球形氧化鋁導熱膏的制備及其導熱性能

球形氧化鋁導熱膏的制備及其導熱性能楊剛;程金虎;朱海濤【摘要】Inthisarticle,aseriesofthermalgreaseswerepreparedviaphysicalmillingmethodwithsphericalAl2O.3asfilleranddimethylsiliconeoilasmatrix.ThethermalconductivityofthethermalgreasewereimprovedbytheamountofAl2O.3increasing,addingcouplingagentKH570andhybridsofdifferentsize.TheAl2O.3wascharacterizedwithscanningelectronmicroscope(SEM).Thethermalgreasesweremeasuredbyconductometer(KD2Pro).TheresultshowsthatthermalconductivityofthethermalgreaseincreaseswithAl2O.3contentincreasing.KH570caneffectivelyimprovethepropertyofthethermalgrease,andthebestpropertycanbeobtainedwhenthemassfractionKH570is1.5%-2.5%.Hybridsofdifferentsizecanalsoimprovethermalconductivityofthermalgrease.%以球形氧化鋁為導熱填料、二甲基硅油為基體，通過物理混合的方法制備了一系列氧化鋁/硅油導熱膏.通過增加氧化鋁的添加量、加入硅烷偶聯(lián)劑KH570以及粒徑復配等提高導熱膏的導熱系數(shù).用掃描電子顯微鏡(SEM),對球形氧化鋁進行形貌表征;用KD2Pro導熱儀，對所制得的導熱膏進行導熱性能測試.結果表明:導熱膏的導熱系數(shù)隨著氧化鋁添加量的增大而增大，當氧化鋁填充體積分數(shù)為60%最好;硅烷偶聯(lián)劑KH570可以有效提高導熱膏的導熱系數(shù),加入量(質量分數(shù))在1.5%~2.5%時,效果良好;粒徑的復配可以進一步提高導熱膏的導熱性能.【期刊名稱】《青島科技大學學報(自然科學版)》【年(卷)，期】2016(037)005【總頁數(shù)】5頁(P528-532)【關鍵詞】導熱膏;球形氧化鋁;硅烷偶聯(lián)劑;粒徑復配【作者】楊剛;程金虎;朱海濤【作者單位】青島科技大學材料科學與工程學院仙東青島266042清島科技大學材料科學與工程學院,山東青島266042;青島科技大學材料科學與工程學院,山東青島266042【正文語種】中文【中圖分類】O063為了確保電子器件的正常運作，就需要使其產生的熱量及時散出去，保持溫度在適當?shù)姆秶鷥?。因此，需要確保產熱電子器件與散熱裝置之間高效的熱傳遞。兩個元件的接觸面凹凸不平會導致其之間存在空氣層，使接觸熱阻增大，最終導致熱積累的產生。為了減小兩者之間的熱阻，需要引進熱界面材料來填充固體接觸面之間的空氣間隙［1-3］。然而，用于熱界面材料的聚合物，如環(huán)氧樹脂、硅脂等，具有很低的導熱系數(shù)(0.1~0.3W?(mK)-1),無法滿足快速傳熱的要求。因此，需要開發(fā)具有高導熱的熱界面材料，通常的方法是在聚合物基體中加入導熱性填料來實現(xiàn)高效的熱傳導。這些導熱填料主要分為3類：陶瓷類［4-10］,如氧化鋁(AI2O3)、氮化鋁(AIN)、氮化硼(BN)、氧化鋅(ZnO)、氧化硅(SiO2)等；金屬類［11-12］,如銀(Ag)、銅(Cu)、鎳(Ni)等；碳類材料［13-14］,如石墨烯，石墨，碳納米管等。