Pokrok ve výzkumu materiálů tepelného rozhraní
Materiály tepelného rozhraní se skládají hlavně z tepelně vodivých plniv a polymerů. Přidání tepelně vodivého plniva zlepšuje tepelnou vodivost polymeru, přičemž zachovává dobrou flexibilitu polymeru', nízké náklady a výhody snadného zpracování a tvarování. Tepelná vodivost materiálu tepelného rozhraní závisí na frakci plniva. Když je frakce plniva nedostatečná, dispergované jednotlivé částice se nemohou dostat do kontaktu se sousedními částicemi (obrázek 5(a)) a nemůže se vytvořit tepelně vodivá síť částic. Když frakce plniva dosáhne určité úrovně (práh perkolace), začne se vytvářet souvislá tepelná síť (obrázek 5(b)), takže tepelná vodivost polymerního kompozitu exponenciálně vzroste.
Jak však připravit tepelnou vodivost vyšší než 20 W/mK a hodnotu tepelného odporu rozhraní nižší než 0,01 Kcm2/W, je stále obrovskou výzvou. V reakci na tyto potíže, v rámci financování programu National Key R&D Program-Strategic Advanced Electronic Materials Key Special Project, vedeného výzkumníkem Sun Rongem, Shenzhen Institute of Advanced Technology, Čínské akademie věd a Shanghai Jiaotong Univerzita, Jihovýchodní univerzita, Univerzita Tongji a Suzhou Nano, Čínská akademie věd Institut technologie a nanobioniky, Ústav materiálů Ningbo, Čínská akademie věd a Šanghajská univerzita provedly molekulární návrh vysoce výkonných materiálů pro tepelné rozhraní, měření tepelného odporu rozhraní v mikronanoměřítku a výpočet a simulace akusticko-elektronického spojovacího mechanismu na rozhraní za účelem vývoje vysoce výkonného materiálu tepelného rozhraní. Na tomto základě je připravený materiál tepelného rozhraní aplikován na elektronická zařízení s vysokou hustotou výkonu a je ověřena jeho typická aplikace v elektronických zařízeních s vysokou hustotou výkonu.
Keramika má také vysokou tepelnou vodivost a vynikající elektrickou izolaci, což je vhodné zejména pro oblasti vyžadující elektrickou izolaci. Mezi keramickými plnivy, která byla popsána, má nitrid boru (BN) velmi vysokou tepelnou vodivost a stává se nejatraktivnějším výzkumným objektem v aplikacích tepelného managementu. V roce 2017 Zhang a kol. připravil h-BN membránu včas vakuovou filtrací a infiltroval ve vodě rozpustný polymer polyvinylalkohol do h-BN za vzniku kompozitního materiálu h-BN/polyvinylalkohol. Proces přípravy je znázorněn na obrázku 6(a). Když je obsah h-BN 27 % obj., může maximální tepelná vodivost v rovině a mimo rovinu dosáhnout 8,44 W/m·K a 1,63 W/m·K (obrázek 6(b)). Kromě toho Yu a kol. připravené h-BN/termoplastické polyuretanové kompozity pomocí vakuového lisování za tepla. Když je obsah h-BN 95 % hmotn., je tepelná vodivost kompozitního materiálu v rovině až 50,3 W/m.K, což je v souladu s výsledky uváděnými Fu et al.
Kovy mají vysokou vnitřní tepelnou vodivost díky použití elektronů jako nosičů tepla a staly se běžně používaným tepelně vodivým plnivem pro materiály tepelného rozhraní. Například Xu a kol. použil metodu elektrodepozice k přípravě vysoce orientované Ag tepelně vodivé sítě. Jím připravený materiál tepelného rozhraní má tepelnou vodivost 30,3 W/m·K, což je mnohem vyšší hodnota než u polymerního kompozitu připraveného metodou náhodné disperze (1,4 W /m·K). Wang a kol. zjistili, že při stejném obsahu plniva (0,9 % hmotn.) mají měděné nanodrátky vyšší schopnost zlepšit tepelnou vodivost polymerů než stříbrné nanodrátky. Kromě toho je velmi důležité, jak snížit tepelný odpor rozhraní mezi kovem a polymerem. Zlepšení modifikace organických molekul nebo anorganických plniv na kovovém povrchu může zvýšit interakční sílu mezi kovem a polymerem a následně snížit rozhraní mezi kovem a polymerem. Tepelný odpor, zlepšit tepelnou vodivost polymerních kompozitů. Kromě toho Jeong a kol. nedávno představil koncept tekutého kovového plniva v matrici PDMS za účelem vytvoření termoelastického tělesa s vysokou tepelnou vodivostí, elasticitou a roztažností. Existuje další důležitý směr výzkumu materiálů pro tepelná rozhraní na bázi kovu – kontinuální materiály tepelného rozhraní na bázi kovu. Například slitiny na bázi Sn-Ag-Cu nebo Sn-Bi lze použít jako standardní bezolovnaté pájky v elektronických obalech a často se používají jako materiály tepelného rozhraní. Jeho předností je vysoká tepelná vodivost, nízký tepelný odpor rozhraní, vysoká spolehlivost a nízká cena. Tekutý kov je materiál tepelného rozhraní, který v posledních letech přitahuje velkou pozornost. Jeho hlavní složkou je kovové gallium (Ga) a jeho slitiny. Má výhody nízkého bodu tání, dobré smáčivosti třískami a nízkého tepelného odporu na rozhraní. Největším problémem a výzvou pro materiály tepelného rozhraní na bázi tekutého kovu je však to, jak zabránit jeho přetečení.
