界面材料
關注創建者：南京青松熱設計工作室 創建時間：2020-06-02
界面材料的視頻教程
從零開始學散熱——常見散熱部件介紹：導熱界面材料、散熱器、風扇、熱管、VC
詳細解讀電子產品散熱設計中最常用的散熱器、導熱界面材料、風扇、熱管、VC的關鍵參數，介紹其在熱設計中的作用和選型、優化設計方法。 本視頻參考《從零開始學散熱》第六章~第九章內容。 書籍目錄：http://www.yqgqt.org.cn/content/post/421412
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界面材料的實例教程
要解決此問題，主要有以下幾個方法：
1.開發高流動性材料，以填補界面間材料表面的結構缺陷，微孔等；
2.開發復合熱界面材料，以提高整體材料的熱傳導特性 。
因此，熱傳導值( Thermal Conductivity；K )就成為評估熱界面材料的重要特性之一。未添加任何導熱填充材的高分子材料，其熱傳導值大約為 0.1W／m·K，而目前所使用的商用復合熱界面材料(通常添加導熱金屬粉其熱傳導值大約為 7 W／m·K) 、氮化硼(BN) 、金剛石粉及銀粉等。由于使用高熱導值材料并不能保證整體散熱系統具有優良的散熱效果，因此一般會用另一個評估熱界面材料的重要特性——熱阻值(Thermal Resistance：R)，來評估整體散熱系統的散熱效果。熱阻值與接觸面平整度及使用壓力大小具有相當高的關聯性，其單位一般用 K·in^2/W 表示。
熱界面材料的重要性
熱界面材料(Thermal InterfaceMaterials)是一種用于兩種材料間的填充物，是熱傳遞的重要橋梁。兩種材料相互接合時，無論是同種材料還是兩種不同的材料，即使材料表面平整度很好或施加很大的扣合壓力(Mounted Pressure)，仍無法達到緊密接觸，只能是部分接觸，中間一定仍然存在許多微細空隙或孔洞，如（圖1-a）所示。空隙間的空氣為熱傳導率相當差的傳熱介質，會阻礙熱傳導的路徑，增加熱阻抗(Thermal Resistance) 。因此，需要填充一種熱界面材料于兩種結合材料間，以填補空隙，增進熱的傳遞效率，降低熱阻抗，如（圖1-b）所示。它是一種應用相當廣泛而且非常重要的材料。
隨著電子元件發熱量越來越高，熱界面材料也越發顯得重要，其扮演的角色也越來越關鍵。由此可見，熱界面材料對于電子組裝及散熱是很重要的。
展開 來源 | Ceramics International
01
背景介紹
隨著現代電子產品逐漸向小型化、集成化、大功率化的方向發展，高導熱的柔性熱界面材料受到了人們的廣泛關注。但是，由于熱源和散熱器之間的間隙被空氣占據，而空氣的導熱系數非常低，導致熱量不能及時散出。因此需要使用熱界面材料(TIM)填充微間隙，TIMs基于聚合物樹脂，通過引入導熱料優化導熱系數。
六方氮化硼(h-BN)它具有層狀結構，在平面方向上具有較高的導熱系數(600 W/m K)，而在垂直方向上具有較低的導熱系數(30 W/mK)。此外，它還具有優異的熱穩定性和化學穩定性。這種穩定性使得BN很難與其他物質發生反應。一些研究者為了增強了聚合物基體與填料之間的界面傳熱，改善了聚合物復合材料的填料分散性，降低了界面聲子損失。然而，這些對BN的表面修飾需要大量的化學物質，這促使研究人員通過改變BN的結構的方法來提高導熱性。
近年來，靜電植絨技術被應用于制備熱界面材料，在此基礎上，提出了一種新的策略，通過靜電植絨方法使BN納米片在柔性環氧基中有序排列，搭建傳熱通道。與機械混合法制備的隨機分布的氮化硼填充復合材料相比，垂直取向的氮化硼填充復合材料可以增強材料的導熱性能。
02
成果掠影
近期，中山大學化學工程與技術學院陳振興教授團隊通過靜電植絨的方法改善氮化硼納米片的排列結構從而優化材料的導熱性能取得新進展。靜電植絨組裝策略在幾個連續的層中構建了整齊排列的BN結構網絡，從而提高了復合材料的導熱系數。研究了不同h-BN用量對BN/環氧復合材料導熱性能的影響。
