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氧化铝在导热硅胶等产品的应用及影响

随着电子工业的发展,电子元件、集成电路趋于密集化,小型化,要保证电子器件的可靠运行,良好的散热性是必不可少的。


但是,电子器件与散热装置因其表面的凹凸不平,在界面间形成了一个空气层,使得接触热阻增大,最终使电子器件的热量不能高效传递给散热装置实现散热。

导热硅胶因具有好的粘性、柔韧性、良好的压缩性能以及具有优良的热传导率,常用来作为通讯设备、计算机等电器Ic基板的散热填充材料。

无机非金属粉体填料因其良好的绝缘性能,通常用于导热绝缘硅橡胶作导热媒介。

最为常见的无机非金属导热绝缘粉体填料有氮化铝,氧化铝,氧化锌,氧化铍,氧化硅,碳化硅,氮化硼等。

其中氧化铝不但具有良好的绝缘性能,而且其导热率也不低(常温导热率为30W/m·K),已经在高压,特高压开关电器领域绝缘制品中得到大量使用。

 
氧化铝来源广泛,价格相对较低,在硅胶中填充量大,具有较高的性价比,因此作为目前高导热绝缘硅胶材料中的主要导热绝缘填料。



二、氧化铝在导热硅胶中的导热机理

物质中的热能常以振动能的形式传递,即物质内部微观粒子通过相互碰撞,实现热能的传递。

对于金属材料,其热传导靠自由电子的运动进行导热。由于自由电子的质量轻,不受束缚,此使得金属材料导热的同时也能导电。

而氧化铝填料的导热主要依靠声子的振动,通过晶体的非线性热振动而实现导热。
硅胶作为高分子材料,是由不对称的极性链节所构成,整个分子链不能完全自由运动,只能发生原子,基团或链节的振动,因此其导热率很低,是热的不良导体。

只有通过填充高导热系数的填料来增加材料的热导率。
当加入的氧化铝的量较少时,氧化铝在硅胶基体中的分布近似以孤岛形式出现,此时导热率提高不大。

随着氧化铝添加量的增加,在硅胶基体中的分布越来越密集,颗粒之间会相互接触,在复合材料中形成局部的导热链或导热网;

若再增加氧化铝的量,导热链或导热网会相互联结和贯穿,在聚合物基体中形成贯穿整个材料的导热网络,从而使填充复合材料的导热性能显著提高。

但是,填充量过大使导热硅胶的性能变差,如其流动性和柔韧性因填料量的增大而变差。

三、氧化铝填料性能对导热硅胶性能影响

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氧化铝颗粒形貌对导热硅胶性能影响
根据不同的烧成控制,氧化铝的晶体形貌可以呈现出蠕虫状、片状、球形(类球形)等形貌,由于球型颗粒的氧化铝表面能小,填入基体中粘度小,更容易均匀分散于基体中,而且填充量相对于其他形状的大,更有利于提高硅胶的导热性,因此,当前在高导热绝缘材料中填充的氧化铝颗粒形貌主要以球形。

典型的类球形氧化铝形貌如下:
氢氧化铝|导热氧化铝|氢氧化铝填料
 

制备球形氧化铝通常有两种工艺,熔融法和高温煅烧法。

其中熔融法是采用超过氧化铝熔点的温度,将氧化铝多晶体熔融并收缩成球形,其形貌球形度高。

而高温煅烧法是通过低于熔点的温度对氧化铝颗粒煅烧,晶体发育生长成类球形。

对于前者,氧化铝颗粒的球形度高,但因氧化铝为快速熔融,在晶体内部往往会形成气孔及空位等晶体缺,导致颗粒的致密度降低,从而降低其导热率。

而后者是长时间的晶体生长,其结晶发育完整,化学纯度高,颗粒具有非常高的真比重,达到3.98g/cm3以上,因此颗粒的导热率要比熔融法生产的球形氧化铝高。

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氧化铝晶型对导热硅胶性能影响
高热导率的氧化铝颗粒,其自身必须具有高的结晶程度和致密度。α相氧化铝为六方结构,是氧化铝多种变体中最为致密的结构。研究表明α相越高的氧化铝粉体,晶体完全呈现单晶的呈类球形颗粒,存在一定的晶面,填充在到硅胶中时,颗粒和颗粒的接触就会出现一定的线接触和面接触,因此可以大幅提高硅胶的导热率。

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氧化铝纯度对导热硅胶性能影响
作为绝缘导电填料的氧化铝,其结构中化学结合的杂质会影响其最终晶体烧结的致密度,不利于提高导热性;另外杂质(如钠离子)在疏松晶体结构中容易形成导电离子,严重影响导热绝缘硅胶的电气性能,因此导电绝缘用的氧化铝粉体一般要求小于0.1%。

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氧化铝粒度对导热硅胶性能影响
研究发现小颗粒的填料容易被硅胶包覆,导致互相不接触而产生热阻;

而大粒子更容易互相接触,从而形成导热通路,增加热导率。

而且还得出一些规律:当填充相同填料量时,在填充份数较小的情况下,小粒径填料氧化铝较大粒径的导热率大,而填充量超过一定的值时,小粒径填料比氧化铝较大粒径的导热率小。

因此通过合理的氧化铝粉体粒径搭配,增大粉体的填充堆积密度,使氧化铝粉体在硅橡胶中形成更多的导热网络,是有利于提高硅橡胶的导热性。

不同粒径的氧化铝对硅胶的导热率的影响如下:
氢氧化铝|导热氧化铝|氢氧化铝填料

 

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偶联剂表面处理对硅橡胶性能的影响
经用偶联剂改性的氧化铝导热粒子与硅胶的润湿性好,可以祛除粒子与基体之间的空气,使粒子与界面具有较好的粘接性,从而提高硅胶的热导率和力学性能。研究结果如下:
氢氧化铝|导热氧化铝|氢氧化铝填料
 

四、结束语
氧化铝应用于硅胶绝缘导热作填料,整个体系已属于复合材料的范畴。从上分析看出影响硅胶导热绝缘性能有氧化铝粉自身质量因素,如粉体颗粒形貌,晶型,化学组成等;同时还有粉体的应用因素,如偶合改性,颗粒级配,粉体在基体中的分散等,这些都在粉体生产时要充分认识到的,只有两者相互结合才能生产出优质的导热绝缘粉体填料。由于笔者水平有限,若有错误的地方请多多指正。



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