一文了解氧化鋁填料對(duì)導(dǎo)熱絕緣硅膠材料性能影響

一、引言

隨著電子工業(yè)的發(fā)展，電子元件、集成電路趨于密集化，小型化，要保證電子器件的可靠運(yùn)行，良好的散熱性是必不可少的。但是，電子器件與散熱裝置因其表面的凹凸不平，在界面間形成了一個(gè)空氣層，使得接觸熱阻增大，最終使電子器件的熱量不能高效傳遞給散熱裝置實(shí)現(xiàn)散熱。

導(dǎo)熱硅膠因具有好的粘性、柔韌性、良好的壓縮性能以及具有優(yōu)良的熱傳導(dǎo)率，常用來(lái)作為通訊設(shè)備、計(jì)算機(jī)等電器Ic基板的散熱填充材料。

無(wú)機(jī)非金屬粉體填料因其良好的絕緣性能，通常用于導(dǎo)熱絕緣硅橡膠作導(dǎo)熱媒介。

最為常見的無(wú)機(jī)非金屬導(dǎo)熱絕緣粉體填料有氮化鋁，氧化鋁，氧化鋅，氧化鈹，氧化硅，碳化硅，氮化硼等。

其中氧化鋁不但具有良好的絕緣性能，而且其導(dǎo)熱率也不低(常溫導(dǎo)熱率為30W/m·K)，已經(jīng)在高壓，特高壓開關(guān)電器領(lǐng)域絕緣制品中得到大量使用。

氧化鋁來(lái)源廣泛，價(jià)格相對(duì)較低，在硅膠中填充量大，具有較高的性價(jià)比，因此作為目前高導(dǎo)熱絕緣硅膠材料中的主要導(dǎo)熱絕緣填料。

二、氧化鋁在導(dǎo)熱硅膠中的導(dǎo)熱機(jī)理

物質(zhì)中的熱能常以振動(dòng)能的形式傳遞,即物質(zhì)內(nèi)部微觀粒子通過相互碰撞，實(shí)現(xiàn)熱能的傳遞。對(duì)于金屬材料，其熱傳導(dǎo)靠自由電子的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行導(dǎo)熱。由于自由電子的質(zhì)量輕，不受束縛，此使得金屬材料導(dǎo)熱的同時(shí)也能導(dǎo)電。

而氧化鋁填料的導(dǎo)熱主要依靠聲子的振動(dòng)，通過晶體的非線性熱振動(dòng)而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱。硅膠作為高分子材料，是由不對(duì)稱的極性鏈節(jié)所構(gòu)成，整個(gè)分子鏈不能完全自由運(yùn)動(dòng)，只能發(fā)生原子，基團(tuán)或鏈節(jié)的振動(dòng)，因此其導(dǎo)熱率很低，是熱的不良導(dǎo)體。

只有通過填充高導(dǎo)熱系數(shù)的填料來(lái)增加材料的熱導(dǎo)率。當(dāng)加入的氧化鋁的量較少時(shí)，氧化鋁在硅膠基體中的分布近似以孤島形式出現(xiàn)，此時(shí)導(dǎo)熱率提高不大。

隨著氧化鋁添加量的增加，在硅膠基體中的分布越來(lái)越密集，顆粒之間會(huì)相互接觸，在復(fù)合材料中形成局部的導(dǎo)熱鏈或?qū)峋W(wǎng)；若再增加氧化鋁的量，導(dǎo)熱鏈或?qū)峋W(wǎng)會(huì)相互聯(lián)結(jié)和貫穿，在聚合物基體中形成貫穿整個(gè)材料的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，從而使填充復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能顯著提高。但是，填充量過大使導(dǎo)熱硅膠的性能變差，如其流動(dòng)性和柔韌性因填料量的增大而變差。

三、氧化鋁填料性能對(duì)導(dǎo)熱硅膠性能影響

1、氧化鋁顆粒形貌對(duì)導(dǎo)熱硅膠性能影響

根據(jù)不同的燒成控制，氧化鋁的晶體形貌可以呈現(xiàn)出蠕蟲狀、片狀、球形(類球形)等形貌，由于球型顆粒的氧化鋁表面能小，填入基體中粘度小，更容易均勻分散于基體中，而且填充量相對(duì)于其他形狀的大，更有利于提高硅膠的導(dǎo)熱性，因此，當(dāng)前在高導(dǎo)熱絕緣材料中填充的氧化鋁顆粒形貌主要以球形。

