ترتبط الموصلية الحرارية لمواد الواجهة الحرارية بالحشو

لا تُستخدم مواد الواجهة الحرارية على نطاق واسع لتبديد حرارة المعدات الإلكترونية فحسب، بل لها أيضًا طلب متزايد في اتصالات 5G، ومركبات الطاقة الجديدة، وما إلى ذلك. بالإضافة إلى ذلك، لديها أيضًا آفاق تطبيق واسعة في مجالات المعدات العسكرية والفضاء.

باعتبارها نوعًا من المواد الموصلة للحرارة، تعد الموصلية الحرارية بطبيعة الحال المؤشر الفني الأكثر أهمية لمواد الواجهة الحرارية. مواد الواجهة الحرارية شائعة الاستخدام هي أنواع مملوءة بشكل أساسي، والتي يتم تحضيرها بشكل أساسي عن طريق ملء مصفوفة بوليمر بحشوات عالية التوصيل الحراري.

عادةً ما تكون الموصلية الحرارية المتأصلة لمصفوفة البوليمر منخفضة نسبيًا (حوالي 0.2 واط/(م·ك)). لذلك، غالبًا ما يتم تحديد التوصيل الحراري لمواد الواجهة الحرارية بواسطة الحشو.

أنواع مختلفة لها الموصلية الحرارية المختلفة

يمكن تقسيم الحشوات الموصلة حرارياً شائعة الاستخدام بشكل أساسي إلى: الحشوات المعدنية الموصلة حرارياً، والحشوات الموصلة حرارياً من مادة الكربون، والحشوات الموصلة حرارياً غير العضوية.

تتمتع المعادن بموصلية حرارية جيدة وموصلية حرارية عالية، لذلك فهي حشو موصل للحرارة شائع الاستخدام. تشتمل الحشوات المعدنية الموصلة حرارياً بشكل شائع على مسحوق الذهب ومسحوق الفضة ومسحوق النحاس ومسحوق الألومنيوم ومسحوق الزنك ومسحوق النيكل وسبائك ذات نقطة انصهار منخفضة.

تتمتع المواد الكربونية بشكل عام بموصلية حرارية عالية للغاية، حتى أنها أفضل من الحشوات المعدنية. تعد الموصلية الحرارية المتأصلة لحشو الكربون المضاف واحدة من أهم العوامل التي تحدد التوصيل الحراري لمركبات البوليمر القائمة على الكربون. تشمل المواد الكربونية شائعة الاستخدام الجرافيت وأنابيب الكربون النانوية والجرافين والجرافيت الموسع وألياف الكربون وأسود الكربون. من بينها، تتمتع أنابيب الكربون النانوية بموصلية حرارية تبلغ 3100-3500 واط/(م·ك) والجرافين لديه موصلية حرارية تتراوح بين 2000-5200 واط/(م·ك)، مما يجعلها مرشحة واعدة لتطبيقات الإدارة الحرارية.

لا تتمتع حشوات السيراميك بموصلية حرارية جيدة فحسب، بل تتمتع أيضًا بموصلية كهربائية منخفضة نسبيًا. وهي حاليا الحشو الأكثر استخداما على نطاق واسع. تشتمل حشوات السيراميك شائعة الاستخدام بشكل أساسي على الأكاسيد والنيتريدات. وتشمل الأكاسيد Al2O3، ZnO، MgO، وما إلى ذلك؛ تشمل النتريدات: AlN، BN، إلخ.

أشكال مختلفة، موصلية حرارية مختلفة

تأتي الحشوات الموصلة للحرارة بأشكال مختلفة مثل الكروية وغير المنتظمة والليفية والقشارية. بالمقارنة مع المواد عديمة البعد، فإن المواد أحادية البعد (مثل أنابيب الكربون النانوية، وألياف الكربون، وما إلى ذلك) والمواد ثنائية الأبعاد (مثل الجرافين، ونيتريد البورون السداسي، والألومينا القشرية، وما إلى ذلك) ذات نسب عرض عالية جدًا يمكن أن يمكن استخدامها في منطقة الاتصال الأكبر المتكونة بين الحشوات توفر مسارًا أوسع لنقل الفونونات، وتقلل من المقاومة الحرارية للاتصال بالواجهة، وتؤدي إلى بناء شبكة موصلة حرارية في النظام. ومع ذلك، نظرًا لأن الحشوات الكروية لا تسبب زيادة حادة في اللزوجة عند مستويات التعبئة العالية، فهي الأكثر استخدامًا في الصناعة.

أحجام مختلفة، الموصلية الحرارية المختلفة

كما أن حجم الحشو الموصل للحرارة له تأثير كبير على التوصيل الحراري للمركب الموصل للحرارة.

عندما تكون مادة الحشو ذات حجم واحد وكمية التعبئة هي نفسها، فإن الموصلية الحرارية للمركبات المملوءة بحشوات كبيرة الحجم للجسيمات تميل إلى أن تكون أعلى من تلك الخاصة بالمركبات المملوءة بحشوات صغيرة الحجم. وذلك بسبب وجود اتصال أقل بين الجزيئات الكبيرة. المقاومة الحرارية للواجهة منخفضة. ومع ذلك، لا يمكن أن يكون حجم الجسيمات كبيرًا جدًا، وإلا فلن تتمكن الحشوات من تشكيل تعبئة متقاربة، وهو ما لا يفضي إلى تكوين مسارات موصلة للحرارة.

درجات مختلفة من تعديل السطح لها الموصلية الحرارية المختلفة

من أجل حل مشكلة المقاومة الحرارية البينية، يعتبر التشغيل الكيميائي السطحي للحشوات طريقة فعالة. يمكن أن يشكل التشغيل الكيميائي السطحي للحشوات جسورًا تساهمية تعمل على تحسين الالتصاق البيني وتقليل تشتت الفونون البيني عن طريق ربط واجهات راتنج الجسيمات والجسيمات. لتحسين التوصيل الحراري لمركبات البوليمر، تم تطبيق المعالجات السطحية على مواد حشو مختلفة مثل الأنابيب النانوية من نيتريد البورون، والجرافين، وما إلى ذلك.

نقاء مختلف وموصلية حرارية مختلفة

لن تؤثر الشوائب الموجودة في الحشو على الخواص الكهربائية لمواد الواجهة الحرارية فحسب، بل سيكون لها أيضًا تأثير معين على أداء العملية.