰性,抗高温氧化,是最好的电镀材料。金易被磨成粉状,是金在自然界中呈分散状的原因,金粉填充聚合物能经受长期的老化而热导率不衰减,源自金粉的卓越抗氧化性,这是其他金属如铜、铝等所不具备的优异性能。
(2)银粒子
银(Silver, Ag),原子序数为47,属IB族金属元素,是过渡性银白色金属,银晶体的晶胞为面心立方晶胞,每个品胞含有4个金属原子。银原子量为107.8682,密度为10.53g/cm3,熔点为961.78℃,沸点为2213℃,熔解热为11.30kJ/mol,反射率为91%,莫氏硬度为2.5。银有很好柔韧性和延展性,延展性仅次于金,能压成薄片,拉成细丝。银是导电性和导热性最好的金属,室温热导率约为420W/(m·K),电阻率为1.586x10-8Ω·m。
银的高热导率及在空气中难氧化性使其成为最佳的导热金属粒子,但价格昂贵限制了工业应用。但是,可以把金属银镀到其他廉价粒子的表面,如银包铝粉、铜粉、聚合物等,形成一层薄壳,利用该核/壳结构复合粒子最大程度发挥银的高热导率,降低用量和成本。银粒子有近球形和片状结构,片状银粒子的实际使用效果更好。
(3)铜粒子
铜(Copper, Cu),原子序数为29,为过渡金属,铜原子量为63.54,密度为8.92g/cm3,熔点为1083.4℃,沸点为2567℃,电离能为7.726 eV,莫氏硬度为3,电阻率约为1.75x10-8Ω·m,热导率为397W/(m·K)。铜的电导率及热导率仅次于银,是工业中广泛应用的导电、导热金属。
纯铜是柔软的金属,表面刚切开时为红橙色带金属光泽,单质呈紫红色。延展性好,导热性和导电性高,因此在电缆和电气、电子元件是最常用的材料。
铜的极高导热性使其用作各种换热设备如热交换器、冷凝器、散热器的关键材料。铜粉是制备高热导率聚合物的最佳填料粒子,铜粒子有近球形和片状粒子。要注意的是,在烘干铜粉时尤其注意使用温度,防止铜粒子表面被氧化,降低铜粉的导电及导热性能。
(4)铝粒子
铝(Aluminium, Al),银白色轻金属,质软,密度为2.7g/cm3,熔点为660.4℃,沸点为2467℃,不溶于水,溶于碱、盐酸、硫酸。纯铝导热性好,热导率约为 270W/(m·K),导电性很好,仅次于银、铜。如果按单位质量计,铝的电导率则超过了铜,在远距离传输时经常代替铜。
纯铝极易与空气中氧气反应,生成一层致密氧化铝薄膜覆盖在铝表面,氧化铝薄膜能防止铝被继续氧化,但是表面氧化铝绝缘层会降低铝粉的电导率,所以填充高分子材料电导率较低,绝缘性较好,铝-聚合物材料具有较高的热导率和介电常数,低损耗。表层氧化铝厚度对铝的热导率及电性能有影响。
(5)铁粒子
铁(Iron, Fe),原子序数为26,原子量为55.847,密度为7.9g/cm3,比热容为0.46J/(g·k),熔点为1535℃,沸点为2750℃,电离能为7.870eV,热导率约61W/(m·K),是最常见的第Ⅷ副族过渡金属。
纯铁有银白色金属光泽,质软,延展性良好,传导性(导电、导热)好。铁有多种同素异形体,如α铁、β铁、γ铁、σ铁等;铁在潮湿空气中容易发生电化学腐蚀,在氧气中燃烧生成Fe3O4;铁易溶于稀无机酸和浓盐酸中,生成二价铁盐,放出氢气;在常温下遇浓硫酸或浓硝酸时表面生成一层氧化物保护膜,使铁“钝化”。铁粉用来提高聚合物热导率,有颗粒状、片状及纤维状等形状。
(6)锌粒子