展開 該成果是蘇州泰吉諾新材料有限公司在高性能熱界面材料產學研方面的一個縮影，泰吉諾將堅守企業責任，以客戶需求為導向，不斷在高性能熱界面材料領域開展前沿研究，為客戶提供性能更優良的原創產品。
03
圖文導讀
圖1.液態金屬的制備流程示意圖。
圖2.(a)理想固體基質上的一滴液體，(b) BN，(c) BN + W，(d) W，(e) BN-LM- W液態金屬的潤濕角。
圖3.不同倍數的 LM-BN-W的SEM微觀結構以及EDS能譜。
圖4.不同倍數的 LM+W-BN的SEM微觀結構以及EDS能譜。
圖5.(a)不同復合材料的導熱系數圖，(b)LM+W-BN復合材料的導熱系數BN含量為0-12 wt%，(c) BN含量為0-12 wt%時LM+W-BN復合材料的熱阻，(d)LM+W-BN復合材料的導熱系數的溫度依賴性。
圖6.(a) LM- CF的SEM圖像，(b) LM + W-CF的SEM圖像，(c) LM- CF和 LM + W-CF復合材料的導熱系數，(d) LM- CF和 LM + W-CF復合材料的熱阻。
圖7.(a) LM- GR的SEM圖像，(b) LM + W-GR的SEM圖像，(c) LM- GR和 LM + W-GR復合材料的導熱系數，(d) LM- GR和 LM + W-GR復合材料的熱阻。
圖9.
展開 來源 |
Journal of Colloid And Interface Science
01
背景介紹
隨著第五代通信、大功率集成芯片和鋰離子電池的發展，對散熱提出了更高的要求，促使對導熱絕緣熱界面材料(TIMs)的需求快速增長。高分子材料以其優異的可加工性、重量輕、成本低等特點受到人們的青睞。然而，聚合物的固有熱導率通常很低(0.1 ~ 0.5 W/mK)。采用具有高導熱性的填充材料是一種直接有效的策略，可以顯著提高聚合物的導熱性。
六方氮化硼(BN)是一種二維片層陶瓷材料，其面內導熱系數約為300 W/mK，面外導熱系數為30 W/mK。良好的電絕緣性使BN在電子設備的熱管理應用中具有獨特的優勢。然而，由于填料與聚合物基體之間存在較大的界面熱阻，采用傳統的直接共混方法得到的填料/聚合物復合材料的導熱系數通常不理想。在聚合物復合材料中構建三維連續導熱填充網絡已被證明是降低界面熱阻和促進聲子快速傳輸的有效策略，已受到廣泛關注。
此外，BN在整個聚合物中的垂直排列可以進一步充分利用BN良好的面內導熱性，使復合材料的縱向導熱性顯著增強，以滿足TIMs高效垂直散熱的需求。已經開發了各種方法來實現填料的垂直對齊，例如3D打印，外場控制，冰模板法等。通過定向凍結，填料沿著冰晶生長方向排列，形成三維互聯的垂直排列骨架，顯著增強了復合材料的導熱性。因此，開發一種更簡單、更具成本效益的冰模板工藝來實現BN的遠距離垂直有序排列，從而促進高性能TIMs的規模化生產是非常必要的。
展開 現有的硅基生物電子學器件的研究主要集中在需要外加導線的記錄器件上，而可以無線控制的硅基生物界面材料的研究才剛剛開始。相比于光遺傳技術依賴于對目標生物體的轉基因操作，硅基生物界面材料可以在無需任何遺傳操作的情況下仍然實現精準光控神經調制，因此在臨床應用上具有遠大前景。
【成果簡介】
芝加哥大學田博之組此前曾在Nature
Materials上曾經報道過用利用無定型介孔硅的光熱效應，首次實現了遠程遙控單個神經元活性。最近，田博之組展示了通過理性設計，可以合成出不同尺度的多功能光響應硅材料，用于遙控多種生物電活動，包括光控定點細胞鈣信號刺激和傳播，遠程刺激大腦活動，甚至激發麻醉老鼠產生簡單行為反應。相關成果以題為“Rational design of silicon structures for optically controlled multiscale biointerfaces”發表在了Nature Biomedical Engineering雜志上。本文的第一作者為芝加哥大學化學系博士生蔣圓聞，共同第一作者為西北大學醫學院李驍健博士和芝加哥大學神經生物學系劉冰博士。
【圖文導讀】
圖1：基于生物體性質設計的多尺度硅結構
