硅凝胶_氧化铝导热片的制备及其导热性能研究.pdf

d o i:1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 4-6 0 6 6.2 0 2 3.0 5.0 0 2硅凝胶/氧化铝导热片的制备及其导热性能研究裴绍颖1,曹 宇1,吴 盖1,尹陈麟1,李若尘2,刘 婧1(1.蚌埠中恒新材料科技有限责任公司,蚌埠2 3 3 0 3 0;2.凯盛科技股份有限公司,蚌埠2 3 3 0 3 0)摘 要:球形A l2O3粉体是一种粒径在纳米级到毫米级的白色球形颗粒状化工原料。该文采用硅凝胶与氧化铝粉体制备了硅凝胶/氧化铝导热片,考察了不同硅烷偶联剂表面处理、不同粒径的A l2O3对制备的导热片导热系数的影响。结果表明,随着球形A l2O3粒径变大,导热片的导热系数逐渐增大,不同粒径的A l2O3可以更大程度的实现填料在机体中的紧密堆积,小颗粒填充到大颗粒的孔隙,在基体中形成的紧密堆积降低了相邻大颗粒之间的界面热阻。硅烷偶联剂改性后的A l2O3制备导热片的导热系数可以达到3.0 6 53W/(mK),高于未改性前(2.6 8 61W/(mK)。关键词:硅凝胶;球形A l2O3;导热;硅烷偶联剂;粒径复配S t u d yo nP r e p a r a t i o na n dT h e r m a lC o n d u c t i v i t yo fS i l i c o nG e l/A l2O3T h e r m a lC o n d u c t i v eS h e e tP E IS h a o-y i n g1,C A OY u1,WUG a i1,Y I NC h e n-l i n1,L IR u o-c h e n2,L I UJ i n g1(1.B e n g b uZ h o n g h e n gN e w M a t e r i a lT e c h n o l o g yC o,L t d,B e n g b u2 3 3 0 3 0,C h i n a;2.T r i u m p hS c i e n c e&T e c h n o l o g yC o,L t d,B e n g b u2 3 3 0 3 0,C h i n a)A b s t r a c t:S p h e r i c a lA l2O3p o w d e r i s aw h i t e s p h e r i c a l c h e m i c a l r a wm a t e r i a lw i t hp a r t i c l e s i z e s r a n g i n g f r o mn a n o m e t e r s t om i l l i m e t e r s.I n t h i s a r t i c l e,s i l i c o ng e l/a l u m i n u mo x i d e t h e r m a l c o n d u c t i v e s h e e tw a s p r e p a r e db yu s i n g s i l i c o ng e l a n d a l u m i n u mo x i d ep o w d e r.T h e i n f l u e n c e o f d i f f e r e n t s i l a n e c o u p l i n g a g e n t s u r f a c e t r e a t m e n t a n dd i f f e r e n t p a r t i c l e s i z eA l2O3o n t h e t h e r m a lc o n d u c t i v i t yo f t h ep r e p a r e d t h e r m a l c o n d u c t i v e s h e e tw a s i n v e s t i g a t e d.T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t a s t h ep a r t i c l e s i z e o f s p h e r i c a lA l2O3i n c r e a s e s,t h e t h e r m a l c o n d u c t i v i t yo f t h e t h e r m a l c o n d u c t i v