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科普导热硅胶用氧化铝填料效果怎么样!效果到底好不好?

文章出处:欧冠直播平台-欧冠直播官网 人气:-发表时间:2021-03-06

随着工业电子行业的发展,电子元件、集成电路趋于密集化、小型化,已经成为电器的运行的头等大敌。为了最大程度避免因散热不力导致的电器故障,一般会在电子产品的发热体与散热设施之间的接触面涂敷导热硅胶以及导热性硅胶制品为辅助,那么它的作用你都了解过吗?

 

导热硅胶是一种具有一定的柔韧性、优良的绝缘性、压缩性、表面天然的粘性,专门为利用缝隙传递热量的设计方案生产的产品。除了能填充缝隙,完成发热部位与散热部位间的热传递,同时还起到绝缘、减震等作用,满足设备小型化及超薄化的设计要求,且厚度适用范围广,因此作为一种极佳的导热填充材料被广泛应用于电子电器产品中。

 

不过普通硅胶产品是热的不良导体,因此需要添加适合的导热填料以提高其导热性能,而在无机非金属导热绝缘粉体填料中,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),在种种优势加持下成为了最为常用的导热填料之一。

 

说是导热率不错,实际上离良好还是很有些距离的(比如说氮化铝的导热率为150W/m·K,是它的至少五倍),氧化铝最出色的地方应该是在于它的性价比。为了不失去这种优势,并同时提高氧化铝的应用优势,就得想方设法在原料不变的前提下提高硅胶的导热性能。主要可选择的方向有两个,一是填料能在基体中形成导热链或导热网;二是提高氧化铝填料自身导热率。

 

一、导热网络的形成

 

根据热力学,导热即热能以振动能的形式传递,即由物质内部微观粒子相互碰撞和传递。由于硅胶是由不对称的极性链节所构成的高分子材料,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,因此导热率很低,是热的不良导体,只有通过填充高导热性的填料增加材料的热导率。

 

当加入的填料量较少时,填料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。为了提高导热绝缘硅胶的导热率,必须提高硅胶中填充氧化铝的填充量,使氧化铝颗粒在材料内部形成导热通道。但是一味提高氧化铝填充量,就会对硅胶体系的工艺性能及产品的性能造成影响--一般来说,当氧化铝填充到导热材料中,随着填充量的增加,导热材料的拉伸强度和硬度逐渐提高,而材料的柔韧性逐渐变差,其断裂伸长率不断降低,这是因为氧化铝填充到高分子复合材料中,氧化铝粉体对基体起到增强作用。

 

因此在制备高导热绝缘硅胶材料时,不能单纯依靠提高填充量来增加导热性能,因为导热绝缘硅胶不但要求材料的导热性,而且对粘度、可压缩性、柔韧性均有所要求。若想进一步提高导热硅胶材料的导热率,就得通过提高氧化铝填料自身的性能来实现。此外,采用不同粒径、不同形状的导热填料和不同种类的导热填料复配填充,也可以发挥各种填料的特点,提高材料的热导率,并降低成本。

 

对于导热硅胶来说,粘度、可压缩性、柔韧性同样很重要

 

二、提高氧化铝自身导热率

 

若要提高氧化铝自身的导热率,必须提高晶体的结晶程度和致密度,因此氧化铝填料必须具有高的α相含量,这是因为α相氧化铝为六方结构,是氧化铝变体中最为致密的结构。此外,α相纳米氧化铝还具有高硬度、高强度、耐热、耐腐蚀等特性,其制备有多种工艺路线,主要采用的有以下几种:

 

1.化学热解法

 

化学热解法要包括铵明矾热解法、碳酸铝铵热解法和喷雾热解法3种。

 

①铵明矾热解法是用硫酸铝铵溶液与硫酸铵反应,制得铵明矾,再加热分解成纳米氧化铝,此法工艺简单,但生产周期长,难实现规模化;

 

②铵明矾热解法改进后形成了碳酸铝铵热解法,目前已见报道的是将铵明矾与碳酸氢铵反应制得铵片钠铝石前驱沉淀,然后经1200℃灼烧,可制得粒径为15nm的氧化铝粉体;

 

