硅凝膠/氧化鋁導熱片的制備及其導熱性能研究

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是由無規則的高純氧化鋁經高溫熔融噴射煅燒而成,后經篩分、提純等工藝所得的一種Al2O3材料,具有高導熱、高絕緣、高硬度、耐高溫、耐腐蝕及耐磨等優異特性,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、粒徑分布可控等優點。球形Al2O3具有較高密度填充性能,可得到熱傳導率高、散熱性好的混合物,而應用于散熱片、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。環氧樹脂、硅脂等是常用于熱界面材料的聚合物,但具有導熱系數都低,不能迅速傳熱的缺點,若要進一步提高導熱效果,就必須在基體中添加導熱性填充料,實現高效的熱傳導。Yu等[1]添加適量偶聯劑對導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,粒徑復配的導熱系數要高于單一粒徑。楊剛等[3]研究發現,添加的氧化鋁含量越多,導熱膏的導熱系數就越大,Al2O3的填充體積分數為60%時最好。王聰[4]改變了EP/Al2O3復合材料中Al2O3含量,其導熱性能隨Al2O3用量的增加而提高。崔巍等[5]研究發現,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,能夠很好的提高復合材料熱導率。

該文以不同粒徑、硅烷偶聯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/氧化鋁導熱片,并對其導熱系數進行測試,探討硅烷偶聯劑表面改性和粒徑對導熱系數的影響。

1 實 驗

1.1 導熱機理

在物理學中,導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合基團。晶體內部排列整齊的晶粒通過熱震動來實現熱量傳遞,這樣的晶粒被稱為聲子[6]。而高分子膠體材料中的導熱性能則受到高分子和導熱填料共同作用的影響?？傊?導熱是一個復雜而重要的物理現象,在不同材料中存在著多種不同機制的表現。

1.2 主要原料與設備

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);硅烷偶聯劑KH570、KH560;導熱系數測試儀(DRL-Ⅲ型),湘潭儀器儀表廠。

1.3 導熱片的制備

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,目的是排出導熱膏體中的氣泡,從而減小氣泡對導熱性能的影響。從真空設備中拿出,將膏體壓至片狀,放入電熱鼓風干燥箱中設置130 ℃保溫20 min。計時結束后,膠體已經完全固化,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的DRL-Ⅲ型導熱系數測試儀對材料的導熱系數進行測試,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,并始終保持在設定的55 ℃。待溫度穩定后,測試時樣品溫度保持200 s溫度不變時能夠出一個測量結果,出三個結果后測試結束并計算導熱系數。

2 結果與分析

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配比例對導熱系數的影響

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

填料的粒徑是影響復合材料導熱率的重要原因之一。在這個比例下,可以更大程度上實現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生更多的界面面積,引起更強的聲子散射,因而表現出更大的界面熱阻。因此,小粒徑復配在填充量較低時的效果并不明顯。

在后續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 不同硅烷偶聯劑改性的球形氧化鋁對導熱系數的影響

硅烷偶聯劑改性主要是通過偶聯劑與Al2O3表面的活性基團發生化學反應,改變其表面性質,增強其與聚合物之間的相容性和分散性,從而提高Al2O3與聚合物之間的結合強度。其中偶聯劑常用的有硅烷類、鋁酸酯類、鈦酸酯類等。由于Al2O3的表面極易和其它物質發生化學反應,所以在加入到聚合物中后容易導致聚合物中的有機成分和無機成分發生反應,降低Al2O3的功能。通過加入偶聯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定性。

該文使用了KH570、KH560兩種偶聯劑對50 μm氧化鋁基體進行表面預處理。先使用未處理的50 μm球形Al2O3進行實驗,得到的導熱系數為2.686 1 W/(m·K),而經過KH570表面處理后的50 μm球形Al2O3為基體制作的導熱片的導熱系數可以達到3.065 3 W/(m·K);經過KH560表面處理后,導熱系數可以達到2.704 9 W/(m·K),因此對球形Al2O3進行表面改性可以提高導熱性能。Al2O3粉體的表面會吸附一定量的水分,可被硅烷偶聯劑水解的無機基團可以與粉體表面吸附的水發生水解,產生硅醇,然后與氧化鋁表面的活性基團結合,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熱系數的影響

當使用50 μm、54 μm、69 μm和72 μm的球形Al2O3按原比例和5 μm、2 μm球鋁復配制成導熱片,其對應的導熱系數如表1所示。

表1 添加60%不同粒徑氧化鋁時導熱系數的變化

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

3 結 論

采用物理混合法制備球形Al2O3導熱片,探究了硅烷偶聯劑處理、Al2O3的復配比例和粒徑大小對氧化鋁導熱片的導熱系數產生的影響。結果證明,不同粒徑的球形Al2O3復配可以提高導熱片的導熱系數,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,隨著Al2O3粒徑變大,導熱片的導熱系數逐漸增大。硅烷偶聯劑KH570和KH560的加入提高了導熱片的導熱性能,偶聯劑改性法可以使聚合物分子在Al2O3粒子表面形成化學鍵,從而提高了氧化鋁基復合材料的熱傳遞效率。