i t y s h e e t g r a d u a l l y i n c r e a s e s.A l2O3w i t hd i f f e r e n t p a r t i c l e s i-z e sc a n a c h i e v e a g r e a t e r d e g r e e o f c o m p a c t p a c k i n go f f i l l e r s i n t h e b o d y,w i t h s m a l l p a r t i c l e s f i l l i n g t h e p o r e s o f l a r g e p a r t i c l e s.T h e c o m p a c tp a c k i n g f o r m e d i n t h em a t r i x r e d u c e s t h e i n t e r f a c i a l t h e r m a l r e s i s t a n c eb e t w e e n a d j a c e n t l a r g e p a r t i c l e s.T h e t h e r-m a l c o n d u c t i v i t yo fA l2O3p r e p a r e db ys i l a n e c o u p l i n ga g e n tm o d i f i c a t i o nc a nr e a c h3.0 6 53W/(mK),w h i c h i sh i g h e r t h a nt h a t o fu n m o d i f i e dA l2O3(2.6 8 61W/(mK).K e yw o r d s:s i l i c o ng e l;s p h e r i c a lA l2O3;h e a t c o n d u c t i o n;s i l a n ec o u p l i n ga g e n t;p a r t i c l es i z ec o m p o u n d i n g收稿日期:2 0 2 3-0 8-2 3.作者简介:裴绍颖(1 9 9 9-),本科.E-m a i l:1 7 3 0 2 9 4 2 6 2q q.c o m球形A l2O3是由无规则的高纯氧化铝经高温熔融喷射煅烧而成,后经筛分、提纯等工艺所得的一种A l2O3材料,具有高导热、高绝缘、高硬度、耐高温、耐腐蚀及耐磨等优异特性,还具有流动性好、吸油值低、球化率高、相含量高以及比表面积小、粒径分布可控等优点。球形A l2O3具有较高密度填充性能,可得到热传导率高、散热性好的混合物,而应用于散热片、散热基板用填充剂(MC基板)、散热油脂、相变化片中。电子元器件的正常运作需要良好的散热效果,需要保证电子元器件与散热装置之间热传递的高效性。两个元器件之间若接触面不平整,存在空气,会使接触热阻增大,热量无法散出。为了减少两个元器件之间的热阻,需要先将界面材料充填到两个接触面的空隙之中。环氧树脂、硅脂等是常用于热界面材料的聚合物,但具有导热系数都低,不能迅速传热的缺点,若要进一步提高导热效果,就必须在基体中添加导热性填充料,实现高效的热传导。Y u等1添加适量偶联剂对导热材料进行表面改性使其更加均匀的分散在基体中,提高填料在基体的相容性,显著降低复合材料的粘度,提高A I N的固含量。朱宁宁2将不同粒径的A I N配合使用,粒5建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第5期径复配的导热系数要高于单一粒径。杨刚等3研究发现,添加的氧化铝含量越多,导热膏的导热系数就越大,A l2O3的填充体积分数为6 0%时最好。王聪4改变了E P/A l2O3复合材料中A l2O3含量,其导热性能随A l2O3用量的增加而提高。崔巍等5研究发现,合理使用改性剂对粉体进行表面改性,改性剂在粉体表面形成单层包覆后,能够很好的提高复合材料热导率。该文以不同粒径、硅烷偶联剂表面处理后氧化铝和硅凝胶为原料,采用物理方法制备硅凝胶/氧化铝导热片,并对其导热系数进行测试,探讨硅烷偶联剂表面改性和粒径对导热系数的影响。1 实 验1.1 导热机理在物理学中,导热是指一种利用微观粒子(如分子、原子以及自由电子等)之间的热运动传播热能的过程。金属依靠内部的自由电子,从而有非常高的热传递速度。非金属依靠的则是邻近原子振动和结合基团。