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突破20W/m.K绝缘导热极限,该粉体复配方案绝了
2020年11月12日 发布 分类:行业要闻 点击量:197
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原来大自然的鬼斧神工

早已为超高导热绝缘材料的研发

指明了方向

5G设备的发热问题,之前听说过这样一个“路边社”消息:

2015年,海内外的通讯巨头们开始琢磨着把5G技术落地为商业化的产品。

但是热仿真数据一出来把大家吓了一跳!因为计算结果显示,5G基站产生的“废热”4G高出了整整300%

这个问题让通讯厂商们有些措手不及。

因为一直以来,市场上商业化做的比较好的导热绝缘材料都很“佛系”的徘徊在5.0W/m.K左右。用在4G刚刚好,但是要说拿来为5G基站降温就实在是差得太多了!

5G基站的热仿真

5Gtechnologyworld.com)

于是,就有厂商找到了英国曼彻斯特大学,委托他们研发出一款导热率超过20W/m.K的超高导热绝缘材料。

要说曼彻斯特大学来头不小,这几年炙手可热的石墨烯就是他们率先分离出来的!因为这个成就曼大还获得了2010年的诺贝尔奖!

曼彻斯特大学因石墨烯研究获得诺贝尔物理学奖
(英国《卫报》)

所以当时大家都觉得,就凭这群顶尖科学家的理论功底,搞成这个事还不是信手拈来吗!

结果谁都没想到,数年后的今天,5G都已经普及了,但是用在5G基站上的凝胶和垫片却依然徘徊在10.0W/m.K以下……

01—该死的“界面热阻”

其实,单从导热理论来看,好像把复合材料的导热率提高几瓦应该也不是个难事。

就以最为知名的Bruggeman导热模型为例,只要向其中代入填料的导热率体积百分比等技术参数,就能预测出复合材料的导热率大概是个什么水平!

 

Bruggeman导热预测模型

(高填充改性复合材料导热预测模型的建立及应用_王杨慧)

我们不妨用导热率高达300W/m.K氮化硼粉体为研究对象,观察一下这个导热模型会如何预测导热率的变化。

主力导热绝缘粉体材料

不出所料,Bruggeman模型预测出来的曲线弧度非常漂亮!尤其是氮化硼粉体的体积百分比一突破逾渗阈值,垫片的导热率就开始飙升。

当添加量达到95%,垫片的导热率甚至逼近了氮化硼本身的导热率!想突破200W/m.K是妥妥的没问题!

基于Bruggeman模型对氮化硼垫片的导热率预测

(高填充改性复合材料导热预测模型的建立及应用_王杨慧)

根据这个导热模型的预测——只要不考虑“界面热阻”,那么导热填料加的越多,复合材料的导热率就越高!

但是哪里不对吧!现实情况是材料科学家们连20W/m.K这种“小目标”都还没搞定啊!

没错,问题就出在了当初被我们刻意忽略不计的“界面热阻”

Bruggeman导热模型描述的情况是,在垫片内部,当氮化硼填料搭接起一条导热的通路,热量就会很顺畅地从一边传导到另一边。

只要没有“界面热阻”的干扰,垫片就像一块热量的“超导体”,可以非常高效的把热量传递出来。


不考虑“界面热阻”的理想导热模型

但现实情况是,在导热垫片的基材里面,氮化硼填料们根本不会听话的均匀分散排列,只要凑到一块必定扎堆团聚N多小团簇!

如此一来原本顺畅的热量通路就被切断!那么这种热量传导受到的阻断就是所谓的界面热阻

现实中的“界面热阻”

也正是这个原因,理论上可以突破200W/m.K的导热垫片,在现实中连20W/m.K都做不到!这还真是“理论很丰满,现实很骨感”。

那么,让氮化硼的填料都按照我们的意图均匀分散,真的就那么难吗?

是的,就那么难!


02—难以调教的“白石墨烯”

如果看一下氮化硼的微观结构,就会发现它和石墨烯怎么这么像!

氮化硼vs石墨烯的微观结构(bing.com)

氮原子和硼原子共同构建出整齐的六边形基本单位,然后横向扩展成一张二维薄片

氮化硼电子显微镜照片(bing.com)

这种与石墨烯非常相似的化学结构也让氮化硼具有了堪比石墨烯的超高机械强度、超强热稳定性!同时更是具备了陶瓷类导热粉体顶级水平的导热率

于是,氮化硼就有了一个外号“白石墨烯”

只不过成也萧何败也萧何。如此完美的微观结构也带来了一个严重的“副产品”——材料表面的“惰性”

因为氮化硼晶体的表面极少存在悬挂键电荷陷阱,难以和其他物质反应,所以绝大多数高分子有机材料都不能很好地“浸润”氮化硼!

再加上比表面积比较大,这就让导热复合材料中氮化硼填料的“团聚”问题更为突出!

