وفي مجال التوصيل الحراري يتم استخدام أفضل ثلاث حشوات سيراميكية!

في الوقت الحاضر، تركز معظم الأبحاث حول مركبات البوليمر الموصلة حرارياً على أبحاث الحشوات عالية التوصيل حرارياً. وذلك لأن تحسين التوصيل الحراري للمواد المركبة يعتمد بشكل أساسي على دور الحشوات الموصلة للحرارة. يعد اختيار الحشو أمرًا بالغ الأهمية للتوصيل الحراري للمواد المركبة، لذلك يلتزم العديد من الباحثين بتطوير حشوات جديدة عالية التوصيل الحراري.

على الرغم من أن الجزيئات المعدنية والمواد الكربونية (مثل الجرافين، وأنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار/متعددة الجدران، وما إلى ذلك) تتمتع بموصلية حرارية عالية الجوهرية وهي مفيدة لتحسين التوصيل الحراري للبوليمرات، إلا أن هذه الحشوات غالبًا ما تغير الموصلية الحرارية أثناء تغيير توصيل حراري. كما أنه يغير خصائص العزل الكهربائي للبوليمر، مما يؤدي إلى موصلية كهربائية عالية للغاية وثبات عزل كهربائي مرتفع، وهو ما لا يمكن تطبيقه على المواد المركبة القائمة على البوليمر ذات الموصلية الحرارية العالية وخصائص العزل الممتازة. ولذلك، فإن مجال العزل يولي المزيد من الاهتمام للحشوات الخزفية ذات الموصلية الحرارية العالية للغاية وخصائص العزل الجيدة. حتى الآن، تشتمل حشوات السيراميك على الألومينا، ونيتريد الألومنيوم، ونيتريد البورون، وأكسيد المغنيسيوم، وكربيد السيليكون، وما إلى ذلك. ومن بينها، تعد الألومينا، ونيتريد الألومنيوم، ونيتريد البورون هي حشوات السيراميك الرئيسية حاليًا.

الألومينا

غالبًا ما يتم اختيار الألومينا كمادة حشو نظرًا لتكلفتها المنخفضة ومقاومتها العالية. على الرغم من أن الموصلية الحرارية الجوهرية أقل من الجسيمات الأخرى، إلا أنها لا تزال موضع دراسة وتطبيق على نطاق واسع. من بينها، أصبحت الألومينا الكروية هي حشو السيراميك الأكثر استخدامًا نظرًا لأدائها المرتفع للغاية من حيث التكلفة. تجدر الإشارة إلى أنه، بشكل عام، لتحقيق توصيل حراري أعلى، تكون كمية إضافة الألومينا أعلى، ويكون تأثير التحسين محدودًا.

نيتريد الألومنيوم (AlN)

بالمقارنة مع الحشوات العازلة الأخرى الموصلة حرارياً، تتمتع جزيئات نيتريد الألومنيوم بموصلية حرارية عالية (الموصلية الحرارية النظرية هي 320 وات·م-1 ك-1)، ومقاومة عالية (مقاومة أكبر من 1014 أوم)، وثابت عازل منخفض، وقد تمت دراستها على نطاق واسع بسبب سلسلة من الخصائص الممتازة مثل فقدان العزل الكهربائي، ومعامل التمدد الحراري المنخفض (4.4×10-6K-1، على غرار السيليكون) وعدم السمية، وأصبح حشوًا مثاليًا للمواد المركبة الموصلة حرارياً.

نيتريد البورون السداسي

يعد نيتريد البورون السداسي حاليًا أكثر حشوات السيراميك شيوعًا، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن نيتريد البورون السداسي لا يتمتع فقط بموصلية حرارية عالية (الموصلية الحرارية النظرية 600 واط / م · كلفن)، ولكنه يتمتع أيضًا بخصائص عزل كهربائي ممتازة. يحتوي نيتريد البورون السداسي (h-BN) على بنية سداسية متعددة الطبقات تشبه الجرافيت. الفرق الهيكلي بينه وبين الجرافين هو أن ذرات النيتروجين وذرات البورون مرتبة بالتناوب. هذا الهيكل من نيتريد البورون السداسي يصنع النيتروجين. الرابطة التساهمية القوية SP2 بين الذرات وذرات البورون تعطي نيتريد البورون موصلية حرارية ممتازة. بالإضافة إلى الموصلية الحرارية العالية، تتمتع نيتريد البورون أيضًا بثبات حراري جيد، وخصائص ميكانيكية قوية، ومقاومة للأكسدة ومقاومة للتآكل.