基于生物體的基本力學特征，作者們設計出了一系列跨越多個尺度的硅材料，包括硅納米線，硅薄膜和柔性PDMS基底支撐的硅網結構，分別針對于亞細胞尺度的細胞器，微米尺度的細胞培養，和毫米尺度的腦組織，以使得硅材料和生物體系有相匹配的力學和結構特征。除了結構控制外，作者們還提出了一系列化學合成調控的方法，包括硅摻雜濃度梯度，結晶性控制，和表面化學處理等用于改變硅材料物理化學性質。
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Feeder_Clamp_Analysis
步驟 2：導入幾何模型
右鍵Geometry → Import Geometry → 選擇饋線夾模型（.step/.x_t）
雙擊Geometry進入 SpaceClaim 檢查模型完整性后退出
步驟 3：定義材料
雙擊Engineering Data
確認已有 Aluminum（或手動添加）
關閉材料界面
QuantumATK材料建模應用示例
電子屬性
功能
計算能帶結構、態密度(DOS)及其投影、聲子限制遷移率等
研究材料之間界面的電子結構
仿真外電場中的電子表面態
預測有/無電場條件下的反應機理
優勢
在同一框架內集成DFT-LCAO與DFT-PlaneWave代碼：靈活調整/測試速度與準確性之間的權衡
提供包含電子-聲子耦合的先進
就界面和材料而言，可以從內置的目錄中選擇已有的選項，或者定制您自己的界面和材料，以獲得最大的靈活性。
焦點區域Z方向的掃描
通用探測器和探測器附加組件
組件總結
基于光線追跡的系統分析
光線追跡分析可以快速地提供對空間中系統的建模結果。
在界面和材料方面，可以從內置目錄中選擇現成的條目，也可以定制自己的條目，以實現最大的靈活性。
通用探測器和探測器插件
通用探測器可以評估入射場，并通過所謂的附加組件計算各種物理量。作為結果，所提供的附加組件之一提供了空間域中的輻照度。
這種測試能夠揭示材料界面在快速熱脹冷縮下的結合強度問題，如焊點裂紋、封裝開裂等。
機械可靠性測試方法
機械可靠性測試評估光模塊在振動、沖擊等機械應力下的結構完整性和性能穩定性。這些測試模擬運輸、安裝及使用過程中可能遇到的機械環境，確保光模塊在實際應用中能夠保持可靠的物理連接。
?振動測試：模擬運輸或設備運行中的機械振動環境。
操作步驟：
打開“材料” → “材料管理器”
管理器界面分為左側材料庫、右側參數編輯區
從系統材料庫中搜索“DC06”，雙擊添加至當前模型
同樣添加“B1500HS”和“DC04”
點擊“導出”，將材料參數保存為.mat文件，便于后續項目復用
材料參數（真實值）：
材料
密度(kg/m3)
彈性模量
什么是波導？2個月前
光波利用全內反射原理傳播：當光試圖從光密介質進入光疏介質時，它會在材料界面被反射回光密介質。因此，導波會被限制在光纖芯中，從而實現損耗盡可能低的遠程傳輸。介電波導廣泛應用于光通信和集成光學器件中。
介電波導仿真
不同的波導模式
所有波導是通過“模態（Modes）”來傳輸電磁波的。在光學波導中，模態是指光沿波導傳播時所呈現的場分布形態。
</p><p>熱設計中，控制溫度所做的所有動作，包含散熱器的設計，風道設計，導熱界面材料的設計等，都是從這三種傳熱方式的影響因素出發的。換句話講，如果一種技術宣稱能改善散熱，但無法說明影響了這三種傳熱方式中的哪一種，有極大可能就是它并不能改善散熱。這對于判斷某項技術是否對熱有用，是一個基本的，有用的分析出發點 。
基于材料定義光柵的類型（例程： 柱形光柵）
堆棧編輯器
在堆棧編輯器(Stack Editor)中，界面和材料可以從中目錄(catalog) 中添加。
? 為了用一種特殊的介質定義光柵，需要添加兩個平面界面，作為介質的邊界。
構造二維周期性光柵結構3個月前
圖（三維光柵）(Pillar Grating Light
可以在光柵工具箱中直接點擊柱形光柵光路
?
提示：對于特殊類型的光柵，例如柱形光柵，
堆棧編輯器
在堆棧編輯器(Stack Editor)中，界面和材料可以從中目錄(catalog