锌(Zinc, Zn),是一种浅灰色ⅡB族过渡金属,外观呈现银白色,是一种第四"常见"的有色金属,仅次于铁、铝及铜。锌的原子序数为30,相对原子质量为65,密度为7.14g/cm3,熔点为 419.5℃,室温性较脆;100~150℃时变软,200℃后又变脆。
锌的化学性质活泼,常温下,在空气中表面易生成一层薄而致密的碱式碳酸锌膜,阻止进一步氧化;225℃后,锌剧烈氧化,表面形成带氧化锌外壳的复合锌粒子。锌热导率约为121W/(m·K),是制备导热聚合物的重要金属填料,锌-铜合金-黄铜的热导率高达116W/(m·K)。
(7)镍粒子
镍(Nickel, Ni),原子序数为28,原子量为58.69,属ⅧB族银白色过渡金属,密度为8.9g/cm3,熔点为1455℃,沸点为2730℃,电离能为7.635eV。
镍质地坚硬,有铁磁性和良好的可塑性、延展性,导电、导热。常温下,镍在潮湿空气中表面形成致密氧化膜,阻止继续被氧化,且具有耐碱、盐溶液腐蚀。镍在干燥空气中不被氧化,高温下氧化成NiO,控制氧化温度和时间,可生成表面具有NiO的核壳结构镍粒子。简单化合物中以+2价最稳定。金属镍热导率约为91W/(m·K),镍粉是制备磁性导热聚合物的重要金属填料。
二、 无机粒子
无机导热粒子,主要有氧化铝、氮化铝、氮化硅、氮化硼、碳化硅、氧化镁、氧化锌等,这些粒子是导热绝缘聚合物材料的主要填料。
(1)氧化铝
氧化铝(Aluminum Oxide),化学式Al2O3,有许多同质异晶体,其中主要有3种晶型,即α-Al2O3、β-Al2O3、γ-Al2O3。其中结构不同性质也不同,在1300℃以上的高温时几乎完全转化为 α-Al2O3。
α-Al2O3分子量为101.96,密度为3.9~4.0g/cm3,熔点为2054℃,沸点为2980℃,在高温下可电离的离子晶体。Al2O3是白色无定形粉末,难溶于水,无臭、无味、质硬,易吸潮而不潮解。Al2O3为两性氧化物,能溶于无机酸和碱性溶液中。
α-Al2O3具有卓越电绝缘性能和较高导热能力,热导率为30~36W/(m·K),体积电阻率约为1016Ω·cm,在电绝缘导热粒子中价格相对较低,是用量最大的绝缘导热粒子。不同纯度等级的Al2O3使用在不同电绝缘性要求场合上,在耐高压导热聚合物电介质中,采用高纯度(99.995%) α-Al2O3。α-Al2O3粒径有纳米、亚微米和微米级,在导热聚合物中以1~10um范围使用最广。
α-Al2O3大致有球形、片状、纤维状等形态,其中球形氧化铝因高导热系数和均匀球形结构,广泛应用于导热复合材料。虽然氧化铝的导热率不高,但也基本能满足“导热界面材料、导热工程塑料以及铝基覆铜板等领域填充剂”的应用。且氧化铝价格较低,来源较广,是高导热绝缘聚合物的经济适用型填料。
(2)氮化铝
氮化铝( Aluminum Nitride),分子式为AIN,分子量为40.99,密度为3.235g/cm3,室温禁带宽度为6.42eV,属直接跃迁型能带结构。AIN 是原子晶体,属类金刚石氮化物,最高可稳定到 2200℃,室温强度高。
AIN具有优良电绝缘和高导热特性,常用作高功率集成电路基片和包装材料,是一种具有广泛应用前途的高导热填料粒子。AIN的热导率(约为320W/(m·K)),是所有陶瓷中导热率仅次于氧化铍;低热膨胀系数,CTE (4.5x10-6/K)与Si ((3.5~4)x10-6/K)匹配,因此常用作硅加工的衬底材料;较高的介电常数,约为8.8-8.9(纯AlN),与Al2O3相近,但远低于SiC。
