В областях связи 5G, новых энергетических транспортных средств, высокопроизводительных чипов и т. д. эффективное рассеивание тепла стало ключевым узким местом, ограничивающим технологическое развитие. Теплопроводность традиционных полимерных теплопроводящих материалов (таких как силикон и эпоксидная смола) составляет всего 0,1–0,3 Вт/(м·К), что далеко от удовлетворения спроса. При улучшении теплопроводности путем добавления теплопроводящих наполнителей часто возникают такие проблемы, как агломерация наполнителя, высокое термическое сопротивление интерфейса и просачивание масла. В это время появилась технология модификации поверхности, которая стала «золотым ключом» для преодоления узкого места в производительности теплопроводящих материалов!
Почему теплопроводящие наполнители нуждаются в «модификации поверхности»
Поверхностные свойства теплопроводящих наполнителей напрямую влияют на их дисперсию и межфазную связь в матрице. Например, хотя оксид алюминия экономически эффективен, его высокополярная поверхность плохо совместима с органическими матрицами (такими как эпоксидные смолы), что приводит к агломерации частиц, увеличению межфазных пустот и, в конечном итоге, снижению теплопроводности.
Как модифицировать поверхность теплопроводящих наполнителей
Существует множество методов модификации наполнителей, включая физическую и химическую модификацию, но наиболее широко используемый и эффективный метод модификации — это химическая модификация, которая в основном включает модификацию связующего агента, модификацию реакции этерификации и модификацию поверхностной прививки.
1. Физический метод модификации
Физические методы в основном включают механическую силовую дисперсию, ультразвуковую дисперсию и высокоэнергетическую обработку. Эти методы позволяют механически смешивать частицы с полимерами посредством механического измельчения, шаровой мельницы, песчаной мельницы, высокоскоростного перемешивания и т. д. для образования неорганических/органических композитных материалов.
2. Химический метод модификации
Модификация связующего агента заключается в связывании органических молекул на связующем агенте с поверхностью неорганического порошка. Свободная поверхностная энергия неорганического порошка снижается, явление агломерации уменьшается, а совместимость с органической матрицей увеличивается. Обычно существуют силановые связующие агенты, титанатные связующие агенты и алюминатные связующие агенты.
Реакция этерификации представляет собой реакцию между гидроксильными группами на поверхности неорганического порошка и карбоксильными или спиртовыми гидроксильными группами в модификаторе, так что органические молекулы соединяются с поверхностью порошка, тем самым уменьшая полярность поверхности порошка.
Модификация прививкой поверхности относится к диспергированию неорганических частиц с активными группами на поверхности в инициирующий мономер, а затем мономер полимеризуется на поверхности неорганических частиц, образуя слой покрытия посредством действия инициатора. Поверхностно-привитые полимеры включают полиметакриловую кислоту, полиакриламид, полиметакрилатглицидиловый эфир, гиперразветвленные полимеры и т. д.
С быстрым развитием науки и техники и постоянным улучшением требований к эксплуатационным характеристикам материалов в различных областях, техническая разработка теплопроводящих наполнителей показала диверсифицированную тенденцию, заложив прочную основу для удовлетворения потребностей сложных сценариев применения в будущем.
Интеллектуальный дизайн является важным направлением для развития технологии теплопроводящих наполнителей. Традиционные исследования и разработки теплопроводящих наполнителей часто опираются на множество экспериментов и опыта, а процесс является громоздким и неэффективным. Создав модель машинного обучения, можно проанализировать большой объем экспериментальных данных и теоретических результатов расчетов и изучить их для прогнозирования взаимосвязи между теплопроводящими наполнителями различной морфологии и теплопроводностью.
Многофункциональная интеграция также является неизбежной тенденцией в развитии технологии теплопроводящих наполнителей. В современных электронных устройствах, таких как смартфоны и ноутбуки, материалы должны не только обладать хорошей теплопроводностью, но и иметь множество свойств, таких как изоляция и электромагнитное экранирование. Чтобы удовлетворить эти потребности, исследователи могут добиться интеграции множества функций, смешивая теплопроводящие наполнители с изоляционными материалами, электромагнитными экранирующими материалами и т. д.
Исследования теплопроводящих наполнителей переходят от оптимизации единичных характеристик к многофункциональным композитным и экологически чистым направлениям. С прорывом в области нанотехнологий и технологий приготовления теплопроводящие материалы будут играть более важную роль в коммуникациях 5G, новых энергетических транспортных средствах и других областях. В будущем необходимо будет дополнительно решить проблемы стоимости, баланса производительности и экологической совместимости для достижения крупномасштабного промышленного применения.