基于氧化鋁/羰基鐵粉的導(dǎo)熱吸波片特性分析

導(dǎo)熱吸波材料是解決5G電磁干擾及散熱難問題的重要技術(shù)途徑之一。該類材料一般通過在聚合物基材中填充具有吸波作用的吸收劑（如羰基鐵粉、碳化硅）以及較高熱導(dǎo)率的導(dǎo)熱粉體（如氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅、氮化硼、氮化鋁）等功能填料來制備。已有研究表明，羰基鐵粉磁性吸收劑同時具備介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的頻散特性，有利于在寬頻范圍內(nèi)實現(xiàn)阻抗匹配和強(qiáng)電磁損耗，能較好地滿足材料吸波性能設(shè)計需要；氧化鋁粉具有較高的本征導(dǎo)熱系數(shù)（~36W/（m·K））以及電絕緣性能，在聚合物中填充濃度足夠高（超過逾滲閾值）的情況下能建立起導(dǎo)熱通路，從而獲得較高的宏觀熱導(dǎo)率。

汪旭文等人分別以羰基鐵粉和氧化鋁粉作為填料、丁腈橡膠作為基材制備導(dǎo)熱吸波片，考察羰基鐵粉/氧化鋁粉用量比例調(diào)整對復(fù)合材料的吸波和導(dǎo)熱性能的影響規(guī)律，為高效導(dǎo)熱吸波材料的組成與結(jié)構(gòu)設(shè)計提供具體參考。以下是實驗過程：

首先用適量二甲苯溶劑將丁腈橡膠基材溶解成溶液，按表1所示的填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)將羰基鐵粉、氧化鋁加入其中并充分?jǐn)嚢柚辆鶆蚍稚ⅲ?0℃下將該復(fù)合體系的溶劑烘干；加入適量硫化劑并利用開煉機(jī)充分混煉，壓制成一定厚度的片材；最后在130℃/15MPa條件下熱壓1h，獲得厚度為0.5~2.0mm的系列羰基鐵粉/氧化鋁/丁腈橡膠片。

結(jié)果分析

圖1是采用的羰基鐵粉和氧化鋁粉末SEM照片和對應(yīng)的粒度分布曲線?？梢钥闯?，羰基鐵粉和氧化鋁粉末的顆粒形貌均為球形，前者中位粒徑D50為5.24μm，在60～150μm區(qū)間的少許顆粒分布源于部分羰基鐵粉的團(tuán)聚（粒徑較小，流動性相對較差），而氧化鋁粉的中位粒徑D50為84.9μm。利用粒徑差異較大的兩種填料進(jìn)行配比使其有利于在導(dǎo)熱吸波片中形成緊密堆積，更好地滿足構(gòu)建導(dǎo)熱通路的設(shè)計需要。

圖2為制備的三組導(dǎo)熱吸波片截面SEM照片。從圖2a可以看出，含量較多、較小粒徑的羰基鐵粉均勻分散于橡膠基體中形成復(fù)合連續(xù)相，而含量相對較少、粒徑較大的氧化鋁顆粒彌散分布于羰基鐵粉/橡膠復(fù)合體系中；圖2b中，隨著氧化鋁粉含量的提升，兩種填料在橡膠基體中所占體積比趨于均衡，形成細(xì)小羰基鐵粉包裹大粒徑氧化鋁粉的形貌特征；圖2c顯示，氧化鋁粉含量進(jìn)一步增加后，其顆粒間距明顯減小并有部分接觸，而此時羰基鐵粉含量較低不再呈連續(xù)分布狀態(tài)。

從表2可以看出，在基材質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定的條件下，隨著較小粒徑的羰基鐵粉比例減小、較大粒徑氧化鋁粉比例增大，填料的總體積分?jǐn)?shù)呈增大趨勢，但總比表面積明顯減小，反映填料與基材的復(fù)合界面相應(yīng)地減少。

