Độ dẫn nhiệt của vật liệu giao diện nhiệt có liên quan đến chất độn

Vật liệu giao diện nhiệt không chỉ được sử dụng rộng rãi để tản nhiệt của thiết bị điện tử mà còn có nhu cầu ngày càng tăng về truyền thông 5G, phương tiện năng lượng mới, v.v. Ngoài ra, chúng còn có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực thiết bị quân sự và hàng không vũ trụ.

Là một loại vật liệu dẫn nhiệt, độ dẫn nhiệt đương nhiên là chỉ số kỹ thuật quan trọng nhất của vật liệu giao diện nhiệt. Các vật liệu giao diện nhiệt thường được sử dụng chủ yếu là các loại được làm đầy, chủ yếu được điều chế bằng cách đổ đầy ma trận polymer bằng chất độn dẫn nhiệt cao.

Thông thường, độ dẫn nhiệt vốn có của nền polyme tương đối thấp (khoảng 0,2W/(m·K)). Do đó, độ dẫn nhiệt của vật liệu giao diện nhiệt thường được xác định bởi chất độn.

Các loại khác nhau có độ dẫn nhiệt khác nhau

Chất độn dẫn nhiệt thường được sử dụng có thể chủ yếu được chia thành: chất độn dẫn nhiệt kim loại, chất độn dẫn nhiệt vật liệu carbon và chất độn dẫn nhiệt vô cơ.

Kim loại có tính dẫn nhiệt tốt và tính dẫn nhiệt cao nên thường được sử dụng làm chất độn dẫn nhiệt. Các chất độn dẫn nhiệt kim loại thường được sử dụng chủ yếu bao gồm bột vàng, bột bạc, bột đồng, bột nhôm, bột kẽm, bột niken và hợp kim có điểm nóng chảy thấp.

Vật liệu carbon nhìn chung có độ dẫn nhiệt cực cao, thậm chí còn tốt hơn cả chất độn kim loại. Độ dẫn nhiệt vốn có của chất độn carbon được thêm vào là một trong những thông số quan trọng nhất quyết định độ dẫn nhiệt của vật liệu tổng hợp polymer gốc carbon. Các vật liệu carbon thường được sử dụng bao gồm than chì, ống nano carbon, graphene, than chì mở rộng, sợi carbon và muội than. Trong số đó, ống nano carbon có độ dẫn nhiệt 3100-3500W/(m·K) và graphene có độ dẫn nhiệt 2000-5200W/(m·K), khiến chúng trở thành ứng cử viên đầy triển vọng cho các ứng dụng quản lý nhiệt.

Chất độn gốm không chỉ có tính dẫn nhiệt tốt mà còn có độ dẫn điện tương đối thấp. Chúng hiện là chất độn được sử dụng rộng rãi nhất. Chất độn gốm thường được sử dụng chủ yếu bao gồm oxit và nitrua. Các oxit bao gồm Al2O3, ZnO, MgO, v.v.; nitrit bao gồm: AlN, BN, v.v..

Hình dạng khác nhau, độ dẫn nhiệt khác nhau

Chất độn dẫn nhiệt có nhiều hình dạng khác nhau như hình cầu, không đều, dạng sợi và dạng vảy. So với vật liệu không chiều, vật liệu một chiều (như ống nano carbon, sợi carbon, v.v.) và vật liệu hai chiều (như graphene, boron nitride lục giác, alumina dạng mảnh, v.v.) với tỷ lệ khung hình cực cao có thể được sử dụng trong Diện tích tiếp xúc lớn hơn được hình thành giữa các chất độn cung cấp đường dẫn rộng hơn cho việc truyền phonon, giảm điện trở nhiệt tiếp xúc giao diện và có lợi cho việc xây dựng mạng dẫn nhiệt trong hệ thống. Tuy nhiên, vì chất độn hình cầu không làm tăng mạnh độ nhớt ở mức độ lấp đầy cao nên chúng được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp.

Kích thước khác nhau, độ dẫn nhiệt khác nhau

Kích thước của chất độn dẫn nhiệt cũng có tác động đáng kể đến độ dẫn nhiệt của composite dẫn nhiệt.

Khi chất độn có một kích thước duy nhất và lượng chất làm đầy như nhau, độ dẫn nhiệt của vật liệu tổng hợp chứa chất độn cỡ hạt lớn có xu hướng cao hơn so với vật liệu tổng hợp chứa chất độn cỡ hạt nhỏ. Điều này là do có ít tiếp xúc bề mặt giữa các hạt lớn hơn. Khả năng chịu nhiệt của giao diện thấp. Tuy nhiên, kích thước hạt không được quá lớn, nếu không thì chất độn không thể tạo thành lớp kín, không có lợi cho việc hình thành các đường dẫn nhiệt.

Mức độ biến đổi bề mặt khác nhau có độ dẫn nhiệt khác nhau

Để giải quyết vấn đề kháng nhiệt bề mặt, chức năng hóa học bề mặt của chất độn được coi là một phương pháp hiệu quả. Chức năng hóa học bề mặt của chất độn có thể tạo thành cầu nối cộng hóa trị giúp cải thiện độ bám dính giữa các bề mặt và giảm thiểu sự tán xạ phonon bề mặt bằng cách liên kết các bề mặt hạt-nhựa và hạt-hạt. Để cải thiện tính dẫn nhiệt của vật liệu tổng hợp polymer, các phương pháp xử lý bề mặt đã được áp dụng cho các chất độn khác nhau như ống nano boron nitride, graphene, v.v..

Độ tinh khiết khác nhau và độ dẫn nhiệt khác nhau

Các tạp chất trong chất độn không chỉ ảnh hưởng đến tính chất điện của vật liệu giao diện nhiệt mà còn có tác động nhất định đến hiệu suất của quy trình.