西北工业大学周永存副教授《ES Materials & Manufacturing》（封面） 综述文章：热界面材料研究进展

作者|老酒高分子 来源|高分子科技(ID：Polymer-China)

2020年3月，Engineered Science旗下杂志《ES Materials & Manufacturing》在线发表了西北工业大学材料学院周永存副教授的最新综述论文 “Recent Advances in Thermal Interface Materials” (文章号：ES Mater. Manuf., 2020, 7, 4-24)，详细地阐述了热界面材料(TIM)的最新研究进展，讨论了基于流变学的建模和设计以及导热填料对复合材料性能的影响，为热界面材料的设计及应用提供了理论基础和实践指导。该论文被选为ESMM期刊第7卷的封面文章 (DOI: 10.30919/esmm5f717).

近年来，小型化和集成化已经成为电子设备的发展趋势。随着电子设备功率的不断增加，产生的热量也急剧增加。热界面材料 (TIM) (图1)可以有效提升两个固体界面之间的热传递，并且可以在电子设备的性能、使用寿命和稳定性方面起着重要作用，譬如过高的温度会危及半导体的结点，损伤电路的连接界面，增加导体的阻值和造成机械应力损伤。因此确保发热电子元器件所产生的热量能够及时的排出，己经成为微电子产品系统组装的一个重要方面，而对于集成程度和组装密度都较高的便携式电子产品，散热甚至成为了整个产品的技术瓶颈问题。微电子领域的一门新兴学科——热管理，专门研究各种电子设备的安全散热方式、散热设备及所使用的材料。由于热界面材料 (TIM)要有更好的热管理性能，所以热界面材料TIM材料拥有广泛的应用前景，如何达到热界面材料 (TIM) 的创新和优化也成为当前的研究热点。

图1：热界面材料 (TIM)实体

由于界面粗糙度的存在，当两个固体界面相接触时，只有相当少的几个点在界面之间能形成实际接触。由于空气的热导率相较于材料本身要低四个数量级，所以绝大部分的热量传递的只有依托于实际接触的有限个点。而一般由柔软材料制成的热界面材料 (TIM) 可以很大程度上解决这个问题(图2)，它可以填充两个表面之间的空隙，从而增加有效接触面积。配合热界面材料 (TIM) 自身的高导热率，可以很好的解决材料接触界面的热传导不顺畅的问题。

图2：( a)热界面材料 (TIM)填充界面空隙，增加有效接触面积 ( b)热界面材料 (TIM)实际导热示意图

在实际材料的制备中，一个重要的影响因素就是导电填料的占比分数，因为虽然高填充率可以显著提升材料的导热能力，但是成本的提高和机械性能的降低就将成为阻碍TIM材料应用的缺陷。在一定浓度条件下，导电颗粒将会与其相邻的颗粒发生接触，从而形成导电颗粒网络，这种导电网络称为渗滤，填料可以有效导电的临界浓度称为渗滤阈值。研究发现，添加超过渗滤阈值的导电填料的热界面材料(TIM)(图3(b))相比于少量添加的热界面材料(TIM)(图3(a))，极大地提高了热界面材料(TIM)的导热系数。同时，添加高横纵比填料(图3(c))或不同尺寸填料(图3(d))的热界面材料(TIM)可以帮助降低到达渗滤阈值时的填充比，从而更好地保留基体材料的机械性能同时降低生产成本。

图3：( a) TIM ( b) TIM渗滤 ( c)高横纵比填料TIM渗滤 ( d)不同尺寸填料TIM渗滤

随着TIM研究的发展，碳纳米管导热界面材料的应用也有很广泛的前景。虽然碳纳米管(CNT)作为热界面材料(TIM)中的填料有一定的局限性，但垂直排列的跨越基板间隙的碳纳米管(CNT)阵列排列可以很大程度上消除材料的内部界面，这是一种在热界面材料(TIM)中应用CNT的实用方法。可以通过在基体上直接生长的办法制备包含CNT的TIM复合材料，可以结合不同工艺方法和性能要求选择不同的制备方式(图4)。

图4：碳纳米管阵列界面结构示意图( a)单界面 ( b)双界面 ( c) CNT涂层箔片接口 ( d) CNT以金属键或化学键与基板结合

同时许多研究表明，一些填充了高导热、低损耗陶瓷材料的聚合物非常适合用于电子元器件封装方向。该论文对目前存在的问题进行了讨论，对热界面材料(TIM)的未来研究方向进行了展望。

通过回顾世界范围内有关热界面材料(TIM)的导热性和表面改性的研究现状分析发现，未来的建模工作将集中在界面壳层上，以操纵和调节纳米填料颗粒与聚合物基质之间的相互作用。同时新材料的研发应注重填料含量的降低以保证热界面材料(TIM)材料的机械性能不会降低明显。伴随电子设备集成化和小型化的发展趋势，研究者对热界面材料(TIM)的探索是无止境的，目前的研究方法(通过对填料材料进行表面改性来提高复合材料的热导率)在未来一段时间内仍是主流研究方向。

未来的理想热界面材料将具有高导热、高柔韧、高绝缘、应用简便、适用性广的特点，能保证在较低安装压力条件下热界面此材料能够最充分地填充接触表面的空隙，保证热界面材料与接触面间的接触热阻很小。对于高性能的追求仍将是对热界面材料 (TIM) 未来的主要挑战。

西北工业大学周永存副教授为该论文的第一作者和通讯作者。合作者还有中科院深圳先进纳米研究院的朱朋莉研究员，中南大学的吴飞翔教授，西工大刘峰教授，以及路易斯安那州泽维尔大学的Zhe Wang副教授、田纳西大学的Zhanhu Guo副教授为共同通讯作者。该论文得到国家自然科学基金以及太仓市创新人才计划等项目资助。

论文链接：

http://www.espublisher.com/espub/vip_doc/16700854.html

编者按：本文转载自微信公众号：高分子科技(ID：Polymer-China) ，作者：老酒高分子