硅凝膠/氧化鋁導(dǎo)熱片的制備及其導(dǎo)熱性能研究

裴紹穎,曹 宇,吳 蓋,尹陳麟,李若塵,劉 婧

(1.蚌埠中恒新材料科技有限責(zé)任公司,蚌埠 233030;2.凱盛科技股份有限公司,蚌埠 233030)

球形Al2O3是由無規(guī)則的高純氧化鋁經(jīng)高溫熔融噴射煅燒而成,后經(jīng)篩分、提純等工藝所得的一種Al2O3材料,具有高導(dǎo)熱、高絕緣、高硬度、耐高溫、耐腐蝕及耐磨等優(yōu)異特性,還具有流動性好、吸油值低、球化率高、α相含量高以及比表面積小、粒徑分布可控等優(yōu)點。球形Al2O3具有較高密度填充性能,可得到熱傳導(dǎo)率高、散熱性好的混合物,而應(yīng)用于散熱片、散熱基板用填充劑(MC基板)、散熱油脂、相變化片中。電子元器件的正常運作需要良好的散熱效果,需要保證電子元器件與散熱裝置之間熱傳遞的高效性。兩個元器件之間若接觸面不平整,存在空氣,會使接觸熱阻增大,熱量無法散出。為了減少兩個元器件之間的熱阻,需要先將界面材料充填到兩個接觸面的空隙之中。環(huán)氧樹脂、硅脂等是常用于熱界面材料的聚合物,但具有導(dǎo)熱系數(shù)都低,不能迅速傳熱的缺點,若要進一步提高導(dǎo)熱效果,就必須在基體中添加導(dǎo)熱性填充料,實現(xiàn)高效的熱傳導(dǎo)。Yu等[1]添加適量偶聯(lián)劑對導(dǎo)熱材料進行表面改性使其更加均勻的分散在基體中,提高填料在基體的相容性,顯著降低復(fù)合材料的粘度,提高AIN的固含量。朱寧寧[2]將不同粒徑的AIN配合使用,粒徑復(fù)配的導(dǎo)熱系數(shù)要高于單一粒徑。楊剛等[3]研究發(fā)現(xiàn),添加的氧化鋁含量越多,導(dǎo)熱膏的導(dǎo)熱系數(shù)就越大,Al2O3的填充體積分數(shù)為60%時最好。王聰[4]改變了EP/Al2O3復(fù)合材料中Al2O3含量,其導(dǎo)熱性能隨Al2O3用量的增加而提高。崔巍等[5]研究發(fā)現(xiàn),合理使用改性劑對粉體進行表面改性,改性劑在粉體表面形成單層包覆后,能夠很好的提高復(fù)合材料熱導(dǎo)率。

該文以不同粒徑、硅烷偶聯(lián)劑表面處理后氧化鋁和硅凝膠為原料,采用物理方法制備硅凝膠/氧化鋁導(dǎo)熱片,并對其導(dǎo)熱系數(shù)進行測試,探討硅烷偶聯(lián)劑表面改性和粒徑對導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

1 實 驗

1.1 導(dǎo)熱機理

在物理學(xué)中,導(dǎo)熱是指一種利用微觀粒子(如分子、原子以及自由電子等)之間的熱運動傳播熱能的過程。金屬依靠內(nèi)部的自由電子,從而有非常高的熱傳遞速度。非金屬依靠的則是鄰近原子振動和結(jié)合基團。晶體內(nèi)部排列整齊的晶粒通過熱震動來實現(xiàn)熱量傳遞,這樣的晶粒被稱為聲子[6]。而高分子膠體材料中的導(dǎo)熱性能則受到高分子和導(dǎo)熱填料共同作用的影響?？傊?導(dǎo)熱是一個復(fù)雜而重要的物理現(xiàn)象,在不同材料中存在著多種不同機制的表現(xiàn)。

