熱界面超材料
關注創建者：熱管理博覽會 創建時間：2023-09-21
熱界面超材料的實例教程
熱界面材料(TIMs)通過連接熱源和散熱器，可以有效避免過熱和設備損壞。最新的TIM不僅要求高熱流密度以適應輕量化趨勢，而且要求可回收性以緩解電子垃圾帶來的環境壓力。然而，制備既具有高散熱性能又具有可回收性的TIM仍然是一個巨大的挑戰。
含有導熱填料的聚合物復合材料是高性能TIM的可行候選材料。其中氮化硼(BN)填料因其優異的各向異性熱輸運、介電性能、熱穩定性和機械強度而受到廣泛關注。先進的BN/聚合物復合材料主要旨在通過相互接觸、連續相、規則取向或單向組裝來獲得更高的導熱性。然而，這些方法不僅涉及復雜的工藝，而且對粗糙表面的順應性仍未得到解決。
迄今為止，人們已經探索了多種策略，包括構建夾層結構，降低模量，設計微/納米流體，以及使用熱塑性基質，以賦予TIM具有適應性界面。由于熱塑性材料的彈性變形，在熱塑性復合材料中，通過葉片涂布、靜電紡絲、熱壓、拉伸等方法可以很容易地獲得填料的界面柔度和取向。然而，熱塑性塑料相對較低的力學性能和較高的熱應力不利于其長期使用。最近，熱固性樹脂具有低介電常數和優異的熱性能和力學性能，被認為是TIM的理想基材，但其不溶性和不溶性使其難以符合TIM的粗糙表面，難以回收利用。
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成果掠影
近期，中國科學院寧波材料技術與工程研究所的代金月老師針對開發高導熱以及具有可回收性的TIM取得新進展。本研究采用熱壓誘導取向法制備了具有各向異性導熱性和可回收性的高性能BN/環氧復合材料，并且具有表面相容性的完全可回收的TIM。
結果表明，僅通過簡單的熱壓處理，填充的BN就可以很容易地在平面上取向，導熱系數為3.85 W/(mK)，BN含量為40 wt %，比原始環氧樹脂高30倍，比熱壓處理前的復合材料高4.3倍。
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近期，天津理工大學趙云峰教授、蘇州泰吉諾新材料有限公司李兆強聯合河北工業大學鄧齊波教授在制備具有低表面張力和優異熱導率的LM取得新進展。高表面張力使得LM和填料難以很好地混合以制備用于熱界面應用的復合漿料。該團隊研究發現摻雜鎢(W)納米粒子可以使LM在氮化硼(BN)丸表面的接觸角從133°降低到105°，表明摻雜W納米粒子可以降低LM的表面張力。LM、W和BN的加入順序會影響復合材料的最終形態，而W納米粒子必須先與LM (LM+W)混合才能得到復合漿料(LM +W-BN)。相比之下，其他添加序列或不添加W納米顆粒只能得到復合粉末。LM +W-BN的導熱系數高達14.49 W/(mK)，并對LM +W-BN材料在壓力、高溫、熱沖擊和高濕條件下的穩定性進行了詳細研究，樣品具有良好的綜合性能。通過在發光二極管(LED)模塊中的應用，LM +W-BN漿料顯示出作為熱界面材料(TIM)的優異熱管理能力。這種方法也被擴展到其他導熱填料，包括碳纖維和石墨烯。這項工作提供了一種簡單的方法來降低LM表面張力，也可能使其他填料的結合，擴大LM的使用，如集成電路和柔性電子產品。研究成果以“Enhanced thermal conductivity of liquid metal composite with lower surface tension as thermal interface materials”為題發表于《jmr&t Journal of Materials Research and Technology》。
展開 鏈接：doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.120807
總結：該文使用垂直排列的短切碳纖維(VASCFs)用于開發具有高導熱性的相變熱界面材料PCTIMs，VASCFs/PA/SR材料的導熱系數高達7.00 W/(m·K)，遠高于之前報道的PCTIMs。
Abstract: Phase change thermal interface materials (PCTIMs) are receiving increasing attention but suffer from low thermal conductivity and are challenging to improve significantly. Here, vertically aligned short-cut carbon fibers (VASCFs) were employed for the first time to develop PCTIMs with high thermal conductivity. The most effective thermal conductivity enhancement was achieved by VASCFs, which were attributed to providing complete heat transfer paths, further verified by the finite element simulation.