然而,如此优越的导热和介电性能的AIN实际上却在工业导热高分子材料制造上很少使用,在导热聚合物工业应用方面的前景并不乐观,其理论传热效果与实际测试数据相差较大。原因有二:一是其价格高,限制了大规模工业应用;二是 AIN 粉末极易吸收水分和氧,一接触到水分和氧就水解、氧化,影响热导率、电绝缘性及其他物理性能,这是目前制约 AIN 粉末使用的一大技术难题。
(3)氮化硅
氮化硅(Silicone Nitride),化学式为Si3N4,分子量为140.28,为原子晶体,正八面体结构,灰色、白色或灰白色六方晶系,有两种变体,即α型六方密堆积结构和β型似晶石结构。Si3N4有杂质或过量硅时呈灰色,密度为3.44g/cm3,硬度为9~9.5,熔点为1900℃(加压下),比热容为0.71J/(g·K),生成热约为751.57kJ/mol,CTE为2.75x10-6/K(20~1000℃)。
氮化硅Si3N4,高绝缘,弹性模量为28.42~46.06GPa,Si3N4热导率约为180W/(m·K)(受杂质、结构变化较大),绝缘导热性良好,不溶于水,在表面改性过程中不会发生AIN那样的水解副反应,是制备高导热聚合物的首选填料,是使用量很大的高导热填料。
(4)氮化硼
氮化硼( Boron Nitride),化学式为BN,分子量为24.81,理论密度为2.27g/cm3。BN是由氮原子和硼原子所构成的晶体,具有4种不同变体:六方BN(H-BN),菱方BN(R-BN),立方BN(C-BN)和密排六方BN(W-BN/纤锌矿BN)。H-BN较软,称为“白色石墨”;C-BN 硬度高,与金刚石相当。
H-BN是陶瓷中最好的高温绝缘材料,室温电阻率为1014Ω·cm,2000℃时仍达103Ω·cm;H-BN具有高击穿电压,高温击穿电压为3kV/mm;H-BN具有低介电损耗,108Hz时为2.5x10-4,介电常数为4,可透微波和红外线。H-BN摩擦系数低至0.16,高温下不增大。H-BN中由于B与N具有较大的电负性差异,使得其带隙达5.5~6.0eV,可认为是绝缘性能优良的半导体。
H-BN是陶瓷材料中导热性能最好材料之一,由于其晶体中不存在可自由移动的电子,H-BN的导热主要依靠声子振动进行。H-BN的面内原子间通过共价键连接,而面间则仅存在相对较弱的范德华力,因而具有各向异性的导热性能,其面内导热系数远大于面间导热系数。经实验测定,其面内导热系数高达400W/(m·K),而面间导热系数仅有30W/(m·K)。与氧化铝填料相比,可将聚合物的导热系数提高2至8倍。
H-BN由于其优异的电绝缘性和高热导率而成为提高聚合物导热性能的优良填料,在常用导热绝缘无机粒子中,BN在宽频范围内介电常数和介电损耗最小。
(5)碳化硅
碳化硅(Siicone Carbide),化学式为SiC,分子量为40。碳化硅具有多种晶体结构,最常见的是六方晶系的α-SiC和立方晶系的β-SiC。α-SiC以4H、6H等多种形式存在,而β-SiC则是3C结构,常见于低温条件下的生成。碳原子与硅原子通过共价键结合,形成非常强的键合能(约4.6 eV),赋予碳化硅极高的机械硬度和化学稳定性。
