Progresso della ricerca sui materiali di interfaccia termica

I materiali di interfaccia termica sono principalmente composti da riempitivi e polimeri termicamente conduttivi. L'aggiunta di riempitivo termicamente conduttivo migliora la conduttività termica del polimero, pur mantenendo la buona flessibilità del polimero, il basso costo e i vantaggi di facile lavorazione e stampaggio. La conduttività termica del materiale dell'interfaccia termica dipende dalla frazione di riempitivo. Quando la frazione di carica è insufficiente, le singole particelle disperse non possono entrare in contatto con le particelle adiacenti (Figura 5 (a)) e la rete di particelle termicamente conduttive non può essere formata. Quando la frazione di riempitivo raggiunge un certo livello (soglia di percolazione), inizia a formarsi una rete termica continua (Figura 5 (b)), in modo che la conduttività termica del composito polimerico aumenterà in modo esponenziale.

Tuttavia, come preparare una conduttività termica superiore a 20 W/mK e un valore di resistenza termica dell'interfaccia inferiore a 0,01 Kcm2/W è ancora una sfida enorme. In risposta a questa difficoltà, sotto il finanziamento del National Key R&D Program-Strategic Advanced Electronic Materials Key Special Project, guidato dal ricercatore Sun Rong, dall'Istituto di tecnologia avanzata di Shenzhen, dall'Accademia cinese delle scienze e da Shanghai Jiaotong University, Southeast University, Tongji University e Suzhou Nano, Chinese Academy of Sciences L'Institute of Technology and Nano-Bionics, Ningbo Institute of Materials, Chinese Academy of Sciences e Shanghai University hanno eseguito la progettazione molecolare di materiali di interfaccia termica ad alte prestazioni, misurazione su scala micro-nano della resistenza termica dell'interfaccia e calcolo e simulazione del meccanismo di accoppiamento acustico-elettronico all'interfaccia per sviluppare materiale di interfaccia termica ad alte prestazioni. Su questa base, il materiale di interfaccia termica preparato viene applicato a dispositivi elettronici ad alta densità di potenza e viene verificata la sua tipica applicazione in dispositivi elettronici ad alta densità di potenza.

Le ceramiche hanno anche un'elevata conduttività termica e un eccellente isolamento elettrico, particolarmente adatto per aree che richiedono isolamento elettrico. Tra i riempitivi ceramici segnalati, il nitruro di boro (BN) ha una conduttività termica molto elevata e sta diventando l'oggetto di ricerca più interessante nelle applicazioni di gestione termica. Nel 2017, Zhang et al. preparato la membrana h-BN nel tempo mediante filtrazione sotto vuoto e infiltrato l'alcol polivinilico polimero solubile in acqua nell'h-BN per formare un materiale composito h-BN/alcol polivinilico. Il processo di preparazione è mostrato nella Figura 6 (a). Quando il contenuto di h-BN è del 27% vol, la conduttività termica massima nel piano e fuori piano può raggiungere rispettivamente 8,44 W/m·K e 1,63 W/m·K (Figura 6 (b)). Inoltre, Yu et al. compositi h-BN/poliuretano termoplastico preparati mediante pressatura a caldo sotto vuoto. Quando il contenuto di h-BN è del 95% in peso, la conduttività termica nel piano del materiale composito è pari a 50,3 W/m·K, il che è coerente con i risultati riportati da Fu et al.

I metalli hanno un'elevata conduttività termica intrinseca dovuta all'uso di elettroni come vettori di calore e sono diventati un riempitivo termicamente conduttivo comunemente usato per i materiali di interfaccia termica. Ad esempio, Xu et al. ha utilizzato il metodo di elettrodeposizione per preparare una rete termicamente conduttiva di Ag altamente orientato. Il materiale di interfaccia termica da esso preparato ha una conduttività termica di 30,3 W/m·K, che è molto più elevata del composito polimerico preparato con il metodo della dispersione casuale (1,4 W/m·K). Wang et al. hanno scoperto che a parità di contenuto di carica (0,9 peso%), i nanofili di rame hanno una maggiore capacità di migliorare la conduttività termica dei polimeri rispetto ai nanofili d'argento. Inoltre, è molto importante come ridurre la resistenza termica dell'interfaccia tra il metallo e il polimero. Migliorare la modifica delle molecole organiche o dei riempitivi inorganici sulla superficie del metallo può aumentare la forza di interazione tra il metallo e il polimero e quindi ridurre l'interfaccia tra il metallo e il polimero. Resistenza termica, migliora la conduttività termica dei compositi polimerici. Inoltre, Jeong et al. ha recentemente introdotto il concetto di carica metallica liquida nella matrice PDMS al fine di creare un corpo termoelastico con elevata conducibilità termica, elasticità ed allungabilità. Esiste un'altra importante direzione di ricerca sui materiali di interfaccia termica a base di metallo: i materiali di interfaccia termica continua a base di metallo. Ad esempio, le leghe a base di Sn-Ag-Cu o Sn-Bi possono essere utilizzate come saldature standard senza piombo negli imballaggi elettronici e sono spesso utilizzate come materiali di interfaccia termica. I suoi vantaggi sono l'elevata conduttività termica, la bassa resistenza termica dell'interfaccia, l'elevata affidabilità e il basso costo. Il metallo liquido è un materiale di interfaccia termica che ha attirato molta attenzione negli ultimi anni. Il suo componente principale è il gallio metallico (Ga) e le sue leghe. Presenta i vantaggi di un basso punto di fusione, una buona bagnabilità con i trucioli e una bassa resistenza termica dell'interfaccia. Tuttavia, come evitare che trabocchi è il problema e la sfida più grandi per i materiali di interfaccia termica a base di metallo liquido.