對于需要電絕緣性的高功率電子元件，金屬類和碳類填料顯然不適合，這就需要無機陶瓷類填料的應用。填料與基體混合時，兩者之間的相容性不好，會使兩者之間的接觸熱阻增大，導致導熱效果不理想。為了降低導熱填料與基體之間的接觸熱阻，需要對填料進行表面處理。Yu等［4］實驗結果顯示，適量偶聯(lián)劑的加入可以明顯降低復合材料的黏度，并提高AlN的固含量。導熱填料的表面改性，可以改善它在基體中的相容性，使其均勻分散在基體中［5-6］。為了提高導熱復合材料導熱性能，導熱填料合理的搭配也是必須的。朱寧寧［7］將大小粒徑的氮化鋁(AlN)配合使用，得到的復合材料的導熱比單一大粒徑或小粒徑的導熱系數(shù)要高。Choi等［8］將不同種類的粉體，通過大小粒徑的配合使用，同樣達到提高復合材料導熱性能的效果。Fang等［9］通過將2D的微米級氮化硼(BN)與0D的納米級氧化鋁(Al2O3)混合使用，得到的26.5%(體積分數(shù))環(huán)氧樹脂復合材料，導熱系數(shù)比單純的環(huán)氧樹脂提高了4.3倍。就目前的研究，多數(shù)集中在顆粒填充的高分子基復合熱界面材料，導熱膏的研究相對較少。由于導熱膏具有一定流動性，在較小的壓力下就可以充分填充產熱元件與散熱元件之間的空隙，并且只需很薄的一層就可以有效降低兩個元件之間的熱阻，因此導熱膏具有很好的應用前景。就絕緣類導熱填料而言，氧化鋁的導熱性能雖然比不上氮化鋁和氮化硼，但是由于其價格便宜而被廣泛應用。本研究通過物理研磨的方法制備了氧化鋁導熱膏，并通過改變氧化鋁的加入量，硅烷偶聯(lián)劑處理，粒徑復配等方法，來提高其導熱性能。1.1試劑與儀器球形氧化鋁(Al2O3，不同粒徑)，雅安百圖高新材料有限公司；硅烷偶聯(lián)劑(KH570)，國藥集團化學試劑有限公司；二甲基硅油(1000cSt)，美國道康寧公司。X射線衍射儀，RigakuD/MAX-2500/PC型，日本理學公司；超聲波清洗器，AS3120A型，天津市奧特賽恩斯儀器有限公司；電熱鼓風干燥箱，101-1AB型，天津市泰斯特儀器有限公司；場發(fā)射掃描電子顯微鏡，JSM-6700F型，日本電子公司；導熱儀，KD2PRO型，美國DecagonDevices公司。1.2氧化鋁導熱膏的制備稱取一定量的硅油置于研缽中，并加入適量的硅烷偶聯(lián)劑，攪拌至均勻。將稱量好的球形氧化鋁粉末分批次加入硅油中，研磨至均勻。將研磨好的氧化鋁導熱膏置于真空一定時間，然后放入烘箱中70。0呆溫3^裝入25mL的樣品管中，并抽真空，待測。2.1廠家氧化鋁樣品分析圖1為公司提供的不同粒徑(平均粒徑D50)的球形氧化鋁的SEM照片。從圖1中可以看出，氧化鋁球粒徑分布比較廣，球形度很好，微球分散良好，沒有團聚體形式的存在。圖2為氧化鋁粉體的粒度分布圖。2.2球形氧化鋁添加量的影響導熱膏作為填充型的熱界面材料，其導熱系數(shù)與氧化鋁的添加量有很大關系，在低填充量時，導熱膏易發(fā)生分層現(xiàn)象，但當填充體積過高時導熱膏的黏度會很大。在保持導熱膏具有一定流動性的前提下，氧化鋁的填充體積盡可能大，實驗中制得了填充體積分數(shù)為40%~60%的導熱膏。圖3為平均粒徑D50為5pm和40pm的球形氧化鋁制得的不同體積含量的導熱膏，其體積含量與導熱系數(shù)的關系。從圖3看出，隨著氧化鋁的體積含量的增加，導熱系數(shù)逐漸增加。填充粒徑為5、40pm氧化鋁的導熱膏填充體積分數(shù)在60%時的導熱系數(shù)分別達到達到0.96、1.24W?(mK)-1，比單純的硅油(導熱系數(shù)約為0.15W?(mK)-1)分別提高了5.5倍和7.3倍。