吸波能力

圖3為導(dǎo)熱吸波片在0.3~18GHz范圍的反射損耗（厚度為2mm）及其衰減系數(shù)計算結(jié)果。對同一厚度，導(dǎo)熱吸波片反射損耗曲線的峰值和對應(yīng)頻率分別為–23.9dB/6.3GHz（HA-1）、–19.8dB/9.9GHz（HA-2）和–22.6dB/13.2GHz（HA-3），即羰基鐵粉含量越低，對應(yīng)的反射損耗峰的位置越靠近高頻；三組樣品在反射損耗–10dB以下的帶寬分別達(dá)到3.63GHz、3.54GHz和5.13GHz，均表現(xiàn)出寬帶強(qiáng)吸收特性。另一方面，樣品的衰減系數(shù)均隨頻率的升高逐漸增大，即對高頻電磁波的損耗能力越強(qiáng)；同一頻率下羰基鐵粉含量越高的樣品衰減系數(shù)越大，如15GHz處，HA-1、HA-2和HA-3樣品的衰減系數(shù)分別47.6dB/cm、25.8dB/cm和14.5dB/cm。上述結(jié)果表明，羰基鐵粉和氧化鋁粉的比例調(diào)整對導(dǎo)熱吸波片的吸波性能具有顯著的調(diào)控作用，適當(dāng)增大羰基鐵粉的含量有利于提升材料的電磁波損耗能力。

導(dǎo)熱性能

制備的導(dǎo)熱吸波片熱導(dǎo)率（λ）如圖4所示。可以看出，隨著羰基鐵粉含量減小、氧化鋁粉含量增大，樣品的熱導(dǎo)率呈先上升后下降的趨勢。這一現(xiàn)象主要由復(fù)合體系中羰基鐵粉/橡膠和氧化鋁/橡膠的二相界面熱阻變化以及羰基鐵粉和氧化鋁的本征熱導(dǎo)率差異所引起。由表2可以看出，隨著羰基鐵粉比例減小、氧化鋁比例增大（HA-1→HA-2），填料的總比表面積減小，填料與丁腈橡膠基體的二相界面相應(yīng)減少，材料整體的聲子散射減弱，界面熱阻減小，熱導(dǎo)率隨之提高，因而HA-2的熱導(dǎo)率高于HA-1；當(dāng)氧化鋁比例進(jìn)一步增大時（HA-2→HA-3），復(fù)合體系中氧化鋁顆粒間接觸增多，氧化鋁與羰基鐵粉熱流逐漸沿氧化鋁形成的通路傳導(dǎo)，羰基鐵粉傳導(dǎo)的熱流貢獻(xiàn)減小，但氧化鋁的本征熱導(dǎo)率低于羰基鐵粉，導(dǎo)致樣品HA-3熱導(dǎo)率低于HA-2。在考察的三組樣品中，羰基鐵粉與氧化鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的HA-2樣品熱導(dǎo)率相對較高（~1.66W/（m·K）），是丁腈橡膠基材（~0.25W/（m·K））的6.64倍?；谏鲜鰧?dǎo)熱機(jī)理分析，通過兩種填料的粒徑和體積分?jǐn)?shù)等工藝參數(shù)優(yōu)化，減小界面熱阻并構(gòu)建高效導(dǎo)熱通道，是進(jìn)一步提升導(dǎo)熱吸波片導(dǎo)熱性能的有效途徑。

結(jié)論

（1）在橡膠基材質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定的條件下，考察范圍內(nèi)減少較小粒徑羰基鐵粉（D50=5.24μm）并相應(yīng)增加較大粒徑氧化鋁粉（D50=84.9μm）的用量，導(dǎo)熱吸波片中填料的總體積分?jǐn)?shù)有所增大，但總比表面積（對應(yīng)填料/基材復(fù)合界面）明顯減小。

（2）隨著羰基鐵粉含量減小、氧化鋁粉含量增大，導(dǎo)熱吸波片的反射損耗峰位置移向高頻，考察的三組樣品均表現(xiàn)出寬帶強(qiáng)吸收特性；衰減系數(shù)均隨頻率的升高逐漸增大，同一頻率下羰基鐵粉含量越高的樣品衰減系數(shù)越大。

（3）隨著羰基鐵粉含量減小、氧化鋁粉含量增大，導(dǎo)熱吸波片的熱導(dǎo)率呈先上升后下降的趨勢；其中，羰基鐵粉與氧化鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的HA-2樣品熱導(dǎo)率相對較高（~1.66W/（m·K）），達(dá)到丁腈橡膠基材（~0.25W/（m·K））的6.64倍。

以上內(nèi)容來源于：《汪旭文等：基于氧化鋁/羰基鐵粉的復(fù)合貼片吸波與導(dǎo)熱特性分析》有刪減。