1.2 主要原料與設(shè)備

彈性體硅凝膠(辰矽CX-3425A和CX-3425B);球形Al2O3,平均粒徑(D50)為2 μm、5 μm和50 μm(實驗室自制);硅烷偶聯(lián)劑KH570、KH560;導(dǎo)熱系數(shù)測試儀(DRL-Ⅲ型),湘潭儀器儀表廠。

1.3 導(dǎo)熱片的制備

5%CX-3425A和5%CX-3425B彈性體硅凝膠與球形Al2O3粉體混合攪拌至均勻,將膏體平鋪在塑料膜上,放入真空泵抽真空,目的是排出導(dǎo)熱膏體中的氣泡,從而減小氣泡對導(dǎo)熱性能的影響。從真空設(shè)備中拿出,將膏體壓至片狀,放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中設(shè)置130 ℃保溫20 min。計時結(jié)束后,膠體已經(jīng)完全固化,取出自然冷卻,使用切割工具切出直徑約為30 mm的圓片狀導(dǎo)熱片,待測。制備和固化流程見圖1,樣品圖見圖2。

1.4 材料表征

采用湘潭儀器儀表廠生產(chǎn)的DRL-Ⅲ型導(dǎo)熱系數(shù)測試儀對材料的導(dǎo)熱系數(shù)進行測試,測試方法為熱流法。測試儀由熱端和冷端組成,上下兩個端面并不完全平滑,在微觀層面上存在一些凹凸不平的情況。所以將樣品放置在熱端和冷端之間,并施加一定的壓力,可以有效減小界面接觸熱阻。樣品的面積和厚度可以測量出來。在儀器工作時,熱端通過圓片電阻進行加熱,并始終保持在設(shè)定的55 ℃。待溫度穩(wěn)定后,測試時樣品溫度保持200 s溫度不變時能夠出一個測量結(jié)果,出三個結(jié)果后測試結(jié)束并計算導(dǎo)熱系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同粒徑的球形氧化鋁的SEM圖

不同粒徑的球形氧化鋁的SEM(掃描電鏡)圖如圖3所示。由圖3可以看出,氧化鋁微球呈均勻單分散狀,具有規(guī)整的球形形貌。三種球形氧化鋁微球的粒徑分布在2 μm、5 μm、50 μm。

2.2 不同粒徑的球形氧化鋁復(fù)配比例對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

采用不同比例的50 μm球形Al2O3與5 μm、2 μm球形Al2O3進行復(fù)配。分別制備50 μm球形Al2O3填充量在40%、50%、60%、70%、80%的導(dǎo)熱墊片。實驗測得當(dāng)50 μm球形Al2O3填充量在60%,5 μm、2 μm球形Al2O3均為20%時,導(dǎo)熱片的導(dǎo)熱系數(shù)最大,為2.697 1 W/(m·K),如圖4所示。

填料的粒徑是影響復(fù)合材料導(dǎo)熱率的重要原因之一。在這個比例下,可以更大程度上實現(xiàn)填料在基體中的緊密堆積,小顆粒填充在大顆粒的縫隙之中,致密度增大,使顆粒之間接觸的更加精密和全面,形成更多的熱傳輸通路,減小了接觸熱阻,提高熱傳輸效率;同時,小顆粒的Al2O3分散在空隙中可以防止大顆粒Al2O3的沉降,如圖5所示。小粒徑的填料會在基體中產(chǎn)生更多的界面面積,引起更強的聲子散射,因而表現(xiàn)出更大的界面熱阻。因此,小粒徑復(fù)配在填充量較低時的效果并不明顯。