這主要是因為，隨著氧化鋁體積含量的增加，填充顆粒之間的接觸逐漸增多，使導熱通路增多，最終使導熱系數(shù)增大，如果氧化鋁的填充量繼續(xù)增加，導熱膏的黏度過大，不利于應用。因此，平均粒徑為5pm和40pm的氧化鋁填充量在60%時效果最好。同時，從圖3看出，D50為40pm的球形氧化鋁制得的導熱膏的導熱系數(shù)要比5pm的要高，主要是在粒徑較大時，形成相同的導熱通路其接觸點也會減少，氧化鋁球之間的接觸熱阻要高于氧化鋁自身的熱阻，這相應地降低了氧化鋁球之間的接觸熱阻。2.3粒徑的影響為了探究顆粒大小對導熱膏的導熱性能的影響，將4種粒徑的球形氧化鋁制成粒子體積分數(shù)為50%的導熱膏，其對應的導熱系數(shù)見圖4。從圖4中可以看出，隨著粒徑的增加，導熱系數(shù)逐漸增大。在相同的填充體積時，導熱顆粒的粒徑越小，顆粒的數(shù)量就越多，隨之而來的顆粒之間的接觸點就會越多，最終導致導熱顆粒之間的接觸熱阻增大。顆粒本身導熱要好于顆粒與顆粒之間的導熱，因此，40pm的氧化鋁填充的導熱膏的導熱系數(shù)要高于另外3個粒徑的氧化鋁。2.4硅烷偶聯(lián)劑的影響為了提高導熱顆粒與基體之間的相容性，在導熱膏制備的過程中加入了硅烷偶聯(lián)劑(KH570)來降低導熱顆粒與基體之間的熱阻。圖5是用D50為5pm的氧化鋁作為填充顆粒，填充體積分數(shù)在50%時，不同的KH570加入量對導熱系數(shù)的影響。從圖5看出，隨著偶聯(lián)劑的加入量的增加，導熱系數(shù)先增大，再減小，加入質量分數(shù)在1.8%時，效果最好，為0.82W?(mK)-1。氧化鋁粉體的表面會吸附一定量的水分，硅烷偶聯(lián)劑可水解的無機基團可以與粉體表面吸附的水發(fā)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，從而可以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。然而在低的加入量，偶聯(lián)劑的量不足，在氧化鋁表面未形成完全的包覆；隨著加入量的增加，氧化鋁的包覆數(shù)量增多，導熱系數(shù)逐漸增大；當偶聯(lián)劑的加入量過大時，氧化鋁表面的硅烷偶聯(lián)劑的包覆層變厚，使氧化鋁與基體硅油之間的熱阻增大，導致導熱系數(shù)的降低。因此，硅烷偶聯(lián)劑KH570的加入量應該選擇在1.5%~2.5%之間為宜。2.5粒徑復配為了改善大粒徑的球形氧化鋁的間隙過大，提高填充體積，從而提高導熱系數(shù)，選擇將D50為40pm與5pm的球形氧化鋁進行復配，由于粒徑復配在低的填充量時，效果不明顯，所以填充體積分數(shù)選擇在60%，結果見圖6。從圖6看出，隨著粒徑40pm氧化鋁填充量的增加，導熱系數(shù)先增大再減小，粒徑40pm的氧化鋁占氧化鋁填充總量80%時，即40pm與5pm的氧化鋁的體積分數(shù)比在4:1時效果最好，達到1.36W?(mK)-1,比基體材料的導熱系數(shù)提高了7.8倍。同時，兩種粒徑的氧化鋁的混合使用要比單一粒徑的效果要好。這主要是因為小粒徑的顆粒加入，利于填充大粒徑氧化鋁之間形成的空隙，同時小顆粒的氧化鋁分散在空隙中，可以防止大顆粒的沉降。綜合上面的幾個要素，導熱膏的填充體積分數(shù)在63%，平均粒徑為40pm與5pm的球形氧化鋁體積分數(shù)比在4:1，加入質量分數(shù)約2%的KH570，測得導熱膏的導熱系數(shù)1.64W?(mK)-1,比基體二甲基硅油提高了約10倍。采用物理混合的方法制得了球形氧化鋁導熱膏，探究了氧化鋁的加入量，粒徑大小，硅烷偶聯(lián)劑的處理，以及粒徑復配對導熱膏導熱系數(shù)的影響。結