球形氧化铝导热膏的制备及其导热性能

球形氧化铝导热膏的制备及其导热性能杨刚;程金虎;朱海涛【摘要】Inthisarticle,aseriesofthermalgreaseswerepreparedviaphysicalmillingmethodwithsphericalAl2O.3asfilleranddimethylsiliconeoilasmatrix.ThethermalconductivityofthethermalgreasewereimprovedbytheamountofAl2O.3increasing,addingcouplingagentKH570andhybridsofdifferentsize.TheAl2O.3wascharacterizedwithscanningelectronmicroscope(SEM).Thethermalgreasesweremeasuredbyconductometer(KD2Pro).TheresultshowsthatthermalconductivityofthethermalgreaseincreaseswithAl2O.3contentincreasing.KH570caneffectivelyimprovethepropertyofthethermalgrease,andthebestpropertycanbeobtainedwhenthemassfractionKH570is1.5%-2.5%.Hybridsofdifferentsizecanalsoimprovethermalconductivityofthermalgrease.%以球形氧化铝为导热填料、二甲基硅油为基体，通过物理混合的方法制备了一系列氧化铝/硅油导热膏.通过增加氧化铝的添加量、加入硅烷偶联剂KH570以及粒径复配等提高导热膏的导热系数.用扫描电子显微镜(SEM),对球形氧化铝进行形貌表征;用KD2Pro导热仪，对所制得的导热膏进行导热性能测试.结果表明:导热膏的导热系数随着氧化铝添加量的增大而增大，当氧化铝填充体积分数为60%最好;硅烷偶联剂KH570可以有效提高导热膏的导热系数,加入量(质量分数)在1.5%~2.5%时,效果良好;粒径的复配可以进一步提高导热膏的导热性能.【期刊名称】《青岛科技大学学报(自然科学版)》【年(卷)，期】2016(037)005【总页数】5页(P528-532)【关键词】导热膏;球形氧化铝;硅烷偶联剂;粒径复配【作者】杨刚;程金虎;朱海涛【作者单位】青岛科技大学材料科学与工程学院仙东青岛266042清岛科技大学材料科学与工程学院,山东青岛266042;青岛科技大学材料科学与工程学院,山东青岛266042【正文语种】中文【中图分类】O063为了确保电子器件的正常运作，就需要使其产生的热量及时散出去，保持温度在适当的范围内。因此，需要确保产热电子器件与散热装置之间高效的热传递。两个元件的接触面凹凸不平会导致其之间存在空气层，使接触热阻增大，最终导致热积累的产生。为了减小两者之间的热阻，需要引进热界面材料来填充固体接触面之间的空气间隙［1-3］。然而，用于热界面材料的聚合物，如环氧树脂、硅脂等，具有很低的导热系数(0.1~0.3W・(mK)-1),无法满足快速传热的要求。因此，需要开发具有高导热的热界面材料，通常的方法是在聚合物基体中加入导热性填料来实现高效的热传导。这些导热填料主要分为3类：陶瓷类［4-10］,如氧化铝(AI2O3)、氮化铝(AIN)、氮化硼(BN)、氧化锌(ZnO)、氧化硅(SiO2)等；金属类［11-12］,如银(Ag)、铜(Cu)、镍(Ni)等；碳类材料［13-14］,如石墨烯，石墨，碳纳米管等。对于需要电绝缘性的高功率电子元件，金属类和碳类填料显然不适合，这就需要无机陶瓷类填料的应用。填料与基体混合时，两者之间的相容性不好，会使两者之间的接触热阻增大，导致导热效果不理想。为了降低导热填料与基体之间的接触热阻，需要对填料进行表面处理。Yu等［4］实验结果显示，适量偶联剂的加入可以明显降低复合材料的黏度，并提高AlN的固含量。导热填料的表面改性，可以改善它在基体中的相容性，使其均匀分散在基体中［5-6］。为了提高导热复合材料导热性能，导热填料合理的搭配也是必须的。朱宁宁［7］将大小粒径的氮化铝(AlN)配合使用，得到的复合材料的导热比单一大粒径或小粒径的导热系数要高。Choi等［8］将不同种类的粉体，通过大小粒径的配合使用，同样达到提高复合材料导热性能的效果。Fang等［9］通过将2D的微米级氮化硼(BN)与0D的纳米级氧化铝(Al2O3)混合使用，得到的26.5%(体积分数)环氧树脂复合材料，导热系数比单纯的环氧树脂提高了4.3倍。就目前的研究，多数集中在颗粒填充的高分子基复合热界面材料，导热膏的研究相对较少。由于导热膏具有一定流动性，在较小的压力下就可以充分填充产热元件与散热元件之间的空隙，并且只需很薄的一层就可以有效降低两个元件之间的热阻，因此导热膏具有很好的应用前景。就绝缘类导热填料而言，氧化铝的导热性能虽然比不上氮化铝和氮化硼，但是由于其价格便宜而被广泛应用。本研究通过物理研磨的方法制备了氧化铝导热膏，并通过改变氧化铝的加入量，硅烷偶联剂处理，粒径复配等方法，来提高其导热性能。