科普導(dǎo)熱硅膠用氧化鋁填料效果怎么樣!效果到底好不好?
隨著工業(yè)電子行業(yè)的發(fā)展,電子元件、集成電路趨于密集化、小型化,“熱”已經(jīng)成為電器的運(yùn)行的頭等大敵。為了最大程度避免因散熱不力導(dǎo)致的電器故障,一般會在電子產(chǎn)品的發(fā)熱體與散熱設(shè)施之間的接觸面涂敷導(dǎo)熱硅膠以及導(dǎo)熱性硅膠制品為輔助,那么它的作用你都了解過嗎?
導(dǎo)熱硅膠是一種具有一定的柔韌性、優(yōu)良的絕緣性、壓縮性、表面天然的粘性,專門為利用縫隙傳遞熱量的設(shè)計方案生產(chǎn)的產(chǎn)品。除了能填充縫隙,完成發(fā)熱部位與散熱部位間的熱傳遞,同時還起到絕緣、減震等作用,滿足設(shè)備小型化及超薄化的設(shè)計要求,且厚度適用范圍廣,因此作為一種極佳的導(dǎo)熱填充材料被廣泛應(yīng)用于電子電器產(chǎn)品中。
不過普通硅膠產(chǎn)品是熱的不良導(dǎo)體,因此需要添加適合的導(dǎo)熱填料以提高其導(dǎo)熱性能,而在無機(jī)非金屬導(dǎo)熱絕緣粉體填料中,氧化鋁不但具有良好的絕緣性能,而且其導(dǎo)熱率也不低(常溫導(dǎo)熱率為30W/m·K),在種種優(yōu)勢加持下成為了最為常用的導(dǎo)熱填料之一。
說是導(dǎo)熱率不錯,實(shí)際上離“良好”還是很有些距離的(比如說氮化鋁的導(dǎo)熱率為150W/m·K,是它的至少五倍),氧化鋁最出色的地方應(yīng)該是在于它的性價比。為了不失去這種優(yōu)勢,并同時提高氧化鋁的應(yīng)用優(yōu)勢,就得想方設(shè)法在原料不變的前提下提高硅膠的導(dǎo)熱性能。主要可選擇的方向有兩個,一是填料能在基體中形成導(dǎo)熱鏈或?qū)峋W(wǎng);二是提高氧化鋁填料自身導(dǎo)熱率。
一、導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的形成
根據(jù)熱力學(xué),導(dǎo)熱即熱能以振動能的形式傳遞,即由物質(zhì)內(nèi)部微觀粒子相互碰撞和傳遞。由于硅膠是由不對稱的極性鏈節(jié)所構(gòu)成的高分子材料,整個分子鏈不能完全自由運(yùn)動,只能發(fā)生原子、基團(tuán)或鏈節(jié)的振動,因此導(dǎo)熱率很低,是熱的不良導(dǎo)體,只有通過填充高導(dǎo)熱性的填料增加材料的熱導(dǎo)率。
當(dāng)加入的填料量較少時,填料在硅膠基體中的分布近似以孤島形式出現(xiàn),此時導(dǎo)熱率提高不大。為了提高導(dǎo)熱絕緣硅膠的導(dǎo)熱率,必須提高硅膠中填充氧化鋁的填充量,使氧化鋁顆粒在材料內(nèi)部形成導(dǎo)熱通道。但是一味提高氧化鋁填充量,就會對硅膠體系的工藝性能及產(chǎn)品的性能造成影響--一般來說,當(dāng)氧化鋁填充到導(dǎo)熱材料中,隨著填充量的增加,導(dǎo)熱材料的拉伸強(qiáng)度和硬度逐漸提高,而材料的柔韌性逐漸變差,其斷裂伸長率不斷降低,這是因為氧化鋁填充到高分子復(fù)合材料中,氧化鋁粉體對基體起到增強(qiáng)作用。
因此在制備高導(dǎo)熱絕緣硅膠材料時,不能單純依靠提高填充量來增加導(dǎo)熱性能,因為導(dǎo)熱絕緣硅膠不但要求材料的導(dǎo)熱性,而且對粘度、可壓縮性、柔韌性均有所要求。若想進(jìn)一步提高導(dǎo)熱硅膠材料的導(dǎo)熱率,就得通過提高氧化鋁填料自身的性能來實(shí)現(xiàn)。此外,采用不同粒徑、不同形狀的導(dǎo)熱填料和不同種類的導(dǎo)熱填料復(fù)配填充,也可以發(fā)揮各種填料的特點(diǎn),提高材料的熱導(dǎo)率,并降低成本。
對于導(dǎo)熱硅膠來說,粘度、可壓縮性、柔韌性同樣很重要
二、提高氧化鋁自身導(dǎo)熱率
若要提高氧化鋁自身的導(dǎo)熱率,必須提高晶體的結(jié)晶程度和致密度,因此氧化鋁填料必須具有高的α相含量,這是因為α相氧化鋁為六方結(jié)構(gòu),是氧化鋁變體中最為致密的結(jié)構(gòu)。此外,α相納米氧化鋁還具有高硬度、高強(qiáng)度、耐熱、耐腐蝕等特性,其制備有多種工藝路線,主要采用的有以下幾種:
1.化學(xué)熱解法
化學(xué)熱解法要包括銨明礬熱解法、碳酸鋁銨熱解法和噴霧熱解法3種。
①銨明礬熱解法是用硫酸鋁銨溶液與硫酸銨反應(yīng),制得銨明礬,再加熱分解成納米氧化鋁,此法工藝簡單,但生產(chǎn)周期長,難實(shí)現(xiàn)規(guī)?;?;
