多尺度复合高导热绝缘热界面材料最密堆积与界面热阻研究

Heat dissipation problem has become a bottleneck restricting the further development of electronic devices and thermal interface materials are very important to solve the problem. Most of the thermal interface materials are thermal conductive particle filled polymer composites, and depend on the network formed by the particles to transfer heat from one side to another. So the close-packing and reducing thermal interface resistance between the particles are key points for improving the thermal conductivity of the composites. In this proposal, the Dinger-Funk close-packing function common used in large construction is proposed to lead the particle sizes selection for multi-scale thermal conductive particles’close-packing in the polymer matrix, and mechanical vibrations will introduced in the composites preparation. The influence of the particle packing and thermal interface resistance on the thermal conductivity of the composite will be studied systematically. In addition, few-layer BN nanosheets with high thermal conductivity in two dimension are used as “micro thermals interface materials” with spherical micro-alumina for preparing insulated high thermal interface materials. Effect of the reduced thermal interface resistance between the spherical micro-alumina resulted from the addition of few-layer BN nanosheets will be studied also. The expected results will reveal the mechanism of the improvement of thermal conductivity of the composites resulted from particle close-packing and reduced interface resistance.

电子器件的散热问题已经逐渐成为制约其发展的瓶颈，而热界面材料是解决器件散热问题中十分关键的一个环节。针对目前填充型热界面复合材料中因导热粒子之间接触面积小、界面热阻大导致导热系数无法进一步提升问题，本课题提出采用建筑工程领域常用的Dinger-Funk最密堆积曲线作为球形氧化铝导热粒子粒径复配的理论依据，通过混合成型过程中施加机械振动，促使导热粒子在高分子基体中形成最密堆积，探索导热粒子粒径复配对复合材料导热系数影响的本质规律，并利用氮化硼纳米片在二维方向上的高导热性以及球形氧化铝的高填充性，制备高导热绝缘热界面材料，研究氮化硼纳米片作为球形氧化铝粒子之间的“微观热界面材料”对降低界面热阻、提高复合材料导热系数的作用机理。本课题的顺利实施对进一步提高热界面材料的导热系数，揭示导热粒子堆积方式以及界面热阻对复合材料导热性能的影响规律有重要意义。

电子器件的散热问题已经逐渐成为制约其发展的瓶颈，而热界面材料是解决器件散热问题中十分关键的一个环节。针对目前填充型热界面复合材料中因导热粒子之间接触面积小、界面热阻大导致导热系数无法进一步提升问题，本课题采用建筑工程领域常用的Dinger-Funk最密堆积曲线作为球形氧化铝导热粒子粒径复配的理论依据，通过多尺度球形氧化铝导热粉体的粒径复配以及和氮化硼纳米片、纳米氧化锌等高导热纳米粉体的复合，制备导热绝缘热界面材料，并研究填料填充量、各个不同粒径填料的填充比例、纳米级高导热填料的加入量与表面处理等因素对复合材料的导热系数的影响规律，并利用改变复合材料低导热相导热系数的方法，探讨了导热粒子之间的界面热阻对复合材料导热系数的影响。.本项目的主要研究结果如下：.（1）连续粒径最密堆积模型Dinger-Funk方程对导热填料粒径配比具有非常好的指导作用，通过该方程计算出三种不同粒径的导热填料配比，在相同填充量下，制备的硅橡胶热界面材料的密度和导热系数均比其他随机选取的几个配比好。另外，通过制备过程中施加振动的方法可以进一步提高复合材料的导热性。.（2）对于氮化硼纳米片的液相剥离，在异丙醇和水的混合溶剂中剥离的效果要好于在异丙醇、水、DMF等常规单一溶剂中的剥离效果，氮化硼纳米片的浓度和稳定性都有不同程度的提升。.（3）对于提高热界面材料的导热系数而言，利用多种粒径的微米级球形氧化铝和其他类型的高导热纳米级填料复合填充的效果好于单独利用微米级球形氧化铝或者单独的纳米级导热填料，其导热系数的提高是导热网络密度和导热网络中的界面热阻共同作用的结果。