Termiskās saskarnes materiālu izpētes gaita

Termiskās saskarnes materiāli galvenokārt sastāv no siltumvadītspējīgām pildvielām un polimēriem. Siltumvadošas pildvielas pievienošana uzlabo polimēra siltumvadītspēju, vienlaikus saglabājot polimēra' labo elastību, zemas izmaksas un vieglas apstrādes un formēšanas priekšrocības. Termiskās saskarnes materiāla siltumvadītspēja ir atkarīga no pildvielas frakcijas. Ja pildvielas frakcija ir nepietiekama, izkliedētās atsevišķās daļiņas nevar nonākt saskarē ar blakus esošajām daļiņām (5. attēls (a)), un nevar izveidoties siltumvadīto daļiņu tīkls. Kad pildvielas frakcija sasniedz noteiktu līmeni (perkolācijas slieksni), sāk veidoties nepārtraukts siltuma tīkls (5 (b) attēls), tādējādi polimēra kompozīta siltumvadītspēja pieaugs eksponenciāli.

Tomēr, kā sagatavot siltumvadītspēju vairāk nekā 20 W/mK un saskarnes termiskās pretestības vērtību, kas mazāka par 0,01 Kcm2/W, joprojām ir milzīgs izaicinājums. Reaģējot uz šīm grūtībām, saskaņā ar Nacionālās atslēgas R&D programmas stratēģisko progresīvo elektronisko materiālu atslēgas īpašo projektu, ko vadīja pētnieks Sun Rong, Šeņdžeņas Uzlaboto tehnoloģiju institūts, Ķīnas Zinātņu akadēmija un Šanhajas Dzjaotonga. Universitāte, Dienvidaustrumu universitāte, Tongji universitāte un Suzhou Nano, Ķīnas Zinātņu akadēmija Tehnoloģiju un nanobionikas institūts, Ningbo Materiālu institūts, Ķīnas Zinātņu akadēmija un Šanhajas universitāte ir veikuši augstas veiktspējas termiskās saskarnes materiālu molekulāro projektēšanu, Interfeisa termiskās pretestības mērīšana mikro-nano mērogā un akustiski elektroniskā savienojuma mehānisma aprēķins un simulācija saskarnē, lai izstrādātu augstas veiktspējas termiskās saskarnes materiālu. Pamatojoties uz to, sagatavotais termiskās saskarnes materiāls tiek uzklāts uz liela jaudas blīvuma elektroniskām ierīcēm, un tiek pārbaudīts tā tipiskais pielietojums liela jaudas blīvuma elektroniskajās ierīcēs.

Keramikai ir arī augsta siltumvadītspēja un lieliska elektroizolācija, kas ir īpaši piemērota vietām, kur nepieciešama elektroizolācija. No keramikas pildvielām, par kurām ziņots, bora nitrīdam (BN) ir ļoti augsta siltumvadītspēja, un tas kļūst par vispievilcīgāko pētniecības objektu siltuma pārvaldības lietojumos. 2017. gadā Džans u.c. savlaicīgi sagatavoja h-BN membrānu ar vakuuma filtrēšanu un infiltrēja ūdenī šķīstošo polimēru polivinilspirtu h-BN, veidojot h-BN / polivinilspirta kompozītmateriālu. Sagatavošanas process ir parādīts 6(a) attēlā. Ja h-BN saturs ir 27 tilp.%, maksimālā siltumvadītspēja plaknē un ārpus plaknes var sasniegt attiecīgi 8,44 W/m·K un 1,63 W/m·K (6. b) attēls. Turklāt Yu et al. sagatavoti h-BN/termoplastiskie poliuretāna kompozītmateriāli, izmantojot vakuuma karsto presēšanu. Ja h-BN saturs ir 95 masas%, kompozītmateriāla siltumvadītspēja plaknē ir 50, 3 W / m · K, kas atbilst Fu et al ziņotajiem rezultātiem.

Metāliem ir augsta iekšējā siltumvadītspēja, jo elektroni tiek izmantoti kā siltumnesēji, un tie ir kļuvuši par plaši izmantotu siltumvadošu pildvielu termiskās saskarnes materiāliem. Piemēram, Xu et al. izmantoja elektrodepozīcijas metodi, lai sagatavotu augsti orientētu Ag siltumvadošu tīklu. Tā sagatavotā termiskās saskarnes materiāla siltumvadītspēja ir 30,3 W/m·K, kas ir daudz augstāka nekā polimēru kompozītam, kas izgatavots ar nejaušās dispersijas metodi (1,4 W /m·K). Wang et al. atklāja, ka ar tādu pašu pildvielu saturu (0,9 masas%) vara nanovadiem ir lielāka spēja uzlabot polimēru siltumvadītspēju nekā sudraba nanovadiem. Turklāt ļoti svarīgi ir tas, kā samazināt saskarnes termisko pretestību starp metālu un polimēru. Organisko molekulu vai neorganisko pildvielu modifikācijas uzlabošana uz metāla virsmas var palielināt mijiedarbības spēku starp metālu un polimēru un pēc tam samazināt saskarni starp metālu un polimēru. Siltumizturība, uzlabo polimēru kompozītmateriālu siltumvadītspēju. Turklāt Jeong et al. nesen ieviesa šķidrā metāla pildvielas jēdzienu PDMS matricā, lai izveidotu termoelastīgu korpusu ar augstu siltumvadītspēju, elastību un stiepjamību. Ir vēl viens svarīgs metāla termiskās saskarnes materiālu pētniecības virziens — nepārtraukti uz metālu balstīti termiskās saskarnes materiāli. Piemēram, Sn-Ag-Cu sakausējumus vai Sn-Bi var izmantot kā standarta bezsvina lodmetālus elektroniskajā iepakojumā, un tos bieži izmanto kā termiskās saskarnes materiālus. Tās priekšrocības ir augsta siltumvadītspēja, zema saskarnes termiskā pretestība, augsta uzticamība un zemas izmaksas. Šķidrais metāls ir termiskās saskarnes materiāls, kas pēdējos gados ir piesaistījis lielu uzmanību. Tās galvenā sastāvdaļa ir metāliskais gallijs (Ga) un tā sakausējumi. Tam ir zemas kušanas temperatūras priekšrocības, laba mitrināmība ar skaidām un zema saskarnes termiskā pretestība. Tomēr, kā novērst tā pārplūdi, lielākā problēma un izaicinājums ir šķidro metālu bāzes termiskās saskarnes materiāliem.