展開 熱界面材料(TIMs)是有效轉移或去除電子器件廢熱以避免器件因工作在過熱條件下而發生故障的重要和不可或缺的材料。然而，為了填充散熱器與TIM接觸面之間的細小氣隙，需要在高壓下進行壓縮過程，這可能會破壞電子電路的組件，無法完全填充大的氣隙。
熱熔膠(HMA)由于其能夠與大多數材料快速而牢固地結合，并且與其他TIMs相比易于操作，近年來作為解決上述問題的材料而引起了人們的關注。此外，在融化過程中，HMA具有高流動特性，可以充分填充散熱片接觸面存在的氣隙，提高傳熱效率，這是一個優勢，可以大大提高器件的性能和耐用性。
低密度聚乙烯(LDPE)因其優異的絕緣性能、較高的機械強度和良好的循環利用性能，是目前極具吸引力的HMA型TIMs聚合物基體之一。然而，盡管其具有優良的機械和化學性能，以及方便的操作過程，但其低的通平面導熱系數和較差的形狀穩定性阻礙了其作為TIM的實際應用可能性。
因此，許多研究開發了LDPE與六方氮化硼納米片(BNNS)相結合的高導熱復合材料，以在熔體粘附過程中實現高導熱和形狀穩定。然而，較強的化學鍵和強的范德華力會導致BNNS與LDPE的相容性較低，從而導致BNNS與LDPE界面處的相分離和重新聚集。因此，由于這些問題引起的熱阻增加，這可能會大大降低制備好的BNNS/LDPE復合材料的熱導率。如何解決BNNS與LDPE界面熱阻的問題是合成TIMs材料的關鍵問題。
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韓國的Joong Hee Lee教授 和Ok-Kyung Park教授聯合在關于BNNS/LDPE聚合物復合材料的界面熱阻問題方向取得新進展。
展開 對于碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)，通過芯片底部的熱流密度已經從100-250 W/cm2急劇增加到1 kW/cm2。為了提高器件的性能和壽命，迫切需要具有高通平面導熱系數、柔軟度和電絕緣性的熱界面材料(TIMs)將產生的熱量高效地傳遞到散熱器。
目前，絕緣TIMs是通過隨機混合導熱和絕緣填料(如氧化鋁、氮化硼和氮化鋁)和聚合物(通常為有機硅)來獲得的，這導致導熱系數低于8 W/mK。更嚴重的是，過高的填充物含量會降低材料的柔軟性和回彈性，在實際應用中會阻礙芯片與散熱器之間的熱傳導。在相對較低填料含量的情況下，提出了一種高通平面導熱系數的策略是調節填料的垂直方向。
六方氮化硼(BN)由于其高導熱系數(面內TC ~400 W/mK與金屬一樣高，面外TC ~30 W/mK)、優異的電絕緣性能和高質量的量產性而成為一種很有前途的導熱填料。利用氮化硼薄片在聚合物中獲得高度垂直定向的氮化硼結構的方法有多種，如電場、磁場、膨脹流輔助方法、3D打印法、疊切法、凍鑄法。然而，BN片的垂直取向度較差，限制了BN-聚合物復合材料的面外導熱系數。
為了實現高度的定向，在制造過程中需要很大的外力來克服BN片的躍遷能壘，但BN片與聚合物分子摩擦產生的高粘度限制了其沿外力方向的旋轉和定向。因此，大多數研究采用大尺寸BN，加大外力，多外力協同作用來優化垂直方向。然而，由于目前還沒有關于BN膜填充聚合物復合材料的系統工作，因此對其通面熱導率仍然是未知的。
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成果掠影
近期，北京大學白樹林老師針對解決現代電氣器件散熱用的具有高面外導熱系數，優異的柔軟性和電絕緣性對的TIMs取得最新進展。
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熱界面超材料的最新內容
研究內容：
傳統的聲學吸收器被用于具有與工作波長相當的厚度的結構，這在低頻范圍的實際應用中造成了主要障礙。我們提出了一種基于超表面的完美吸收體，能夠在極低頻區域實現聲波的完全吸收。具有深亞波長厚度至特征尺寸k＝223的超表面由多孔板和螺旋共面氣室組成?；谕耆詈系穆晫W熱力學方程和理論阻抗分析的模擬被用于揭示基礎物理和聲學性能，顯示出極好的一致性。
來源 | Composites Part B：engineering
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背景介紹