SiC的密度为3.20~3.25g/cm3,显微硬度为2840~3320kg/mm2,摩尔热容为27.69~28.63J/mol·K,熔点为2200℃,2700℃升华分解,在室温至1400℃之间的平均CTE为4.5x10-6/℃,热导率约为270W/(m·K)。碳化硅的热导率显著高于硅和砷化镓,尤其是在室温至高温范围内,这使其在需要高效散热的电子器件中具有优势。
碳化硅是一种半导体材料,β-SiC能隙为2.86eV,电阻率为0.0015~103Ω·cm。α-SiC能隙为2.60eV,空温介电常数为9.72,电阻率为10-2~106Ω·cm。β-SiC于2100℃以上时转变为α-SiC,和金刚石同属一种晶型,较α-SiC有更高的硬度、韧性和导电性能。
SiC化学性能稳定、CTE低,电阻温度特性与金属相反,耐磨性能好,莫氏硬度达9.2以上,高温抗氧化,耐热震、化学腐蚀、耐辐射。SiC粉末及晶须是制备导热聚合物重要填料,少量SiC粉末赋予聚合物抗电晕性。
(6)氧化镁
氧化镁(Magnesium Oxide,MgO),为白色或淡黄色粉末;分子量为40.30,密度为3.58g/cm3,熔点为2852℃,沸点为3600℃,无臭、无味。MgO分轻质和重质两种,有高度耐火和绝缘性能,1000℃以上高温灼烧转变为晶体,至1500℃以上成烧结MgO。单晶氧化镁是指MgO含量在99.95%以上,具有极强耐高低温(高温为2500℃,低温为-270℃)、抗腐蚀性、绝缘性和良好的导热性和光学性能,是无色透明的晶体,CTE为13.8x10-6/℃(25℃),导热率约为40W/(m·K) (25℃),比热为0.88J/g℃,莫氏硬度为5.5。
(7)氧化锌
氧化锌(Zinc Oxide),化学式为ZnO,分子量为81.37,别名锌氧粉、锌白、锌白粉,为白色、浅黄色粉末或六方结晶,无气味、味苦。
氧化锌晶体有三种结构:六边纤锌矿结构、立方闪锌矿结构和比较罕见的氯化钠式八面体结构。ZnO是一种半导体材料,室温下禁带宽度为3.3eV,属直接跃迁型能带结构,高能带隙使其具有击穿电压高。氧化锌电子噪声小、可承受功率高、抑烟、热稳定性和热传导性较好。晶体的对称性质使得纤锌矿结构具有压电效应和焦热点效应,闪锌矿结构具有压电效应。
ZnO的密度为5.606g/cm3,熔点为1975℃,沸点为2360℃。ZnO的热稳定性和热传导性较好,室温热导率约为30W/(m·K),而且沸点高,CTE低,约为6.5 x10-6/K。ZnO作为聚合物的导热填料已经获工业应用。
三、碳材料
碳(Carbon),是一种四价非金属元素,以多种形式广泛存在于大气和地壳之中。碳同素异形体形态主要有石墨、金刚石、富勒烯、碳纳米管、石墨炔、蜡石、碳纤维、碳气凝胶、碳纳米泡沫、石墨烯等。常温下单质碳化学性质不活泼,不溶于水、稀酸、稀碱和有机溶剂;高温下与氧发生反应生成CO2或CO。大多数单质碳具有良好的导热性,金刚石、碳管、石墨、石墨烯、碳纤维、石墨烯泡沫、石墨炔等是制备高导热聚合物材料的理想填料,其中石墨烯是热导率最高的材料(约为5300W/(m·K))。
(1)金刚石
金刚石,是自然界中热导率最高的物质,常温下热导率(Type Ⅱ Diamond)可达2000 W/(mK),热膨胀系数约(0.86±0.1)*10-6/K,且室温下绝缘。另外,金刚石还具有优异的力学、声学、光学、电学和化学性质,使其在高功率光电器件散热问题上具有明显优势。
金刚石是立方晶体,由碳原子通过共价键结合形成。金刚石中每一个碳原子与另外四个碳原子紧密键合,形成空间网状结构。金刚石的许多极致属性都是形成刚性结构的sp³共价键强度和少量碳原子作用下的直接结果。