典型的球形氧化鋁形貌如下：

制備球形氧化鋁通常有兩種工藝，熔融法和高溫煅燒法。其中熔融法是采用超過氧化鋁熔點(diǎn)的溫度，將氧化鋁多晶體熔融并收縮成球形，其形貌球形度高。而高溫煅燒法是通過低于熔點(diǎn)的溫度對(duì)氧化鋁顆粒煅燒，晶體發(fā)育生長(zhǎng)成類球形。

對(duì)于前者，氧化鋁顆粒的球形度高，但因氧化鋁為快速熔融，在晶體內(nèi)部往往會(huì)形成氣孔及空位等晶體缺，導(dǎo)致顆粒的致密度降低，從而降低其導(dǎo)熱率。

而后者是長(zhǎng)時(shí)間的晶體生長(zhǎng)，其結(jié)晶發(fā)育完整，化學(xué)純度高，顆粒具有非常高的真比重，達(dá)到3.98g/cm3以上，因此顆粒的導(dǎo)熱率要比熔融法生產(chǎn)的球形氧化鋁高。

2、氧化鋁晶型對(duì)導(dǎo)熱硅膠性能影響

高熱導(dǎo)率的氧化鋁顆粒，其自身必須具有高的結(jié)晶程度和致密度。α相氧化鋁為六方結(jié)構(gòu)，是氧化鋁多種變體中最為致密的結(jié)構(gòu)。研究表明α相越高的氧化鋁粉體，晶體完全呈現(xiàn)單晶的呈類球形顆粒，存在一定的晶面，填充在到硅膠中時(shí)，顆粒和顆粒的接觸就會(huì)出現(xiàn)一定的線接觸和面接觸，因此可以大幅提高硅膠的導(dǎo)熱率。

3、氧化鋁純度對(duì)導(dǎo)熱硅膠性能影響

作為絕緣導(dǎo)電填料的氧化鋁，其結(jié)構(gòu)中化學(xué)結(jié)合的雜質(zhì)會(huì)影響其最終晶體燒結(jié)的致密度，不利于提高導(dǎo)熱性；另外雜質(zhì)（如鈉離子）在疏松晶體結(jié)構(gòu)中容易形成導(dǎo)電離子，嚴(yán)重影響導(dǎo)熱絕緣硅膠的電氣性能，因此導(dǎo)電絕緣用的氧化鋁粉體一般要求小于0.1%。

4、氧化鋁粒度對(duì)導(dǎo)熱硅膠性能影響

研究發(fā)現(xiàn)小顆粒的填料容易被硅膠包覆，導(dǎo)致互相不接觸而產(chǎn)生熱阻；

而大粒子更容易互相接觸，從而形成導(dǎo)熱通路，增加熱導(dǎo)率。而且還得出一些規(guī)律：當(dāng)填充相同填料量時(shí)，在填充份數(shù)較小的情況下，小粒徑填料氧化鋁較大粒徑的導(dǎo)熱率大，而填充量超過一定的值時(shí)，小粒徑填料比氧化鋁較大粒徑的導(dǎo)熱率小。

因此通過合理的氧化鋁粉體粒徑搭配，增大粉體的填充堆積密度，使氧化鋁粉體在硅橡膠中形成更多的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，是有利于提高硅橡膠的導(dǎo)熱性。

不同粒徑的氧化鋁對(duì)硅膠的導(dǎo)熱率的影響如下：

5、偶聯(lián)劑表面處理對(duì)硅橡膠性能的影響

經(jīng)用偶聯(lián)劑改性的氧化鋁導(dǎo)熱粒子與硅膠的潤(rùn)濕性好，可以祛除粒子與基體之間的空氣，使粒子與界面具有較好的粘接性，從而提高硅膠的熱導(dǎo)率和力學(xué)性能。研究結(jié)果如下：

四、結(jié)束語(yǔ)

氧化鋁應(yīng)用于硅膠絕緣導(dǎo)熱作填料，整個(gè)體系已屬于復(fù)合材料的范疇。從上分析看出影響硅膠導(dǎo)熱絕緣性能有氧化鋁粉自身質(zhì)量因素，如粉體顆粒形貌，晶型，化學(xué)組成等；同時(shí)還有粉體的應(yīng)用因素，如偶合改性，顆粒級(jí)配，粉體在基體中的分散等，這些都在粉體生產(chǎn)時(shí)要充分認(rèn)識(shí)到的，只有兩者相互結(jié)合才能生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的導(dǎo)熱絕緣粉體填料。由于筆者水平有限，若有錯(cuò)誤的地方請(qǐng)多多指正。

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