1.1试剂与仪器球形氧化铝(Al2O3，不同粒径)，雅安百图高新材料有限公司；硅烷偶联剂(KH570)，国药集团化学试剂有限公司；二甲基硅油(1000cSt)，美国道康宁公司。X射线衍射仪，RigakuD/MAX-2500/PC型，日本理学公司；超声波清洗器，AS3120A型，天津市奥特赛恩斯仪器有限公司；电热鼓风干燥箱，101-1AB型，天津市泰斯特仪器有限公司；场发射扫描电子显微镜，JSM-6700F型，日本电子公司；导热仪，KD2PRO型，美国DecagonDevices公司。1.2氧化铝导热膏的制备称取一定量的硅油置于研钵中，并加入适量的硅烷偶联剂，搅拌至均匀。将称量好的球形氧化铝粉末分批次加入硅油中，研磨至均匀。将研磨好的氧化铝导热膏置于真空一定时间，然后放入烘箱中70。0呆温3^装入25mL的样品管中，并抽真空，待测。2.1厂家氧化铝样品分析图1为公司提供的不同粒径(平均粒径D50)的球形氧化铝的SEM照片。从图1中可以看出，氧化铝球粒径分布比较广，球形度很好，微球分散良好，没有团聚体形式的存在。图2为氧化铝粉体的粒度分布图。2.2球形氧化铝添加量的影响导热膏作为填充型的热界面材料，其导热系数与氧化铝的添加量有很大关系，在低填充量时，导热膏易发生分层现象，但当填充体积过高时导热膏的黏度会很大。在保持导热膏具有一定流动性的前提下，氧化铝的填充体积尽可能大，实验中制得了填充体积分数为40%~60%的导热膏。图3为平均粒径D50为5pm和40pm的球形氧化铝制得的不同体积含量的导热膏，其体积含量与导热系数的关系。从图3看出，随着氧化铝的体积含量的增加，导热系数逐渐增加。填充粒径为5、40pm氧化铝的导热膏填充体积分数在60%时的导热系数分别达到达到0.96、1.24W・(mK)-1，比单纯的硅油(导热系数约为0.15W・(mK)-1)分别提高了5.5倍和7.3倍。这主要是因为，随着氧化铝体积含量的增加，填充颗粒之间的接触逐渐增多，使导热通路增多，最终使导热系数增大，如果氧化铝的填充量继续增加，导热膏的黏度过大，不利于应用。因此，平均粒径为5pm和40pm的氧化铝填充量在60%时效果最好。同时，从图3看出，D50为40pm的球形氧化铝制得的导热膏的导热系数要比5pm的要高，主要是在粒径较大时，形成相同的导热通路其接触点也会减少，氧化铝球之间的接触热阻要高于氧化铝自身的热阻，这相应地降低了氧化铝球之间的接触热阻。2.3粒径的影响为了探究颗粒大小对导热膏的导热性能的影响，将4种粒径的球形氧化铝制成粒子体积分数为50%的导热膏，其对应的导热系数见图4。从图4中可以看出，随着粒径的增加，导热系数逐渐增大。在相同的填充体积时，导热颗粒的粒径越小，颗粒的数量就越多，随之而来的颗粒之间的接触点就会越多，最终导致导热颗粒之间的接触热阻增大。颗粒本身导热要好于颗粒与颗粒之间的导热，因此，40pm的氧化铝填充的导热膏的导热系数要高于另外3个粒径的氧化铝。2.4硅烷偶联剂的影响为了提高导热颗粒与基体之间的相容性，在导热膏制备的过程中加入了硅烷偶联剂(KH570)来降低导热颗粒与基体之间的热阻。图5是用D50为5pm的氧化铝作为填充颗粒，填充体积分数在50%时，不同的KH570加入量对导热系数的影响。从图5看出，随着偶联剂的加入量的增加，导热系数先增大，再减小，加入质量分数在1.8%时，效果最好，为0.82W・(mK)-1。氧化铝粉体的表面会吸附一定量的水分，硅烷偶联剂可水解的无机基团可以与粉体表面吸附的水发生水解，产生硅醇，然后与氧化铝表面的活性基团结合，形成共价键，从而可以在氧化铝与硅油之间形成〃分子桥”，使两者之间的相容性得到改善。然而在低的加入量，偶联剂的量不足，在氧化铝表面未形成完全的包覆；随着加入量的增加，氧化铝的包覆数量增多，导热系数逐渐增大；当偶联剂的加入量过大时，氧化铝表面的硅烷偶联剂的包覆层变厚，使氧化铝与基体硅油之间的热阻增大，导致导热系数的降低。因此，硅烷偶联剂KH570的加入量应该选择在1.5%~2.5%之间为宜。2.5粒径复配为了改善大粒径的球形氧化铝的间隙过大，提高填充体积，从而提高导热系数，选择将D50为40pm与5pm的球形氧化铝进行复配，由于粒径复配在低的填充量时，效果不明显，所以填充体积分数选择在60%，结果见图6。从图6看出，随着粒径40pm氧化铝填充量的增加，导热系数先增大再减小，粒径40pm的氧化铝占氧化铝填充总量80%时，即40pm与5pm的氧化铝的体积分数比在4:1时效果最好，达到1.36W・(mK)-1,比基体材料的导热系数提高了7.8倍。同时，两种粒径的氧化铝的混合使用要比单一粒径的效果要好。这主要是因为小粒径的颗粒加入，利于填充大粒径氧化铝之间形成的空隙，同时小颗粒的氧化铝分散在空隙中，可以防止大颗粒的沉降。综合上面的几个要素，导热膏的填充体积分数在63%，平均粒径为40pm与5pm的球形氧化铝体积分数比在4:1，加入质量分数约2%的KH570，测得导热膏的导热系数1.64W・(mK)-1,比基体二甲基硅油提高了约10倍。采用物理混合的方法制得了球形氧化铝导热膏，探究了氧化铝的加入量，粒径大小，硅烷偶联剂的处理，以及粒径复配对导热膏导热系数的影响。结