發(fā)布時(shí)間：2021-06-12 00:10

　　隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展,電子元件的散熱問(wèn)題成為制約電子設(shè)備集成化發(fā)展的重要原因之一。熱界面材料可以填充于發(fā)熱元件與散熱器之間,起到驅(qū)除間隙空氣,促進(jìn)界面熱傳導(dǎo)的作用。本文以金剛石顆粒為導(dǎo)熱填料,以環(huán)氧樹(shù)脂、硅橡膠為基體,采用熱熔膠膜法及共混法制備熱界面材料。通過(guò)對(duì)試樣的微觀形貌、導(dǎo)熱性能、力學(xué)性能等進(jìn)行表征,研究金剛石填料填充量、填料粒徑、基體種類(lèi)、制備方法以及復(fù)配填充等因素對(duì)材料綜合性能的影響,并采用有限元數(shù)值模擬的方法計(jì)算材料的導(dǎo)熱系數(shù),與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。研究結(jié)果表明,對(duì)于填充單一粒徑填料的熱界面材料,隨著金剛石填料填充量的增加,環(huán)氧樹(shù)脂基和硅橡膠基復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)均為先增大后減小。當(dāng)填充量為70 wt.%時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到最大值,為1.18 W/（m?K）。再進(jìn)一步增加填充量,導(dǎo)熱系數(shù)反而會(huì)出現(xiàn)下降。隨著金剛石填料粒徑的增大,材料的導(dǎo)熱系數(shù)整體呈上升趨勢(shì),但在5μm和10μm范圍內(nèi)出現(xiàn)下降。對(duì)于使用熱熔膠膜法制備的試樣,在60wt.%填充量時(shí),平行鋪層方向上導(dǎo)熱系數(shù)最大,為0.97 W/（m?K）,相對(duì)于共混法樣品提高了24%,有利于材料在較低填充量時(shí)獲得更高的導(dǎo)熱性能。... 

【文章來(lái)源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

電子設(shè)備散熱結(jié)構(gòu)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文4熱網(wǎng)鏈優(yōu)先進(jìn)行傳遞[23][24]。由于填料的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于基體，所以當(dāng)熱量沿填料之間的導(dǎo)熱網(wǎng)鏈傳遞時(shí)，會(huì)使復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)整體大幅提升。在目前有關(guān)熱界面材料導(dǎo)熱機(jī)理的研究中，導(dǎo)熱網(wǎng)鏈理論的認(rèn)可度最高，而熱界面材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也大多是以該理論為基矗圖1-2導(dǎo)熱網(wǎng)鏈?zhǔn)疽鈭D[28]Du等[25]以聚丙烯為基體，分別填充微米級(jí)和納米級(jí)氮化硼顆粒，填充量為0wt.%~9wt.%，通過(guò)觀察材料的微觀形貌和測(cè)量材料導(dǎo)熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著填充量的增加，填料之間相互接觸形成導(dǎo)熱網(wǎng)鏈，從而使材料的導(dǎo)熱系數(shù)明顯提升。Rusu等[26]以高密度聚乙烯為基體，鐵粉為填料，研究0vol.%~24vol.%填充范圍內(nèi)，材料的性能變化。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，未考慮導(dǎo)熱網(wǎng)鏈影響，當(dāng)填充量小于20vol.%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量值與理論值擬合較好，當(dāng)填充量大于20vol.%時(shí)，實(shí)驗(yàn)值明顯大于理論值，可以認(rèn)為材料體系從20vol.%開(kāi)始形成導(dǎo)熱網(wǎng)鏈。Shin等[27]以高密度聚乙烯為基體，氮化硼為填料，研究填料填充量和粒徑對(duì)復(fù)合材料熱性能的影響。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨填充量和填料尺寸的增加而增大，而這種性能的提升也主要是因?yàn)椴牧现行纬闪擞行У膶?dǎo)熱網(wǎng)鏈。（2）逾滲理論由于材料的電導(dǎo)率和導(dǎo)熱系數(shù)具有相關(guān)性，所以也可以逾滲理論來(lái)解釋填充型聚合物的導(dǎo)熱性能。即當(dāng)填料的填充量增加到逾滲臨界值時(shí)，材料的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)出現(xiàn)急劇上升。但該理論在實(shí)際使用中存在困難，主要是因?yàn)閷?duì)于導(dǎo)電材料，基體和填料的電導(dǎo)率相差可達(dá)109倍，而對(duì)于導(dǎo)熱材料，基體和填料的導(dǎo)熱系數(shù)往往最大僅相差103倍，二者差異相對(duì)不明顯，因此導(dǎo)熱系數(shù)的逾滲轉(zhuǎn)折點(diǎn)并不突出，難以觀測(cè)和計(jì)算。Wang等[28]以聚丙烯酸酯為基體，分別填充不同長(zhǎng)徑比的銅納米線，研究?

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文5數(shù)就出現(xiàn)了明顯轉(zhuǎn)折，達(dá)到2.46W/mK，相對(duì)基體提升了14倍。由此可知，長(zhǎng)徑比越大的填料，相對(duì)更容易產(chǎn)生導(dǎo)熱逾滲現(xiàn)象，對(duì)材料導(dǎo)熱性能的提升越明顯。Su等[30]等以聚二甲基硅氧烷為基體，碳納米管為填料，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)填充量?jī)H為1.4vol.%時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)提升了4倍，導(dǎo)熱性能的急劇提高可以用逾滲理論很好地解釋。Kim等[31]研究了片狀銀粉填充熱固性聚合物復(fù)合材料在不同填充量時(shí)的電阻率和導(dǎo)熱系數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，考慮逾滲機(jī)制影響時(shí)，電阻率相對(duì)于導(dǎo)熱系數(shù)，與理論值擬合較好。并且還發(fā)現(xiàn)當(dāng)填料的平均尺寸較小或者尺寸分布較寬時(shí)，逾滲臨界值越校（3）熱彈性復(fù)合增強(qiáng)機(jī)理導(dǎo)電材料的電導(dǎo)率隨填料粒徑的減小而增大，但填充型導(dǎo)熱聚合物則與之相反，導(dǎo)熱系數(shù)隨填料粒徑的減小而減校為了更好地解釋這種變化，提出了熱彈性組合增強(qiáng)機(jī)理。綜合分析各種固體絕緣材料的導(dǎo)熱性能發(fā)現(xiàn)，材料的導(dǎo)熱系數(shù)變化規(guī)律與彈性模量類(lèi)似，因此可以將材料的導(dǎo)熱系數(shù)視為熱量傳遞過(guò)程中的熱彈性系數(shù)[32]。所以填充型導(dǎo)熱聚合物導(dǎo)熱性能的提升可以理解為，高導(dǎo)熱系數(shù)的填料增強(qiáng)體對(duì)聚合物基體的復(fù)合增強(qiáng)作用[33]。以該理論為基礎(chǔ)，材料的導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)隨填料填充量的增加而逐步提高，并非跳躍式上升，這也更好地解釋了未出現(xiàn)導(dǎo)熱逾滲值的材料的導(dǎo)熱性能變化。圖1-3熱彈性組合增強(qiáng)機(jī)理示意圖[33]1.2.2導(dǎo)熱模型與實(shí)驗(yàn)研究相比，熱界面材料的理論研究進(jìn)展相對(duì)緩慢。由于熱界面材料具有復(fù)雜的導(dǎo)熱機(jī)理，影響因素較多，近年來(lái)提出的導(dǎo)熱模型并不具有普適性，與實(shí)驗(yàn)


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