热界面材料发展现状与对策(2)
新型碳纳米管基热界面材料。中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所团队将高导电、高导热的铜纳米线引入碳纳米管纸,由两种纳米线组成的互穿三维网络最终成功实现10W/m·K的热导率和超过105S/m的电导率。
三维立体网络结构热界面材料。中国科学院合肥物质科学研究院开发了基于石墨片-碳化硅的聚合物复合基板、石墨烯/氮化硼-改性环氧树脂复合基板、石墨烯环氧树脂复合基板等导热网络结构,热导率最高达到14.47W/m·K。
垂直排列石墨烯结构热界面材料。中国科学院宁波材料技术与工程研究所对抽滤的石墨烯纸施加横向机械力,使石墨烯具有褶皱结构,然后施加压力得到密实的石墨烯导热垫,使得石墨烯纸的取向由水平变成垂直,实现了石墨烯纸水平传热到垂直传热的转变,得到高热导率(100W/m·K)低压缩模量(0.87)的热界面材料。
在产业方面,我国生产的热界面材料约占全球20%的市场份额,保守预计2021年将超2亿美元。相比于国外热界面材料知名企业,我国热界面材料生产企业的规模普遍较小,同质性强,技术含量不高,缺少高端产品,未形成产品的系列化和产业化,多在价格上开展竞争,利润空间日益缩小。仅有少数企业具备自主研发和生产中高端产品的能力,可以提供导热应用解决方案。
四、进一步需要解决的主要技术问题
导热聚合物基复合材料具有低密度、优良的介电性能、原材料价格低廉及容易加工等优点,但聚合物基导热复合材料的热导率偏低。将无机纳米材料如氧化铝、氮化铝、碳化硅、氮化硼以及碳纳米管等作为填料,可以有效改善聚合物材料的热导率,但无机填料会使聚合物材料变脆、变硬。目前针对这个问题还没有很好的解决方案,国际国内基本站在同一起跑线。
金属基复合材料综合了金属基体优良的导热性、可加工性和增强体高导热、低热膨胀的性能优点。铝基、铜基和银基的金刚石、石墨烯等复合材料是目前应用最为广泛的,但是这些金属基体与金刚石或石墨烯之间润湿性较差,界面效应成为制约其性能提升的瓶颈。
理想的热界面材料应具有的特性是:高热导性、高柔韧性、表面润湿性、适当的黏性、高压力敏感性、冷热循环稳定性好、可重复使用等。因此,需要进一步解决的问题:
一是在聚合物基复合材料的设计方面,需要更先进的增强体设计,在保证力学性能的前提下,提高热传导性能;
二是在材料的制备与加工方面,需要改善填料、增强体与基体的界面结合,获得理想的复合材料构型;
三是在基础理论研究方面,需要进一步深入理解多尺度上的声子热传导、载流子传导机制、声子-电子耦合机制、界面处复杂的电子与声子传输机制等,为热界面材料的设计提供理论依据。
五、对策建议
一是加强资源整合。通过政策引导等方式,加强对相关研发和产业资源的整合,形成完整的上下游创新链、产业链,走专业化发展道路,推动热界面关键材料,特别是上游原材料的快速突破,以满足我国电子工业发展的需求。
二是加快专利布局。引导大学、研究院所、企业根据其不同的优势特点,在全产业链布局核心专利,建立对核心专利的保护网,巩固我国在此方向的技术及知识产权地位,突破国际技术专利壁垒。
三是完善创新平台。目前,在国家重点研发计划专项的引导下,国内部分热管理科研单位已成立“热管理技术联盟”。进一步应吸引国内外优势企业,特别是热管理需求单位加入,建立技术、人才、项目、应用的交流合作机制,推动创新资源融合和共享。
文章来源:《电子元件与材料》 网址: http://www.dzyjyclzz.cn/qikandaodu/2021/0625/705.html
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