12% 纳米BN/硅橡胶复合材料断面形貌图(高导热硅橡胶复合绝缘材料制备与综合性能的研究_朱艳慧)

人才倒是人才,就是难以调教!

一筹莫展之际,倒是自然界的贝壳给材料学家们提供了一个很好的导热模型

03—学习贝壳好榜样!29.8W/m.K!

贝壳之所以吸引了人们的注意,主要是因为两个特征:

1)极高的无机粉体含量

天然贝壳中的碳酸钙微片含量超过了95%,但是仍然靠仅有的5%有机成分维持了很好的韧性

2)无机粉体的取向排布

碳酸钙碎片沿着二维平面排布,形成了非常整齐规则的微观结构。

贝壳无机粉体的取向排布

(基于微/纳米结构单元的有序组装制备高导热复合材料_么依民)

这两个特征套用到氮化硼的使用场景就是:

1)尽量提高氮化硼粉体的添加量,以期对冲掉相当一部分“界面热阻”。正所谓质量不行数量补!

2)氮化硼微片如果也能实现这种取向排布,就可以让热量在二维方向横向传导。相对于无规则的粉体排布,也就变相减少了“界面热阻”

取向排布以减少“界面热阻”(基于微/纳米结构单元的有序组装制备高导热复合材料_么依民)

基于这个启发,科学家们选择了氧化石墨烯氮化硼粉体进行搭配。

他们先对导热粉体进行取向化处理,使得氮化硼以平躺的姿态延展排布;

再对氮化硼+氧化石墨烯复合材料的各项参数进行优化。

取向排布以减少“界面热阻”

(基于微/纳米结构单元的有序组装制备高导热复合材料_么依民)

最终在实验室里做出了一个让人非常振奋的导热率—— 29.8W/m.K!

借鉴贝壳原理,实现突破20W/m.K导热率
(基于微/纳米结构单元的有序组装制备高导热复合材料_么依民)

那么问题来了,导热率如此之高的复合材料,出了实验室还能做出来吗

针对这个问题,中科院合肥物质研究院的田兴友博士,发表了名为《氮化硼参杂石墨烯导热材料在电子封装领域的应用》的论文。

并且将于11月23/24日举行的2020全国导热粉体材料创新发展论坛上做主题演讲,分享超高导热绝缘复合材料领域最前沿的技术!

此外,一众国内顶尖的导热粉体材料及应用技术专家也将齐聚此次会议!当然,同样欢迎您的莅临参与

【报告及嘉宾】

1、球形氧化铝粉体在导热复合材料的应用研究

报告人:袁方利 研究员、博士生导师

单位:中科院过程工程研究所

2、六方氮化硼纳米片的宏量制备及在导热填料中的应用

报告人:毋伟 教授、博士生导师

单位:北京化工大学

3、氮化铝粉体的改性及其作为导热填料的应用

报告人:鲁慧峰 博士、技术副总监

单位:厦门钜瓷科技有限公司

4、新型导热填料的制备及其聚合物界面热阻研究

报告人:曾小亮 副研究员

单位:中国科学院深圳先进技术研究院

5、超细金刚石粉体在导热胶领域中的应用

报告人:栗正新 教授、副院长

单位:河南工业大学材料学院

6、氮化硅粉体在导热填料领域中的应用前景

报告人:崔巍 博士、总经理

单位:青岛瓷兴新材料有限公司

7、无机非金属导热粉体的复配及在胶黏剂中的应用

报告人:田丽权 副总经理

单位:佛山金戈新材料股份有限公司

8、各类导热粉体材料的需求现状及发展趋势

报告人:魏东 总经理

单位:东莞东超新材料科技有限公司

9、氮化硼掺杂石墨烯导热材料在电子封装领域中的应用

报告人:田兴友  研究员、博士生导师

单位:中科院合肥物质科学研究院

10、一种动力电池用导热凝胶的制备及对导热填料的要求

报告人:卢雄威 专家

单位:广州回天新材料有限公司

11、立方碳化硅新材料及其在导热填料中的应用

报告人:王晓刚 教授、博士生导师,原院长

单位:西安科技大学材料学院

12、氮化硼在热管理方向的应用

报告人:王存国   销售经理,陶瓷产品

单位:迈图高新材料集团

13、5G无线充电智能设备对导热材料的需求

报告人:刘伟生 高级工程师

单位:原就职于国内某知名消费电子公司

14、氧化铝、石墨烯和氮化硼纳米片等导热粉体的应用研究

报告人:虞锦洪    研究员、博导

单位:中国科学院宁波材料技术与工程研究所

15、【征集发起】高导热类球形氧化铝研发与应用攻坚小组

发起人:孙志昂 教授、总工

单位:河南长兴实业有限公司

(报告持续更新中)




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