无机非金属导热绝缘材料

 

通常金属(如Au、Ag、Cu、Al、Mg等)均具有较高的导热性，但均为导体，无法用作绝缘材料，而部分无机非金属材料，如金属氧化物Al2O3、MgO、ZnO、NiO，金属氮化物AlN、Si3N4、BN，以及SiC陶瓷等既具有高导热性，同时也具有优良的绝缘性能、力学性能、耐高温性能、耐化学腐蚀性能等，因此被广泛用作电机、电器、微电子领域中的高散热界面材料及封装材料等。

 

陶瓷封装具有耐热性好、不易产生裂纹、热冲击后不产生损伤、机械强度高、热膨胀系数小、电绝缘性能高、热导率高、高频特性、化学稳定性高、气密性好等优点,适用于航空航天、军事工程所要求的高可靠、高频、耐高温、气密性强的产品封装。由于陶瓷材料所具有的良好的综合性能，使其广泛用于混合集成电路和多芯片模组。在要求高密封的场合，可选用陶瓷封装。国外的陶瓷封装材料以日本居首，日本占据了美国陶瓷封装市场的90%~95%，并且占美国国防(军品)陶瓷封装市场的95%~98%。传统的陶瓷封装材料是Al2O3陶瓷，具有良好的绝缘性、化学稳定性和力学性能，掺杂某些物质可满足特殊封装的要求，且价格低廉，是目前主要的陶瓷封装材料。SiC的热导率很高,是Al2O3的十几倍，热膨胀系数也低于Al2O3和AlN，但是SiC的介电常数过高,所以仅适用于密度较低的封装。AlN陶瓷是被国内外专家最为看好的封装材料，具有与SiC相接近的高热导率，热膨胀系数低于Al2O3，断裂强度大于Al2O3，维氏硬度是Al2O3的一半，与Al2O3相比，AlN的低密度可使重量降低20%，因此，AlN封装材料引起国内外封装界越来越广泛的重视。

 

聚合物基导热绝缘材料

 

由于聚合物材料具有优良的电气绝缘性能、耐腐蚀性能、力学性能、易加工性能等，人们逐步用聚合物材料代替传统的电气绝缘材料，但大多数聚合物材料的热导率很低，无法直接用作导热材料，需要通过加入导热性物质，使其成为导热绝缘材料。按获得导热性的方式，聚合物导热绝缘材料可分为本体导热绝缘聚合物和填充导热绝缘聚合物。本体导热绝缘聚合物通过在高分子合成或加工过程中改变其分子结构和凝聚态，使其具有较高的规整性，从而提高其热导率。填充型则是通过在高分子材料中加入导热绝缘填料来提高其热导率。

 

填料的导热性能研究

 

(1)填料的比例

 

当导热填料的填充量很小时，导热填料之间不能形成真正的接触和相互作用，这对高分子材料导热性能的提高几乎没有意义。只有在高分子基体中，导热填料的填充量达到某一临界值时，导热填料之间才有真正意义上的相互作用，体系中才能形成类似网状或链状的形态——即导热网链。

 

汪雨荻等在聚乙烯(PE)中填充氮化铝，并考察其导热性能；在电镜下观察到AlN与PE结合处存在间隙，这表明AlN不浸润PE。AlN/PE复合材料在AlN体积分数小于12%时，其热导率基本保持不变；当AlN体积分数在12%~24%时，热导率增长较快；当体积分数大于24%后，热导率增长又变慢；当AlN体积分数达到30.2%时，复合材料的热导率趋于平衡，能达到2.44 W/(m·K)。

 

Giuseppe P等利用新型渗透工艺制备了AlN/PS互穿网络聚合物。将液泡状态PS单体及引发剂持续渗透到多孔性AlN中至平衡态,在氩气气氛中100℃、4h使PS完成聚合。从微观上在AlN骨架上形成了一个渗滤平衡的聚合物网络结构,即使PS体积分数低至12%也可形成

 

材料热导率随AlN用量增加而升高,在高用量时趋于平衡。PS体积分数为20%~30%时，材料同时获得高热导率和良好韧性。

 