在后續(xù)實驗中選擇平均粒徑為50 μm的Al2O3作為基體,添加比例為60%,5 μm和2 μm的Al2O3作為填充料,添加比例為20%。

2.3 不同硅烷偶聯(lián)劑改性的球形氧化鋁對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

硅烷偶聯(lián)劑改性主要是通過偶聯(lián)劑與Al2O3表面的活性基團發(fā)生化學(xué)反應(yīng),改變其表面性質(zhì),增強其與聚合物之間的相容性和分散性,從而提高Al2O3與聚合物之間的結(jié)合強度。其中偶聯(lián)劑常用的有硅烷類、鋁酸酯類、鈦酸酯類等。由于Al2O3的表面極易和其它物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),所以在加入到聚合物中后容易導(dǎo)致聚合物中的有機成分和無機成分發(fā)生反應(yīng),降低Al2O3的功能。通過加入偶聯(lián)劑能夠改善這一情況,從而提高Al2O3與聚合物之間的相容性,增強其在聚合物中的分散穩(wěn)定性。

該文使用了KH570、KH560兩種偶聯(lián)劑對50 μm氧化鋁基體進行表面預(yù)處理。先使用未處理的50 μm球形Al2O3進行實驗,得到的導(dǎo)熱系數(shù)為2.686 1 W/(m·K),而經(jīng)過KH570表面處理后的50 μm球形Al2O3為基體制作的導(dǎo)熱片的導(dǎo)熱系數(shù)可以達到3.065 3 W/(m·K);經(jīng)過KH560表面處理后,導(dǎo)熱系數(shù)可以達到2.704 9 W/(m·K),因此對球形Al2O3進行表面改性可以提高導(dǎo)熱性能。Al2O3粉體的表面會吸附一定量的水分,可被硅烷偶聯(lián)劑水解的無機基團可以與粉體表面吸附的水發(fā)生水解,產(chǎn)生硅醇,然后與氧化鋁表面的活性基團結(jié)合,形成共價鍵,在氧化鋁與硅油之間形成“分子橋”,使兩者之間的相容性得到改善[3]。這一方法可以有效降低熱阻,提高整體傳熱效果。

2.4 不同粒徑的球形氧化鋁對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

當(dāng)使用50 μm、54 μm、69 μm和72 μm的球形Al2O3按原比例和5 μm、2 μm球鋁復(fù)配制成導(dǎo)熱片,其對應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)如表1所示。

表1 添加60%不同粒徑氧化鋁時導(dǎo)熱系數(shù)的變化

從表1中可以看出,Al2O3粒徑增大,所制成的導(dǎo)熱片的導(dǎo)熱系數(shù)也越大。在復(fù)配比例和質(zhì)量相同的情況下,Al2O3粒徑大,顆粒數(shù)量就多,顆粒之間的接觸熱阻就增大,而顆粒內(nèi)部的導(dǎo)熱效率要高于顆粒之間的導(dǎo)熱效率,因此,72 μm的Al2O3填充的導(dǎo)熱片的導(dǎo)熱系數(shù)要高于另外3個粒徑的Al2O3。

3 結(jié) 論

采用物理混合法制備球形Al2O3導(dǎo)熱片,探究了硅烷偶聯(lián)劑處理、Al2O3的復(fù)配比例和粒徑大小對氧化鋁導(dǎo)熱片的導(dǎo)熱系數(shù)產(chǎn)生的影響。結(jié)果證明,不同粒徑的球形Al2O3復(fù)配可以提高導(dǎo)熱片的導(dǎo)熱系數(shù),Al2O3填充比例在60%時效果最好。小顆粒填充在大顆粒的縫隙之中,致密度增大,使顆粒之間接觸的更加精密和全面,形成更多的熱傳輸通路,減小了接觸熱阻,提高熱傳輸效率;同時,小顆粒的Al2O3分散在大顆粒的間隙中可以防止大顆粒Al2O3的沉降。在一定粒徑范圍內(nèi),隨著Al2O3粒徑變大,導(dǎo)熱片的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大。硅烷偶聯(lián)劑KH570和KH560的加入提高了導(dǎo)熱片的導(dǎo)熱性能,偶聯(lián)劑改性法可以使聚合物分子在Al2O3粒子表面形成化學(xué)鍵,從而提高了氧化鋁基復(fù)合材料的熱傳遞效率。