③喷雾热解法是将金属盐溶液以雾状喷入高温气氛中,使其中的水分蒸发,金属盐发生热分解,析出固相,直接制备出纳米氧化铝陶瓷粉。

 

2.非晶态晶化法

 

此法主要是使非晶态的化合物经退火处理后晶化。这种方法可生产出成分准确的纳米材料,且不需经过成型处理,由非晶态可直接制备出纳米氧化铝。这种方法生产的纳米结构材料的塑性对晶粒的粒径十分敏感。只有粒径较小时,塑性较好,否则材料变得很脆。此方法法设备工艺简单,产率高,成本低,环境污染小,但产品粒度分布不均,易团聚。

 

3.溶胶-凝胶法

 

该法在氧化物纳米粉制备中应用较多。其化学过程是将原料经水解反应生成活性单体,再聚合成溶胶,进而生成具有一定结构的凝胶,最后经干燥和热处理得纳米粒子。整个反应是:分子态-聚合体-溶胶-凝胶-晶态(或非晶态)的过程。

 

溶胶凝胶法反应温度低,产品晶型、粒度可控,且粒子均匀度高,纯度高,反应过程易于控制,副反应少,但产品团聚问题显著,且以有机物为原料时毒性大,价格高。

 

4.液相沉淀法

 

液相沉淀法是在溶液的状态下,通过化学反应使原料中的有效成分生成沉淀,再经过滤、洗涤、干燥、热分解制备纳米粒子。它包括直接沉淀法、共沉淀法和均匀沉淀法。

 

①直接沉淀法是通过沉淀反应从溶液中制备纳米粒子;

 

②共沉淀法是把沉淀剂加入到混合后的金属盐溶液中,使各组份混合沉淀,再经加热分解得到超微粒子;

 

③均匀沉淀法是以易缓慢水解的物质为沉淀剂,利用水解速率控制粒子生长速度从而得到纳米粒子的方法。它可减少团聚,产品粒度均匀,粒径分布窄,纯度高。

 

沉淀法操作简单,工艺流程短,成本低,但反应易受溶液组分、浓度、温度、时间等的控制,不易形成分散粒子。但近年来,通过引入冷冻干燥、共沸干燥、超临界干燥等工艺,有效解决了硬团聚问题,能制得质量较高的纳米粒子。

 

5.反胶团微乳法

 

该法是使互不相溶的两种溶液中的一种以微小液滴的形式(水相)分散于另一相中(油相)形成微乳液(w/o型),用水相作为氧化物或氢氧化物生成的微反应器,发生沉淀反应,再经洗涤、干燥、煅烧得到纳米氧化铝粉体。

 

反胶团微乳法操作简单,可以通过改变原料组分的方式控制粒径,而且粒径分布窄,制出的均匀多相无机化合物粉末对功能陶瓷材料的生产有重要意义。但产品粒子过细,提高了后续分离过程的难度。

 

6.溶剂蒸发法

 

该法先将金属盐溶液制成微小液滴,将溶剂快速蒸发,溶质析出得纳米粒子。溶剂蒸发法又包括直接干燥法、喷雾干燥法及冷冻干燥法、超临界干燥法等。

 

①干燥法效率酸低,质量差,应用受到了限制;

 

②喷雾干燥法以硝酸铝、碳酸铝铵为原料,操作简单,但硝酸铝分解放出氮氧化物,可能会污染环境;

 

③冷冻干燥法产品均匀性好,但成本高;

 

④超临界流体干燥技术以硝酸铝为原料,在无机盐-有机溶剂体系制得的氧化铝粒径小,孔径大,密度低,表面能高,产品应用潜力巨大。

 

另外,氧化铝形貌也对导热率有不同程度的影响。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,目前在高导热绝缘材料中填充的氧化铝形貌主要以球形(类球形)为主。也有一些研究机构使用片状氧化铝制作高导热绝缘硅橡胶复合材料。

 

类球形氧化铝和片状氧化铝

 

总之,作为导热绝缘硅胶用的填料氧化铝,其晶体形貌、粒径分布等都会对导热绝缘硅胶材料的导热率及产品性能有很大的影响。因此要想提高复合材料导热性能,控制氧化铝的性能指标是相当关键的工作。

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