(2)填料的尺寸

 

填料填充复合材料的热导率随粒径增大而增加，在填充量相同时，大粒径填料填充所得到的复合材料热导率均比小粒径填料填充的要高。Hasselman研究了不同粒径SiC填充的铝基复合材料的导热率，实验得到在20℃填充量为20%时热导率随着SiC粒径的增大也变大。

 

但是，导热填料经过超细微化处理可以有效提高其自身的导热性能。唐明明等研究了在丁苯橡胶中分别加入纳米氧化铝和微米氧化铝得到的聚合物材料的导热性，发现在相同填充量下，纳米氧化铝填充丁苯橡胶的热导率和物理力学性能均优于微米氧化铝填充的丁苯橡胶，且丁苯橡胶的热导率随着氧化铝填充量的增加而增大。

 

(3)填料的形状

 

分散于树脂基体中的填料可以是粒状、片状、球形、纤维等形状，填料的外形直接影响其在高分子材料中的分散及热导率。汪雨荻利用模压法制备了聚乙烯/AlN复合基板，研究了AlN的结晶形态和填加量对复合基板热导率的影响。结果表明复合基板的热导率随AlN添加量的增大，最初变化很小，而后迅速升高，随后增速又逐渐降低；在相同的AlN填加量情况下，热导率最低的是AlN粉体复合材料，其次是含AlN纤维复合材料，最高的则是以晶须形态填加的复合材料。

 

(4)基体与填料的界面

 

导热高分子复合材料是由导热填料和聚合物基体复合而成的多相体系，在热量传递(即晶格振动传递)过程中，必然要经过许多基体-填料界面，因此界面间的结合强度也直接影响整个复合材料体系的热导率。基体和填料界面的结合强度与填料的表面处理有很大关系，取决于颗粒表面易湿润的程度。这是因为填料表面润湿程度影响填料与基体的黏结程度、基体与填料界面的热障、填料的均匀分散、填料的加入量等一些直接影响体系热导率的因素。增加界面结合强度能提高复合材料的热导率。张晓辉等研究发现Al2O3粒子经偶联剂表面处理后填充环氧，与未经表面处理直接填充所得的环氧胶黏剂相比，其热导率提高了10%，获得的最大热导率为1.236W/(m·K)。

 

牟秋红等以Al2O3为导热填料，制备了热硫化导热硅橡胶，考察了5种表面处理剂对Al2O3填充硅橡胶性能的影响。结果发现，5种处理剂处理均能提高硅橡胶的热导率，其中以乙烯基三(β-甲氧基乙氧基)硅烷效果最为明显。表面处理剂的加入既可以改善填料的分散能力，又可以减少硅橡胶受外力作用时填料粒子与基体间产生的空隙，减少应力集中导致的基体破坏。表面处理剂对硅橡胶热导率的影响应该是“桥联”和“包覆”共同作用的结果。一方面，其“桥联”作用改善了填料与基体的界面相容性，减少了界面缺陷及可能存在的空隙，从而降低了体系的热阻；另一方面，若包裹在填料表层的偶联剂的热导率较低，又会增加热阻。表面处理剂是否能够提高复合材料的热导率，关键在于处理是否能够在界面处形成有效的键合。

 

中国科学院化学研究所的汪倩等人在提高室温硫化硅橡胶导热性能方面做了一系列研究工作，发现选择高导热系数的填料，更重要的是通过填料在硅橡胶中堆积致密模型的设计和计算及选择合理的填料品种、填料粒径及粒径的分布，可以使室温硫化硅橡胶的导热系数高到1.3~2.5W/(m·K)，达到国际先进水平。

 

Xu Y S等研究了AlN粉末及晶须填充的环氧、聚偏氟乙烯(PVDF)复合塑料导热性能,发现加7μm粒子和晶须以25∶1质量比混合，总体积为60%时，PVDF热导率达11.5 W/(m·K)。用硅烷偶联剂处理粒子表面，因粒子/环氧界面改善减少了热阻，则环氧热导率可以达到11.5W/(m·K)，提高了97%；但是，AlN加入降低了材料拉伸强度、模量及韧性，在水中浸泡后发生降解。

