Forschungsfortschritt von Wärmeleitmaterialien
Wärmeleitmaterialien bestehen hauptsächlich aus wärmeleitenden Füllstoffen und Polymeren. Die Zugabe von wärmeleitendem Füllstoff verbessert die Wärmeleitfähigkeit des Polymers, während die gute Flexibilität, die geringen Kosten und die Vorteile der einfachen Verarbeitung und Formgebung des Polymers erhalten bleiben. Die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeleitmaterials hängt vom Füllstoffanteil ab. Wenn der Füllstoffanteil nicht ausreicht, können die dispergierten Einzelpartikel nicht mit benachbarten Partikeln in Kontakt kommen (Fig. 5(a)) und das wärmeleitende Partikelnetzwerk kann nicht gebildet werden. Wenn der Füllstoffanteil einen bestimmten Wert (Perkolationsschwelle) erreicht, beginnt sich ein kontinuierliches thermisches Netzwerk zu bilden (Abbildung 5(b)), so dass die Wärmeleitfähigkeit des Polymerkomposits exponentiell ansteigt.
Es ist jedoch immer noch eine große Herausforderung, eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 20 W/mK und einen Wärmewiderstandswert von weniger als 0,01 Kcm2/W herzustellen. Als Reaktion auf diese Schwierigkeit wurde im Rahmen des National Key R&D Program-Strategic Advanced Electronic Materials Key Special Project unter der Leitung des Forschers Sun Rong, Shenzhen Institute of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences und Shanghai Jiaotong University, Southeast University, Tongji University und Suzhou Nano, Chinese Academy of Sciences The Institute of Technology and Nano-Bionics, Ningbo Institute of Materials, Chinese Academy of Sciences und Shanghai University haben molekulares Design von Hochleistungs-Wärmeleitmaterialien durchgeführt. Mikro-Nano-Messung des thermischen Widerstands der Grenzfläche und Berechnung und Simulation des akustisch-elektronischen Kopplungsmechanismus an der Grenzfläche, um hochleistungsfähiges thermisches Grenzflächenmaterial zu entwickeln. Auf dieser Grundlage wird das vorbereitete Wärmeleitmaterial auf elektronische Geräte mit hoher Leistungsdichte aufgebracht und seine typische Anwendung in elektronischen Geräten mit hoher Leistungsdichte wird verifiziert.
Keramiken haben außerdem eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine ausgezeichnete elektrische Isolierung, die sich besonders für Bereiche eignet, die eine elektrische Isolierung erfordern. Unter den berichteten keramischen Füllstoffen hat Bornitrid (BN) eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit und wird zum attraktivsten Forschungsobjekt für Wärmemanagementanwendungen. Im Jahr 2017 haben Zhang et al. stellten die h-BN-Membran rechtzeitig durch Vakuumfiltration her und infiltrierten den wasserlöslichen Polymerpolyvinylalkohol in das h-BN, um ein h-BN/Polyvinylalkohol-Verbundmaterial zu bilden. Der Herstellungsprozess ist in Abbildung 6(a) gezeigt. Wenn der Gehalt an h-BN 27 Vol.-% beträgt, kann die maximale Wärmeleitfähigkeit in der Ebene und außerhalb der Ebene 8,44 W/m·K bzw. 1,63 W/m·K erreichen (Abbildung 6(b)). Darüber hinaus haben Yu et al. hergestellte h-BN/thermoplastische Polyurethan-Komposite durch Vakuum-Heißpressen. Wenn der h-BN-Gehalt 95 Gew.-% beträgt, beträgt die Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials in der Ebene 50,3 W/m·K, was mit den von Fu et al.
Metalle haben aufgrund der Verwendung von Elektronen als Wärmeträger eine hohe intrinsische Wärmeleitfähigkeit und sind zu einem allgemein verwendeten wärmeleitenden Füllstoff für Wärmegrenzflächenmaterialien geworden. Xu et al. nutzten die Elektroabscheidungsmethode, um ein hochorientiertes wärmeleitendes Ag-Netzwerk herzustellen. Das damit hergestellte Wärmegrenzflächenmaterial weist eine Wärmeleitfähigkeit von 30,3 W/m·K auf, was viel höher ist als die des nach dem statistischen Dispersionsverfahren hergestellten Polymerverbundstoffs (1,4 W/m·K). Wanget al. fanden heraus, dass Kupfer-Nanodrähte bei gleichem Füllstoffgehalt (0,9 Gew.-%) die Wärmeleitfähigkeit von Polymeren besser verbessern können als Silber-Nanodrähte. Außerdem ist es sehr wichtig, wie der Wärmewiderstand der Grenzfläche zwischen dem Metall und dem Polymer verringert werden kann. Die Verbesserung der Modifizierung organischer Moleküle oder anorganischer Füllstoffe auf der Metalloberfläche kann die Wechselwirkungskraft zwischen dem Metall und dem Polymer erhöhen und dann die Grenzfläche zwischen dem Metall und dem Polymer verringern. Wärmebeständigkeit, verbessern die Wärmeleitfähigkeit von Polymerverbundwerkstoffen. Darüber hinaus haben Jeong et al. haben kürzlich das Konzept des Flüssigmetallfüllers in der PDMS-Matrix eingeführt, um einen thermoelastischen Körper mit hoher Wärmeleitfähigkeit, Elastizität und Dehnbarkeit zu schaffen. Es gibt eine weitere wichtige Forschungsrichtung bei metallbasierten Wärmegrenzflächenmaterialien – kontinuierliche metallbasierte Wärmegrenzflächenmaterialien. Zum Beispiel können Sn-Ag-Cu-basierte Legierungen oder Sn-Bi als bleifreie Standardlote in elektronischen Gehäusen verwendet werden und werden oft als thermische Schnittstellenmaterialien verwendet. Seine Vorteile sind hohe Wärmeleitfähigkeit, geringer Wärmewiderstand der Grenzfläche, hohe Zuverlässigkeit und niedrige Kosten. Flüssigmetall ist ein Wärmeleitmaterial, das in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen hat. Sein Hauptbestandteil ist metallisches Gallium (Ga) und seine Legierungen. Es hat die Vorteile eines niedrigen Schmelzpunkts, einer guten Benetzbarkeit mit Spänen und einer geringen thermischen Beständigkeit der Grenzflächen. Wie man jedoch ein Überlaufen verhindert, ist das größte Problem und die größte Herausforderung für Wärmeleitmaterialien auf Flüssigmetallbasis.