金刚石密度为3.515g/cm3,熔点超过3500℃。金刚石结构中没有自由电子,电绝缘性好,介电常数为16.5,体积电阻率为5x1014Ω·cm。金刚石导热依靠在结构完善品体中的晶格振动来传递,声子散射作用小,热导率远胜过其他金属,是一种极为理想的绝缘高热导率材料及导热填料。极低含量纳米金刚石可显著提高聚合物的综合性能。
(2)石墨
石墨(Graphite),与金刚石、碳60、碳纳米管、石墨烯等都是碳元素的单质,它们互为同素异形体。石墨是原子晶体、金属晶体和分子晶体之间的一种过渡型晶体。
石墨晶体中同层碳原子间以sp2杂化形成共价键,每个碳原子与另外三个碳原子相联,六个碳原子在同一平面上形成正六边形的环,伸展形成片层结构。在同一平面的碳原子还各剩下一个p轨道,它们互相重叠,形成离域π键电子在晶格中能自由移动,可以被激发,所以石墨有金属光泽,能导电、传热。由于层与层间距离大,结合力(范德华力)小,各层可以滑动,所以石墨的密度比金刚石小,质软并有滑腻感。
石墨质软,硬度1~2,密度1.9~2.3g/cm3,比表面积为1~20m2/g,熔点为3850℃,沸点为4250℃,是最耐温的矿物之一。CTE仅有铜和铝的1/10~1/20,导电性比一般非金属矿高100倍,石墨化程度越高,热导率就越高,导热性超过钢、铁、铅等金属材料。
石墨价格低廉,综合性能良好,热导率高,是制备导热聚合物的一类重要碳材料。若将石墨片层最大剥离开来,降低石墨层厚度,理想情况是单一石墨片(石墨烯)层分布在聚合物中,则能最大程度地发挥其导热及其他优异功能。
(3)炭黑
碳黑(Black Carbon),又名炭黑,为煤、石油、生物质等不完全燃料或热解而成的黑色细小粉末状物质,主要成分是碳(90%~99%),含少量氧(0.1%~8%)、氢(0.1%~0.7%)和硫(0~0.7%)等。碳黑是无定形碳,比表面积为10~3000m2/g,密度为1.8~2.1g/cm3。碳黑粒子近似球形,粒子尺寸为8~500nm,许多粒子聚结成三维键枝状或纤维状聚集体。
碳黑一次和二次结构的总和称为总结构或结构性,随生产方式不同,其结构性差别很大。一般将碳黑定性分为低结构、正常结构和高结构。结构性高低以吸油值DBP表示,DBP值越大,表面结构性越高。
炭黑的比热容通常在0.18-0.28J/g·K之间。这一范围中的具体值取决于炭黑的结构、形态以及制备方法等因素。比热容的高低直接影响着炭黑在热传导过程中的性能表现。
炭黑的真正导热系数还无法直接测定,据推测是接近石墨的导热系数,大概在1-10W/m·K之间。
碳黑导电和导热性,与其结构(尤其是石墨微晶结构)表面性质和粒径密切相关。高结构碳黑颗粒细,网状链堆积紧密,比表面积大,碳黑粒子间接触概率越大或粒子间间距越小,越有利于在聚合物中形成链式导通结构,导电和导热性越好。
在众多碳黑品种中,乙炔碳黑的导电、导热性最佳。粒径分布宽的碳黑粒子比分布窄粒子更能赋予聚合物导通性。
(4)碳纤维
碳纤维(Carbon Fiber,CF),指的是含碳量在90%以上的高强度高模量纤维。耐高温居所有化纤之首。用腈纶和粘胶纤维做原料,经高温氧化碳化而成。是制造航天航空等高技术器材的优良材料。