 

Yu S Z等研究了AlN/聚苯乙烯(PS)体系导热性能，将AlN分散到PS中，环绕、包围PS粒子,发现PS粒子大小影响材料热导率，2mm的PS粒子比0·15mm粒子体系热导率高，因粒子尺寸愈小，等量PS需更多AlN粒子对其形成包裹，从而形成导热通道。AlN加入显著提高PS热导率，含20%AlN且PS粒子为2mm时，体系的热导率为纯PS的5倍。

 

提高导热性能的途径

 

(1)开发新型导热材料

 

如利用纳米颗粒填充，导热系数可增加不少，尤其是某些共价键型材料变为金属键型材料，导热性能急剧升高。

 

(2)填料粒子表面改性处理

 

树脂和导热填料界面对塑料导热性能有重要影响，所以导热填料表面的润湿程度影响着导热填料在基体中的分散情况，基体与填料粒子的粘结程度及二者界面的热障。

 

(3)成型工艺条件选择及优化

 

导热填料与塑料的复合方式及成型过程中温度、压力、填料及各种助剂的加料顺序等对导热性能有明显影响。多种粒径导热填料混合填充时，填料的搭配对提高导热性能和降低粘度有明显影响，导热填料不同粒径分布变化时，体系导热性能和粘度发生规律性变化，当粒径分布适当时可同时得到最高导热系数和最低粘度的混合体系。

 

目前在有机硅领域所使用的导热材料多数为氧化铝、氧化硅、氧化锌、氮化铝、氮化硼、碳化硅等。

 

尤其是以微米氧化铝、硅微粉为主体,纳米氧化铝，氮化物做为高导热领域的填充粉体；而氧化锌大多做为导热膏(导热硅脂)填料用。

 

 

优缺点分析:

 

1、氮化铝AlN优点：导热系数非常高。缺点：价格昂贵，通常每公斤在千元以上；氮化铝吸潮后会与水反应会水解AlN+3H2O=Al(OH)3+NH3，水解产生的Al(OH)3会使导热通路产生中断，进而影响声子的传递，因此做成制品后热导率偏低。即使用硅烷偶联剂进行表面处理，也不能保证100%填料表面被包覆。单纯使用氮化铝，虽然可以达到较高的热导率，但体系粘度极具上升，严重限制了产品的应用领域。

 

2、氮化硼BN优点：导热系数非常高,性质稳定。缺点：价格很高，市场价从几百元到上千元(根据产品品质不同差别较大)，虽然单纯使用氮化硼可以达到较高的热导率，但与氮化铝类似，大量填充后体系粘度极具上升，严重限制了产品的应用领域。

 

3、碳化硅SiC优点：导热系数较高。缺点：合成过程中产生的碳及石墨难以去除，导致产品纯度较低，电导率高，不适合电子用胶。密度大，在有机硅类胶中易沉淀分层，影响产品应用。环氧胶中较为适用。

 

4、氧化镁MgO优点：价格便宜。缺点：在空气中易吸潮，增粘性较强，不能大量填充；耐酸性差，一般情况下很容易被酸腐蚀，限制了其在酸性环境下的应用。

 

5、α-氧化铝(针状)优点：价格便宜。缺点：添加量低，在液体硅胶中，普通针状氧化铝的最大添加量一般为300份左右，所得产品导热率有限。

 

6、α-氧化铝(球形)优点：填充量大，在液体硅胶中，球形氧化铝最大可添加到600~800份，所得制品导热率高。缺点：价格较贵，但低于氮化硼和氮化铝。

 

7、氧化锌ZnO优点：粒径及均匀性很好，适合生产导热硅脂。缺点：导热性偏低，不适合生产高导热产品；质轻，增粘性较强，不适合灌封。

 

8、石英粉(结晶型)优点：密度大，适合灌封；价格低，适合大量填充，降低成本。缺点：导热性偏低，不适合生产高导热产品。密度较高，可能产生分层。

 

