氧化铝填料对导热绝缘硅胶材料性能影响
2020-12-18 17:41:49
一、引言
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
·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：
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。
·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。
·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%。
·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：
·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：
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。
投稿者：Merton
参考资料：李建忠 导热绝缘硅胶材料用氧化铝性能研究、赵红振，齐暑华，周文英，王彩凤，郭建，袁江龙 氧化铝粒子对导热硅橡性能的影响