晶体内部排列整齐的晶粒通过热震动来实现热量传递,这样的晶粒被称为声子6。而高分子胶体材料中的导热性能则受到高分子和导热填料共同作用的影响。总之,导热是一个复杂而重要的物理现象,在不同材料中存在着多种不同机制的表现。1.2 主要原料与设备弹性体硅凝胶(辰矽C X-3 4 2 5 A和C X-3 4 2 5 B);球形A l2O3,平均粒径(D5 0)为2m、5m和5 0m(实验室自制);硅烷偶联剂KH 5 7 0、KH 5 6 0;导热系数测试仪(D R L-型),湘潭仪器仪表厂。1.3 导热片的制备5%C X-3 4 2 5 A和5%C X-3 4 2 5 B弹性体硅凝胶与球形A l2O3粉体混合搅拌至均匀,将膏体平铺在塑料膜上,放入真空泵抽真空,目的是排出导热膏体中的气泡,从而减小气泡对导热性能的影响。从真空设备中拿出,将膏体压至片状,放入电热鼓风干燥箱中设置1 3 0保温2 0m i n。计时结束后,胶体已经完全固化,取出自然冷却,使用切割工具切出直径约为3 0mm的圆片状导热片,待测。制备和固化流程见图1,样品图见图2。1.4 材料表征采用湘潭仪器仪表厂生产的D R L-型导热系数测试仪对材料的导热系数进行测试,测试方法为热流法。测试仪由热端和冷端组成,上下两个端面并不完全平滑,在微观层面上存在一些凹凸不平的情况。所以将样品放置在热端和冷端之间,并施加一定的压力,可以有效减小界面接触热阻。样品的面积和厚度可以测量出来。在仪器工作时,热端通过圆片电阻进行加热,并始终保持在设定的5 5。待温度稳定后,测试时样品温度保持2 0 0s温度不变时能够出一个测量结果,出三个结果后测试结束并计算导热系数。2 结果与分析2.1 不同粒径的球形氧化铝的S EM图不同粒径的球形氧化铝的S EM(扫描电镜)图如图3所示。由图3可以看出,氧化铝微球呈均匀单分散状,具有规整的球形形貌。三种球形氧化铝微球的粒径分布在2m、5m、5 0m。6建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第5期2.2 不同粒径的球形氧化铝复配比例对导热系数的影响采用不同比例的5 0m球形A l2O3与5m、2m球形A l2O3进行复配。分别制备5 0m球形A l2O3填充量在4 0%、5 0%、6 0%、7 0%、8 0%的导热垫片。实验测得当5 0m球形A l2O3填充量在6 0%,5m、2m球形A l2O3均为2 0%时,导热片的导热系数最大,为2.6 9 71W/(mK),如图4所示。填料的粒径是影响复合材料导热率的重要原因之一。在这个比例下,可以更大程度上实现填料在基体中的紧密堆积,小颗粒填充在大颗粒的缝隙之中,致密度增大,使颗粒之间接触的更加精密和全面,形成更多的热传输通路,减小了接触热阻,提高热传输效率;同时,小颗粒的A l2O3分散在空隙中可以防止大颗粒A l2O3的沉降,如图5所示。小粒径的填料会在基体中产生更多的界面面积,引起更强的声子散射,因而表现出更大的界面热阻。因此,小粒径复配在填充量较低时的效果并不明显。在后续实验中选择平均粒径为5 0m的A l2O3作为基体,添加比例为6 0%,5m和2m的A l2O3作为填充料,添加比例为2 0%。2.3 不同硅烷偶联剂改性的球形氧化铝对导热系数的影响硅烷偶联剂改性主要是通过偶联剂与A l2O3表面的活性基团发生化学反应,改变其表面性质,增强其与聚合物之间的相容性和分散性,从而提高A l2O3与聚合物之间的结合强度。其中偶联剂常用的有硅烷类、铝酸酯类、钛酸酯类等。由于A l2O3的表面极易和其它物质发生化学反应,所以在加入到聚合物中后容易导致聚合物中的有机成分和无机成分发生反应,降低A l2O3的功能。通过加入偶联剂能够改善这一情况,从而提高A l2O3与聚合物之间的相容性,增强其在聚合物中的分散稳定性。该文使用了KH 5 7 0、KH 5 6 0两种偶联剂对5 0m氧化铝基体进行表面预处理。先使用未处理的5 0m球形A l2O3进行实验,得到的导热系数为2.6 8 61 W/(mK),而经过KH 5 7 0表面处理后的5 0m球形A l2O3为基体制作的导热片的导热系数可以达到3.0 6 53W/(mK);经过KH 5 6 0表面处理后,导热系数可以达到2.7 0 49W/(mK),因此对球形A l2O3进行表面改性可以提高导热性能。A l2O3粉体的表面会吸附一定量的水分,可被硅烷偶联剂水解的无机基团可以与粉体表面吸附的水发生水解,产生硅醇,然后与氧化铝表面的活性基团结合,形成共价键,在氧化铝与硅油之间形成“分子桥”,使两者之间的相容性得到改善3。