隨著功率密度的快速上升和封裝結構的密集化，散熱已經成為現代微電子的關鍵瓶頸。對于碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)，通過芯片底部的熱流密度已經從100-250 W/cm2急劇增加到1 kW/cm2。為了提高器件的性能和壽命，迫切需要具有高通平面導熱系數
來源 | Composites Science and Technology
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背景介紹
隨著電子產品的集成化、小型化和功率密度的提高，有效的散熱已成為一個關鍵問題。隨著高性能計算需求的不斷增長，服務器CPU或GPU的熱設計功率逐漸提高到400w及以上。熱界面材料(TIMs)通過有效地將熱量從電子器件傳遞到散熱器，在電子器件的整體散熱中起著重要作用
來源 | ACS Applied Materials&Interfaces
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背景介紹
固體物體的表面總是凹凸不平的。假設兩個表面波動僅為1 μm的物體相互接觸，在它們的界面處將觀察到一個大于38.0 mm2 K/W的巨大熱阻抗，與15.2 mm厚的銅板相當。這種由不可忽略的界面氣隙產生的熱障，一直阻礙著電子器件散熱過程。為了促進有效的界面熱傳遞
來源 | Advanced Functional Materials
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背景介紹
聚合物基材料由于其優異的靈活性，重量輕，優良的可加工性和低成本的特點，在大功率微電子器件的熱管理方面引起了廣泛的關注。但是，大多數聚合物具有相對較低的導熱系數，范圍為0.1至0.5 W/mk。提高聚合物導熱性的一種簡單而有效的方法是將高導熱填料(如金屬、陶瓷
來源 | Composites Part B
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背景介紹
隨著電子產品逐漸向輕量化和多功能化的方向發展，要求更高的集成度導致設備功率密度的增加。因此電子產品在工作中會產生過多熱量大大降低了相應設備的性能和壽命，所以散熱成為制約電子器件進一步發展的瓶頸。散熱的主要挑戰之一是由表面粗糙度引起的電子器件和散熱器配合表面的微觀間隙所引起的界面熱阻
來源 | Composites Science and Technology
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背景介紹
從電子封裝中的導熱材料到智能控制設備中的傳感器，功能性聚合物復合材料有著廣泛的應用。優異的導熱性能通常需要較高的填充量(>50%)，這會使復合凝膠的拉伸性和順應性惡化。良好的柔韌性使復合凝膠能夠更好地貼合非均質組分的不規則表面，從而降低熱阻
來源 | Advanced Materials
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背景介紹
通過設計熱學超材料的結構構型，可實現熱流的操縱與控制，從而獲得超常熱功能，如：熱隱身、熱集中、熱偽裝、熱旋轉等。熱學超材料設計涉及高維設計空間、多個局部極值、巨大計算成本，以及熱學屬性與單胞結構間多種對應關系等，這給熱學超材料的智能設計帶來了巨大的挑戰
來源 |
Journal of Colloid And Interface Science
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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
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Jingkai Liu, Haoyang Feng, Jinyue Dai, et al. A Full-component recyclable Epoxy/BN thermal interface material with anisotropy high thermal conductivity and interface adaptability[J]. Chemical