碳纤维是具有sp2键的石墨沿着平行于基面轴向生长而得到的一种长径比很大的微晶石墨材料,其中碳含量高于99%的CF称石墨纤维。CF力学性能优异,密度不到钢的1/4,轴向强度和模量高,无蠕变,耐疲劳性好,杨氏模量是玻璃纤维的3倍多。CF密度低,X射线透过性好,耐冲击性较差,容易损伤,在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀,耐蚀性出类拔萃。
碳纤维导电、导热特性好,高强CF热导率为5~20W/(m·K),高模CF热导率为100W/(m·K),CTE小。纳米CF力学及物理性能更为优越。短切CF可作为导热粒子用于制备导热聚合物,使用少量CF替代无机导热粒子后可同时提高聚合物的热导率及力学性能。CF的最大问题是表面光滑,和树脂界面的黏合强度很低。因此,使用前需要采取一定手段对其表面进行有效的改性处理。
(5)碳纳米管
碳纳米管(Carbonnanotube,CNTs)是一种典型的一维纳米材料,是晶形碳的一种同位素异形体,从结构上为蜂巢状的一维纳米空心管,其中 C-C 原子以 sp2杂化构成共价键。根据碳纳米管的管壁数,可分为单壁碳纳米管(SWCNT)和多壁碳纳米管(MWCNT)。
CNTs为黑色无味粉末,熔点/熔化范围为3652~3697℃,密度为2.1g/cm3,具有典型的层状中空结构特征。碳纳米管重量轻,六边形结构连接完美,具有许多优异的力学性能、导电性能和化学性能。具体而言,碳纳米管的电导率高达108 S.m-1,是铜金属的一万倍;常温下热导率通常在3000 W.(m.K)-1以上,远超其它金属材料;碳纳米管密度仅为钢的1/6,但抗拉强度却是钢的100倍,最高可达200 GPa;弹性模量达1.34 TPa,与金刚石相当,是钢的5倍。除此之外,碳纳米管还具有弹性高、比表面积大、稳定性好和抗疲劳性能等。
一维碳纳米管的热导率可达 3000~3500 W/(m·K)。CNTs沿着长度方向热交换性能很高,相对其垂直方向的热交换性能较低,通过合适取向,CNTs可以合成各向异性热传导材料。在复合材料中掺少量取向结构的CNTs,热导率明显改善。
(6)石墨烯
石墨烯(Graphene),是单层碳原子结构的二维材料,可看作是形成所有sp2杂化碳质材料的基本单元,结构非常稳定。
理想石墨烯结构是平面六边形点阵,可看作是一层被剥离的石墨分子,每个碳原子均为sp2杂化,并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键,π电子可以自由移动,赋予石墨烯卓越的导电性、导热性。
石墨烯目前是材料界里厚度最薄、强度最大、硬度最高、热导率和电导率最高的二维纳米材料,热导率为5300W/(m·K),远高于CNTS和金刚石。
超高热导率石墨烯是提高聚合物导热性能的极佳材料,片状结构为声子传递提供巨大通道,降低界面热阻,极大地增强和增韧聚合物,提高其力学强度和韧性。
四、新型导热填料
除上述介绍的导热粒子之外,还有一些无机导热粒子如钛酸钡BaTiO3、二氧化铈(CeO2)、Sr2ZnSi2O7、TiC、TiO2、AI(OH)3 等也用于制备导热功能聚合物复合材料,如钛酸钡填充聚合物就具有高介电常数和导热性能。
这些新型导热粒子在提高聚合物导热能力的同时还能赋予聚合物其他功能性,如高介电常数(k)、储能、磁性及力学性能等。目前为止对这类新型填充的聚合物的研究相对很少,以后将会整理文献资料,向大家介绍相关内容。
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