پیشرفت تحقیق مواد رابط حرارتی

مواد رابط حرارتی عمدتاً از پرکننده ها و پلیمرهای رسانای حرارتی تشکیل شده اند. افزودن پرکننده رسانای حرارتی، هدایت حرارتی پلیمر را بهبود می‌بخشد، در حالی که انعطاف‌پذیری خوب، هزینه کم و مزایای پردازش و قالب‌گیری آسان پلیمر' را حفظ می‌کند. رسانایی حرارتی ماده رابط حرارتی به کسر پرکننده بستگی دارد. هنگامی که کسر پرکننده کافی نیست، ذرات منفرد پراکنده نمی توانند با ذرات مجاور تماس پیدا کنند (شکل 5(a))، و شبکه ذرات رسانای حرارتی نمی تواند تشکیل شود. هنگامی که کسر پرکننده به یک سطح معین (آستانه نفوذ) می رسد، یک شبکه حرارتی پیوسته شروع به تشکیل می کند (شکل 5(b))، به طوری که هدایت حرارتی کامپوزیت پلیمری به طور تصاعدی افزایش می یابد.

با این حال، نحوه تهیه رسانایی حرارتی بیش از 20 W/mK و مقدار مقاومت حرارتی رابط کمتر از 0.01 Kcm2/W هنوز یک چالش بزرگ است. در پاسخ به این مشکل، تحت حمایت مالی برنامه کلید ملی کلید R&D-پروژه ویژه کلید مواد الکترونیکی پیشرفته استراتژیک، به رهبری محقق Sun Rong، موسسه فناوری پیشرفته شنژن، آکادمی علوم چین، و شانگهای جیائوتنگ دانشگاه، دانشگاه جنوب شرقی، دانشگاه تونگجی و سوژو نانو، آکادمی علوم چین موسسه فناوری و نانو بیونیک، موسسه مواد نینگبو، آکادمی علوم چین و دانشگاه شانگهای طراحی مولکولی مواد رابط حرارتی با کارایی بالا را انجام داده‌اند. اندازه‌گیری مقاومت حرارتی رابط در مقیاس میکرو نانو، و محاسبه و شبیه‌سازی مکانیزم کوپلینگ صوتی-الکترونیکی در رابط برای توسعه مواد رابط حرارتی با کارایی بالا. بر این اساس، مواد رابط حرارتی آماده شده برای دستگاه‌های الکترونیکی با چگالی توان بالا اعمال می‌شود و کاربرد معمولی آن در دستگاه‌های الکترونیکی با چگالی توان بالا تأیید می‌شود.

سرامیک ها همچنین دارای رسانایی حرارتی بالا و عایق الکتریکی عالی هستند که به ویژه برای مناطقی که نیاز به عایق الکتریکی دارند مناسب است. در میان پرکننده‌های سرامیکی که گزارش شده‌اند، نیترید بور (BN) رسانایی حرارتی بسیار بالایی دارد و در حال تبدیل شدن به جذاب‌ترین شی تحقیقاتی در کاربردهای مدیریت حرارتی است. در سال 2017، ژانگ و همکاران. غشا h-BN را به موقع با فیلتراسیون خلاء آماده کرد و پلیمر پلی وینیل الکل محلول در آب را به داخل h-BN نفوذ داد تا یک ماده کامپوزیت h-BN/پلی وینیل الکل را تشکیل دهد. فرآیند آماده سازی در شکل 6 (الف) نشان داده شده است. هنگامی که محتوای h-BN 27 vol است، حداکثر هدایت حرارتی درون صفحه و خارج از صفحه می تواند به ترتیب به 8.44 W/m·K و 1.63 W/m·K برسد (شکل 6(b)). علاوه بر این، یو و همکاران. کامپوزیت های پلی اورتان h-BN/ترموپلاستیک را با استفاده از پرس گرم خلاء تهیه کرد. هنگامی که محتوای h-BN 95 درصد وزنی باشد، رسانایی حرارتی درون صفحه مواد کامپوزیت به 50.3 W/m·K می رسد که با نتایج گزارش شده توسط Fu و همکارانش مطابقت دارد.

فلزات به دلیل استفاده از الکترون ها به عنوان حامل گرما، رسانایی حرارتی ذاتی بالایی دارند و به یک پرکننده رسانای حرارتی رایج برای مواد رابط حرارتی تبدیل شده اند. به عنوان مثال، Xu و همکاران. از روش رسوب الکتریکی برای تهیه یک شبکه رسانای حرارتی Ag با جهت گیری بالا استفاده کرد. ماده واسط حرارتی تهیه شده توسط آن دارای رسانایی گرمایی 30.3 W/m·K است که بسیار بالاتر از کامپوزیت پلیمری تهیه شده به روش پراکندگی تصادفی (1.4 W/m·K) است. وانگ و همکاران دریافتند که تحت محتوای پرکننده یکسان (0.9 درصد وزنی)، نانوسیم‌های مسی توانایی بالاتری در بهبود رسانایی حرارتی پلیمرها نسبت به نانوسیم‌های نقره دارند. علاوه بر این، چگونگی کاهش مقاومت حرارتی رابط بین فلز و پلیمر بسیار مهم است. بهبود اصلاح مولکول‌های آلی یا پرکننده‌های معدنی روی سطح فلز می‌تواند نیروی برهمکنش بین فلز و پلیمر را افزایش دهد و سپس سطح مشترک بین فلز و پلیمر را کاهش دهد. مقاومت حرارتی، هدایت حرارتی کامپوزیت های پلیمری را بهبود می بخشد. علاوه بر این، جونگ و همکاران. اخیراً مفهوم پرکننده فلز مایع را در ماتریس PDMS به منظور ایجاد یک بدنه ترموالاستیک با رسانایی گرمایی، کشسانی و کشش بالا معرفی کرده است. جهت تحقیق مهم دیگری در مورد مواد رابط حرارتی مبتنی بر فلز وجود دارد - مواد رابط حرارتی مبتنی بر فلز پیوسته. به عنوان مثال، آلیاژهای مبتنی بر Sn-Ag-Cu یا Sn-Bi را می توان به عنوان لحیم کاری استاندارد بدون سرب در بسته بندی الکترونیکی استفاده کرد و اغلب به عنوان مواد رابط حرارتی استفاده می شود. از مزایای آن می توان به هدایت حرارتی بالا، مقاومت حرارتی رابط کم، قابلیت اطمینان بالا و هزینه کم اشاره کرد. فلز مایع یک ماده رابط حرارتی است که در سال های اخیر توجه زیادی را به خود جلب کرده است. جزء اصلی آن گالیم فلزی (Ga) و آلیاژهای آن است. از مزایای نقطه ذوب پایین، ترشوندگی خوب با تراشه ها و مقاومت حرارتی رابط کم برخوردار است. با این حال، نحوه جلوگیری از سرریز شدن آن بزرگترین مشکل و چالش برای مواد رابط حرارتی مبتنی بر فلز مایع است.