这一方法可以有效降低热阻,提高整体传热效果。2.4 不同粒径的球形氧化铝对导热系数的影响 当使用5 0m、5 4m、6 9m和7 2m的球形A l2O3按原比例和5m、2m球铝复配制成导热片,其对应的导热系数如表1所示。从表1中可以看出,A l2O3粒径增大,所制成的导热片的导热系数也越大。在复配比例和质量相同的情况下,A l2O3粒径大,颗粒数量就多,颗粒之间的接触热阻就增大,而颗粒内部的导热效率要高于颗粒之间的导热效率,因此,7 2m的A l2O3填充的导热片的导热系数要高于另外3个粒径的A l2O3。表1 添加6 0%不同粒径氧化铝时导热系数的变化粒径/m导热系数/(W(mK)-1)均值5 02.7 1 212.7 3 612.7 0 882.7 1 905 42.8 0 352.8 3 652.7 9 242.8 1 086 92.8 1 432.8 1 652.8 8 922.8 4 007 23.0 1 862.9 2 652.9 3 942.9 6 157建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第5期3 结 论采用物理混合法制备球形A l2O3导热片,探究了硅烷偶联剂处理、A l2O3的复配比例和粒径大小对氧化铝导热片的导热系数产生的影响。结果证明,不同粒径的球形A l2O3复配可以提高导热片的导热系数,A l2O3填充比例在6 0%时效果最好。小颗粒填充在大颗粒的缝隙之中,致密度增大,使颗粒之间接触的更加精密和全面,形成更多的热传输通路,减小了接触热阻,提高热传输效率;同时,小颗粒的A l2O3分散在大颗粒的间隙中可以防止大颗粒A l2O3的沉降。在一定粒径范围内,随着A l2O3粒径变大,导热片的导热系数逐渐增大。硅烷偶联剂KH 5 7 0和KH 5 6 0的加入提高了导热片的导热性能,偶联剂改性法可以使聚合物分子在A l2O3粒子表面形成化学键,从而提高了氧化铝基复合材料的热传递效率。参考文献1 Y uH,L iL,K i d oT,e t a l.T h e r m a l a n dI n s u l a t i n gP r o p e r t i e so fE p o x y/A l u m i n u m N i t r i d eC o m p o s i t e sU s e df o rT h e r m a lI n t e r f a c eM a t e r i a lJ.JA p p lP o l y mS c i,2 0 1 2,1 2 4(1):6 6 9-6 7 7.2 朱宁宁.B N和A l N颗粒对导热硅胶性能的影响D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2 0 1 1.3 杨 刚,程金虎,朱海涛.球形氧化铝导热膏的制备及其导热性能J.青岛科技大学学报:自然科学版,2 0 1 6,3 7(5):5 2 8-5 3 2.4 王 聪.环氧树脂/氧化铝导热复合材料的结构设计和制备J.绝缘材料,2 0 1 0(1):5 2-5 5.5 崔 巍,祝 渊,袁轩一,等.高导热高绝缘导热硅脂的制备及性能表征J.稀有金属材料与工程,2 0 1 1(S 1):4 4 3-4 4 6.6 周文英,齐暑华,赵红振,等.复合绝缘导热胶粘剂研究J.中国胶粘剂,2 0 0 6,1 5(1 1):2 2-2 5.欢迎投稿、订阅 建材世界 建材世界 是由中华人民共和国教育部主管、武汉理工大学和中国建材国际工程集团有限公司主办的科技期刊,刊号为:C N 4 2-1 7 8 3/TU,I S S N1 6 7 4-6 0 6 6。面向全国公开发行。建材世界 办刊宗旨及业务范围为:报道材料科学与工程、新型建材及胶凝材料与制品等方面最新科研成果、学术动态和研究进展,加强学术交流,促进技术转化,服务学科建设和经济建设。欢迎投稿及订阅,电子邮箱:j i a n c a i s j 2 6 3.n e t。投稿要求论文完整,有题名、作者及单位、中文摘要、关键词、英文题名、英文作者及单位、英文摘要、英文关键词、正文、参考文献、作者简介和作者联系方式。本刊每本定价1 5元,全年6期共9 0元。如需订阅,请到附近邮局订阅,邮发代号:3 8-7 5。也可以直接与本刊编辑部联系购买。电话:0 2 7-8 7 7 3 0 6 4 2E-m a i l:j i a n c a i s j 2 6 3.n e t8建材世界 2 0 2 3年 第4 4卷 第5期