Pokrok vo výskume materiálov tepelného rozhrania
Materiály tepelného rozhrania sa skladajú hlavne z tepelne vodivých plnív a polymérov. Pridanie tepelne vodivého plniva zlepšuje tepelnú vodivosť polyméru, pričom zachováva dobrú flexibilitu polyméru', nízke náklady a výhody ľahkého spracovania a tvarovania. Tepelná vodivosť materiálu tepelného rozhrania závisí od frakcie plniva. Keď je frakcia plniva nedostatočná, dispergované jednotlivé častice sa nemôžu dostať do kontaktu so susednými časticami (obrázok 5(a)) a nemôže sa vytvoriť tepelne vodivá sieť častíc. Keď frakcia plniva dosiahne určitú úroveň (perkolačný prah), začne sa vytvárať súvislá tepelná sieť (obrázok 5(b)), takže tepelná vodivosť polymérneho kompozitu sa bude exponenciálne zvyšovať.
Ako však pripraviť tepelnú vodivosť vyššiu ako 20 W/mK a hodnotu tepelného odporu rozhrania nižšiu ako 0,01 Kcm2/W je stále obrovskou výzvou. V reakcii na tento problém, v rámci financovania špeciálneho projektu National Key R&D Program-Strategic Advanced Electronic Materials Key, vedeného výskumníkom Sun Rongom, Shenzhen Institute of Advanced Technology, Čínskej akadémie vied a Shanghai Jiaotong Univerzita, Juhovýchodná univerzita, Univerzita Tongji a Suzhou Nano, Čínska akadémia vied Inštitút technológie a nanobioniky, Inštitút materiálov Ningbo, Čínska akadémia vied a Univerzita v Šanghaji vykonali molekulárny dizajn vysokovýkonných materiálov tepelného rozhrania, meranie tepelného odporu rozhrania v mikronanoúrovni a výpočet a simulácia akusticko-elektronického spojovacieho mechanizmu na rozhraní s cieľom vyvinúť vysokovýkonný materiál tepelného rozhrania. Na tomto základe sa pripravený materiál tepelného rozhrania aplikuje na elektronické zariadenia s vysokou hustotou výkonu a overí sa jeho typická aplikácia v elektronických zariadeniach s vysokou hustotou výkonu.
Keramika má tiež vysokú tepelnú vodivosť a výbornú elektrickú izoláciu, čo je vhodné najmä do priestorov vyžadujúcich elektrickú izoláciu. Spomedzi keramických plnív, ktoré boli uvedené, má nitrid bóru (BN) veľmi vysokú tepelnú vodivosť a stáva sa najatraktívnejším výskumným objektom v aplikáciách tepelného manažmentu. V roku 2017 Zhang a spol. včas pripravil h-BN membránu vákuovou filtráciou a infiltroval vo vode rozpustný polymér polyvinylalkohol do h-BN za vzniku kompozitného materiálu h-BN/polyvinylalkohol. Proces prípravy je znázornený na obrázku 6(a). Keď je obsah h-BN 27 obj. %, maximálna tepelná vodivosť v rovine a mimo rovinu môže dosiahnuť 8,44 W/m·K a 1,63 W/m·K, v danom poradí (obrázok 6(b)). Okrem toho Yu a spol. pripravené h-BN/termoplastické polyuretánové kompozity pomocou vákuového lisovania za tepla. Keď je obsah h-BN 95 % hmotn., tepelná vodivosť kompozitného materiálu v rovine je až 50,3 W/m.K, čo je v súlade s výsledkami uvádzanými Fu et al.
Kovy majú vysokú vnútornú tepelnú vodivosť vďaka použitiu elektrónov ako nosičov tepla a stali sa bežne používaným tepelne vodivým plnivom pre materiály tepelného rozhrania. Napríklad Xu a kol. použil metódu elektrodepozície na prípravu vysoko orientovanej Ag tepelne vodivej siete. Ním pripravený materiál tepelného rozhrania má tepelnú vodivosť 30,3 W/m·K, čo je oveľa viac ako polymérny kompozit pripravený metódou náhodnej disperzie (1,4 W /m·K). Wang a kol. zistili, že pri rovnakom obsahu plniva (0,9 % hmotn.) majú medené nanodrôty vyššiu schopnosť zlepšiť tepelnú vodivosť polymérov ako strieborné nanodrôty. Okrem toho je veľmi dôležité, ako znížiť tepelný odpor rozhrania medzi kovom a polymérom. Zlepšenie modifikácie organických molekúl alebo anorganických plnív na povrchu kovu môže zvýšiť interakčnú silu medzi kovom a polymérom a potom znížiť rozhranie medzi kovom a polymérom. Tepelný odpor zlepšuje tepelnú vodivosť polymérnych kompozitov. Okrem toho Jeong a spol. nedávno predstavil koncept tekutého kovového plniva v matrici PDMS s cieľom vytvoriť termoelastické teleso s vysokou tepelnou vodivosťou, elasticitou a rozťažnosťou. Existuje ďalší dôležitý smer výskumu materiálov tepelného rozhrania na báze kovu - kontinuálne materiály tepelného rozhrania na báze kovu. Napríklad zliatiny na báze Sn-Ag-Cu alebo Sn-Bi možno použiť ako štandardné bezolovnaté spájky v elektronických obaloch a často sa používajú ako materiály tepelného rozhrania. Jeho výhodami sú vysoká tepelná vodivosť, nízky tepelný odpor rozhrania, vysoká spoľahlivosť a nízka cena. Tekutý kov je materiál tepelného rozhrania, ktorý v posledných rokoch priťahuje veľkú pozornosť. Jeho hlavnou zložkou je kovové gálium (Ga) a jeho zliatiny. Má výhody nízkej teploty topenia, dobrej zmáčavosti trieskami a nízkeho tepelného odporu na rozhraní. Ako zabrániť jeho pretečeniu je však najväčším problémom a výzvou pre materiály tepelného rozhrania na báze tekutých kovov.