9、纤维状高导热碳粉优点：导热系数极高，沿纤维方向的导热率是铜的2~3倍，最高可达到700W/(m·K)，同时具有良好的机械性能和优异的导热及辐射散热能力，并且可设计导热取向；缺点：价格昂贵，并且不易与塑料混合。

 

10、鳞片状高导热碳粉优点：导热系数高,粒径在纳米级，填充率高；缺点：堆积密度大，不易加工，价格昂贵(但低于纤维状高导热碳粉)。

 

氮化铝AIN多介绍一些

 

高纯度低含氧量纳米氮化铝AlN粉体纯度高、粒径小、分布均匀、比表面积大、高表面活性，具有良好的注射成形性能；用于复合材料，与半导体硅匹配性好、界面相容性好，可提高复合材料的机械性能和导热介电性能。纳米氮化铝粉体的表面活性特别大，特别容易水解与吸氧，所以必须要对纳米氮化铝粉体进行表面处理，才可以体现出它超凡的特性出来。

 

高纯度低含氧量纳米氮化铝AlN(导热系数320W/(m·K)目前主要用于硅胶、环氧树脂、聚氨酯等高分子树脂材料中，大幅提高复合材料的导热性及良好的电绝缘性，较宽的电绝缘性使用温度(工作温度-60℃~220℃)，较低的粘度和良好的施工性能。因为可取代同类进口产品而广泛应用于电子器件的热传递介质，提高工作效率。如CPU与散热器填隙、大功率三极管、可控硅元件、二极管、与基材接触的细缝处的热传递介质。纳米导热膏是填充IC或三极管与散热片之间的空隙，增大它们之间的接触面积，达到更好的散热效果。

 

导热塑料中的应用：高纯度低含氧量纳米氮化铝粉体可以大幅度提高塑料的导热率。通过实验产品以1~5%的比例添加到塑料中，可以使塑料的导热率从原来的0.2提高到3，导热率提高了15倍。相比较目前市场上的导热填料(氧化铝、氧化镁、低纯度的纳米氮化铝等)具有添加量低，对制品的机械性能有提高作用，导热效果提高更明显等特点。

 

高导热硅橡胶的应用：采购与硅匹配性能好，在橡胶中容易分散，在不影响橡胶的机械性能的前提下可大幅度提升硅橡胶的导热率，在添加过程中不像氧化物等使黏度上升很快，添加量很小(根据导热要求一般在3%左右就可以使导热率提高50%~70%)，现广泛应用与军事，航空以及信息工程中。其他应用领域：高纯度低含氧量纳米氮化铝应用于熔炼有色金属和半导体材料砷化镓的坩埚、蒸发舟、热电偶的保护管、高温绝缘件、微波介电材料、耐高温及耐腐蚀结构陶瓷及透明氮化铝微波陶瓷制品，以及目前应用与聚酰亚胺树脂，导热绝缘云母带，导热脂，绝缘漆以及导热油等。

 

综上，不同填料有各自特点，选择填料时应充分利用各填料的优点，采用几种填料进行混合使用，发挥协同作用，既能达到较高的热导率，又能有效的降低成本，同时保障填料与有机硅基体的混溶性。

 

导热材料目前主要方式还是靠填充来提高导热系数，所以填充量的多少对导热系数影响至关重要。

 

氧化铝是行业里面目前应用最多的一种导热填料。我们知道导热填料在填充量比较小的的情况，因为粉体之间没有有效连接，导热系数变化不大，当填充达到一定量后，粉体与粉体之间开始接触。这时导热系数才开始大幅升高。根据大量的数据分析，大致关系如下，填充量为质量百分比：

 

填充70% 导热系数 0.5~0.9之间

 

填充80% 导热系数 0.9~1.2之间

 

填充85% 导热系数1.4~1.8之间

 

填充89% 导热系数2.0~2.3之间

 

填充90% 导热系数2.5~3.0之间

 

以上测试方法均采用标准 ASTM D5470测试方法。不同标准和不同厂家的设备之间会存在差异，以上仅作为参考。

来源：新材料产业圈

关键词： 导热材料