②銨明礬熱解法改進(jìn)后形成了碳酸鋁銨熱解法,目前已見報道的是將銨明礬與碳酸氫銨反應(yīng)制得銨片鈉鋁石前驅(qū)沉淀,然后經(jīng)1200℃灼燒,可制得粒徑為15nm的氧化鋁粉體;
③噴霧熱解法是將金屬鹽溶液以霧狀噴入高溫氣氛中,使其中的水分蒸發(fā),金屬鹽發(fā)生熱分解,析出固相,直接制備出納米氧化鋁陶瓷粉。
2.非晶態(tài)晶化法
此法主要是使非晶態(tài)的化合物經(jīng)退火處理后晶化。這種方法可生產(chǎn)出成分準(zhǔn)確的納米材料,且不需經(jīng)過成型處理,由非晶態(tài)可直接制備出納米氧化鋁。這種方法生產(chǎn)的納米結(jié)構(gòu)材料的塑性對晶粒的粒徑十分敏感。只有粒徑較小時,塑性較好,否則材料變得很脆。此方法法設(shè)備工藝簡單,產(chǎn)率高,成本低,環(huán)境污染小,但產(chǎn)品粒度分布不均,易團(tuán)聚。
3.溶膠-凝膠法
該法在氧化物納米粉制備中應(yīng)用較多。其化學(xué)過程是將原料經(jīng)水解反應(yīng)生成活性單體,再聚合成溶膠,進(jìn)而生成具有一定結(jié)構(gòu)的凝膠,最后經(jīng)干燥和熱處理得納米粒子。整個反應(yīng)是:分子態(tài)-聚合體-溶膠-凝膠-晶態(tài)(或非晶態(tài))的過程。
溶膠凝膠法反應(yīng)溫度低,產(chǎn)品晶型、粒度可控,且粒子均勻度高,純度高,反應(yīng)過程易于控制,副反應(yīng)少,但產(chǎn)品團(tuán)聚問題顯著,且以有機(jī)物為原料時毒性大,價格高。
4.液相沉淀法
液相沉淀法是在溶液的狀態(tài)下,通過化學(xué)反應(yīng)使原料中的有效成分生成沉淀,再經(jīng)過濾、洗滌、干燥、熱分解制備納米粒子。它包括直接沉淀法、共沉淀法和均勻沉淀法。
①直接沉淀法是通過沉淀反應(yīng)從溶液中制備納米粒子;
②共沉淀法是把沉淀劑加入到混合后的金屬鹽溶液中,使各組份混合沉淀,再經(jīng)加熱分解得到超微粒子;
③均勻沉淀法是以易緩慢水解的物質(zhì)為沉淀劑,利用水解速率控制粒子生長速度從而得到納米粒子的方法。它可減少團(tuán)聚,產(chǎn)品粒度均勻,粒徑分布窄,純度高。
沉淀法操作簡單,工藝流程短,成本低,但反應(yīng)易受溶液組分、濃度、溫度、時間等的控制,不易形成分散粒子。但近年來,通過引入冷凍干燥、共沸干燥、超臨界干燥等工藝,有效解決了硬團(tuán)聚問題,能制得質(zhì)量較高的納米粒子。
5.反膠團(tuán)微乳法
該法是使互不相溶的兩種溶液中的一種以微小液滴的形式(水相)分散于另一相中(油相)形成微乳液(w/o型),用水相作為氧化物或氫氧化物生成的微反應(yīng)器,發(fā)生沉淀反應(yīng),再經(jīng)洗滌、干燥、煅燒得到納米氧化鋁粉體。
反膠團(tuán)微乳法操作簡單,可以通過改變原料組分的方式控制粒徑,而且粒徑分布窄,制出的均勻多相無機(jī)化合物粉末對功能陶瓷材料的生產(chǎn)有重要意義。但產(chǎn)品粒子過細(xì),提高了后續(xù)分離過程的難度。
6.溶劑蒸發(fā)法
該法先將金屬鹽溶液制成微小液滴,將溶劑快速蒸發(fā),溶質(zhì)析出得納米粒子。溶劑蒸發(fā)法又包括直接干燥法、噴霧干燥法及冷凍干燥法、超臨界干燥法等。
①干燥法效率酸低,質(zhì)量差,應(yīng)用受到了限制;
②噴霧干燥法以硝酸鋁、碳酸鋁銨為原料,操作簡單,但硝酸鋁分解放出氮氧化物,可能會污染環(huán)境;
③冷凍干燥法產(chǎn)品均勻性好,但成本高;
④超臨界流體干燥技術(shù)以硝酸鋁為原料,在無機(jī)鹽-有機(jī)溶劑體系制得的氧化鋁粒徑小,孔徑大,密度低,表面能高,產(chǎn)品應(yīng)用潛力巨大。
另外,氧化鋁形貌也對導(dǎo)熱率有不同程度的影響。根據(jù)不同的燒成控制,氧化鋁的晶體形貌可以呈現(xiàn)出蠕蟲狀、片狀、球形(類球形)等形貌,目前在高導(dǎo)熱絕緣材料中填充的氧化鋁形貌主要以球形(類球形)為主。也有一些研究機(jī)構(gòu)使用片狀氧化鋁制作高導(dǎo)熱絕緣硅橡膠復(fù)合材料。
類球形氧化鋁和片狀氧化鋁
總之,作為導(dǎo)熱絕緣硅膠用的填料氧化鋁,其晶體形貌、粒徑分布等都會對導(dǎo)熱絕緣硅膠材料的導(dǎo)熱率及產(chǎn)品性能有很大的影響。因此要想提高復(fù)合材料導(dǎo)熱性能,控制氧化鋁的性能指標(biāo)是相當(dāng)關(guān)鍵的工作。
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