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影响导热胶性能的因素有哪些

影响导热胶性能的因素有哪些

分类:
行业动态
作者:
东研电子
来源:
东研电子
2019/02/14 10:15
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【摘要】:
填充型胶粘剂的热导率主要取决于树脂基体、导热填料及两者形成的界面,而导热填料的种类、用量、粒径、几何形状,混杂填充及表面改性等因素均会对胶粘剂的导热性能产生影响。

填充型胶粘剂的热导率主要取决于树脂基体、导热填料及两者形成的界面,而导热填料的种类、用量、粒径、几何形状,混杂填充及表面改性等因素均会对胶粘剂的导热性能产生影响。

1)导热胶填料的种类和用量

填料种类和用量均会对胶粘剂热导率产生影响。当填料较少时,填料被基体树脂完全包裹,绝大多数填料粒子之间未能直接接触;此时,胶粘剂基体成为填料粒子之间的热流障碍,抑制了填料声子的传递,故不论添加何种填料都不能显著提高胶粘剂的热导率。随着填料用量的增加,填料在基体中逐渐形成稳定的导热网络,此时热导率迅速增加,并且填充高热导率填料更有利于提高胶粘剂的热导率。然而,填料的热导率过大也不利于体系热导率的提高。研究表明:当填料与基体树脂的热导率之比超过100时,复合材料热导率的提高并不显著。

 上一个研究实例中显示的数据,用以说明填料的量与传热性能的关系。在胶粘剂中添加高导热填料后,复合材料的热导率随填料用量增加而显著提升。研究表明:当w(人造金刚石SD)=20%(相对于环氧树脂EP质量而言)时,热导率为0.335 W(/ m·K);当w(SD)=50%时,热导率为1.07 W(/ m·K),较纯树脂提高了3.5倍;当w(SD)<20%时,体系的热导率缓慢增加;当w(SD)>20%时,体系的热导率迅速上升。这是因为当w(SD)>20%时,颗粒之间开始相互接触,逐渐形成导热链;当w(SD)=50%时,颗粒之间大量接触,形成导热网络,故热导率显著提高

导热胶

2) 导热胶填料的粒径和几何形状

当导热胶填料用量相同时,纳米粒子比微米粒子更有利于提高胶粘剂的热导率。纳米粒子的量子效应使晶界数目增加,从而使比热容增大且共价键变成金属键,导热由分子(或晶格)振动变为自由电子传热,故纳米粒子的热导率相对更高;同时,纳米粒子的粒径小、数量多,致使其比表面积较大,在基体中易形成有效的导热网络,故有利于提高胶粘剂的热导率。

对微米粒子而言,填料用量相同时大粒径的导热填料比表面积较小,不易被胶粘剂包裹,故彼此连接的概率较大(更易形成有效的导热通路),有利于胶粘剂热导率的提高。

一个具体案例,研究表明:当填料用量相同时,含30 nm 的Al2O3 体系之热导率相对最高,含20 μm的Al2O3体系之热导率其次,而含2 μm 的Al2O3 体系之热导率相对最低。这是因为填料用量相同时,纳米粒子的比表面积比微米粒子大,庞大的比表面积使之形成导热网络的概率高于微米粒子;对20、2 μm的Al2O3填充体系而言,较小粒径具有较大的比表面积,与基体接触的相界面更多,从而更容易被基体包裹,无法形成有效的导热网络,故2 μm 的Al2O3 填充体系之热导率相对最低。

当填料用量相同时,不同几何形状的同种填料在基体中形成的导热网络概率不同,较大长径比的导热填料更易形成导热网络,从而更有利于提高基体的热导率。上数字,研究表明:当φ(纳米级银线)=26%(相对于环氧树脂EP胶粘剂体积而言)时达到渗流阈值,热导率从5.66 W(/ m·K)增至10.76 W(/ m·K);当φ(纳米级银棒)=28%、φ(纳米级银块)=38%时达到渗流阈值;长径比越大渗流阈值越小。与银棒和银块相比,长径比大的银线由于其取向性使树脂体系内形成导热网链的概率增加,填料较少时即可达到较高的热导率。

3) 导热胶填料的混杂填充

与单一粒径的填料填充体系相比,不同粒径大小、同种填料的混杂填充更有利于提高胶粘剂的热导率。同种填料不同形态的混杂填充比单一球形填料填充更易获得高热导率的胶粘剂。不同种类的填料在适当配比时,混杂填充亦优于单一种类填料填充。这归因于上述混杂填充均较易形成紧密堆积结构,而且混杂填充时高长径比粒子易在球形颗粒间起到架桥作用,从而减小了接触热阻,进而使体系具有相对更高的热导率。研究表明:当w(AlN)=80%(相对于硅橡胶质量而言)、粒径分别为15、5 μm时,体系的热导率分别为1.83、1.54 W(/ m·K);在保证AlN总用量不变、两种粒径的颗粒质量比为1∶1时,体系的热导率为1.85 W(/ m·K)。大小粒径掺杂比单一粒径的热导率高,这是因为大小粒径掺杂时,小粒径的颗粒更易填充至大粒径颗粒的空隙中(致密度增大),使颗粒之间的接触更加紧密,填料在基体内部的排列密度提高(减小了接触热阻),进而增加了体系的热导率。

4) 导热胶填料的表面改性

无机粒子和树脂基体界面间存在极性差异,致使两者相容性较差,故填料在树脂基体中易聚集成团(不易分散)。另外,无机粒子较大的表面张力使其表面较难被树脂基体所润湿,相界面间存在空隙及缺陷,从而增大了界面热阻。因此,对无机填料粒子表面进行修饰,可改善其分散性、减少界面缺陷、增强界面粘接强度、抑制声子在界面处的散射和增大声子的传播自由程,从而有利于提高体系的热导率。