Postęp badań nad materiałami termoprzewodzącymi
Materiały termoprzewodzące składają się głównie z wypełniaczy i polimerów przewodzących ciepło. Dodatek wypełniacza przewodzącego ciepło poprawia przewodność cieplną polimeru, zachowując przy tym dobrą elastyczność polimeru', niski koszt oraz zalety łatwego przetwarzania i formowania. Przewodność cieplna materiału interfejsu termicznego zależy od frakcji wypełniacza. Gdy frakcja wypełniacza jest niewystarczająca, rozproszone pojedyncze cząstki nie mogą wejść w kontakt z sąsiednimi cząstkami (rysunek 5(a)) i nie można utworzyć sieci cząstek przewodzących ciepło. Gdy frakcja wypełniacza osiągnie pewien poziom (próg przenikania), zaczyna tworzyć się ciągła sieć cieplna (rysunek 5(b)), tak że przewodność cieplna kompozytu polimerowego wzrośnie wykładniczo.
Jednak, jak przygotować przewodność cieplną większą niż 20 W/mK i graniczną wartość oporu cieplnego mniejszą niż 0,01 Kcm2/W, nadal jest ogromnym wyzwaniem. W odpowiedzi na tę trudność, w ramach finansowania National Key R&i D Program-Strategic Advanced Electronic Materials Key Special Project, kierowanego przez naukowca Sun Ronga, Shenzhen Institute of Advanced Technology, Chińska Akademia Nauk i Shanghai Jiaotong Uniwersytet, Uniwersytet Południowo-Wschodni, Uniwersytet Tongji i Suzhou Nano, Chińska Akademia Nauk Instytut Technologii i Nano-Bioniki, Instytut Materiałów Ningbo, Chińska Akademia Nauk i Uniwersytet w Szanghaju przeprowadzili projektowanie molekularne wysokowydajnych materiałów termoprzewodzących, pomiar oporności termicznej interfejsu w skali mikro-nano oraz obliczenia i symulacja mechanizmu sprzężenia akustyczno-elektronicznego na styku w celu opracowania wysokowydajnego materiału termicznego interfejsu. Na tej podstawie przygotowany materiał termoprzewodzący jest nakładany na urządzenia elektroniczne o dużej gęstości mocy i weryfikowane jest jego typowe zastosowanie w urządzeniach elektronicznych o dużej gęstości mocy.
Ceramika ma również wysoką przewodność cieplną i doskonałą izolację elektryczną, co jest szczególnie przydatne w obszarach wymagających izolacji elektrycznej. Wśród zgłoszonych wypełniaczy ceramicznych azotek boru (BN) ma bardzo wysoką przewodność cieplną i staje się najatrakcyjniejszym obiektem badawczym w zastosowaniach zarządzania ciepłem. W 2017 r. Zhang i in. przygotował membranę h-BN na czas przez filtrację próżniową i infiltrował rozpuszczalny w wodzie polimer polialkohol winylowy do h-BN, aby utworzyć materiał kompozytowy h-BN/polialkohol winylowy. Proces przygotowania przedstawiono na rysunku 6(a). Gdy zawartość h-BN wynosi 27% obj., maksymalna przewodność cieplna w płaszczyźnie i poza płaszczyzną może osiągnąć odpowiednio 8,44 W/m·K i 1,63 W/m·K (rysunek 6(b)). Ponadto Yu i in. preparowane kompozyty h-BN/termoplastycznych poliuretanów metodą próżniowego prasowania na gorąco. Gdy zawartość h-BN wynosi 95% wag., przewodność cieplna w płaszczyźnie materiału kompozytowego jest tak wysoka, jak 50,3 W/m·K, co jest zgodne z wynikami podanymi przez Fu i in.
Metale mają wysoką samoistną przewodność cieplną dzięki wykorzystaniu elektronów jako nośników ciepła i stały się powszechnie stosowanym wypełniaczem przewodzącym ciepło w materiałach interfejsu cieplnego. Na przykład Xu i in. wykorzystał metodę elektroosadzania do przygotowania wysoko zorientowanej, przewodzącej ciepło sieci Ag. Przygotowany nim materiał interfejsu termicznego ma przewodność cieplną 30,3 W/m·K, czyli znacznie wyższą niż kompozyt polimerowy wytworzony metodą dyspersji losowej (1,4 W/m·K). Wang i in. odkryli, że przy tej samej zawartości wypełniacza (0,9% wag.) nanodruty miedziane mają wyższą zdolność do poprawy przewodności cieplnej polimerów niż nanodruty srebrne. Ponadto bardzo ważne jest, jak zmniejszyć opór cieplny powierzchni styku między metalem a polimerem. Poprawa modyfikacji cząsteczek organicznych lub wypełniaczy nieorganicznych na powierzchni metalu może zwiększyć siłę oddziaływania między metalem a polimerem, a następnie zmniejszyć granicę faz między metalem a polimerem. Odporność termiczna, poprawia przewodność cieplną kompozytów polimerowych. Ponadto Jeong i in. niedawno wprowadzono koncepcję ciekłego wypełniacza metalicznego w matrycy PDMS w celu wytworzenia korpusu termoelastycznego o wysokiej przewodności cieplnej, elastyczności i rozciągliwości. Istnieje inny ważny kierunek badań nad materiałami termoprzewodzącymi na bazie metali — ciągłe materiały termoprzewodzące na bazie metali. Na przykład stopy na bazie Sn-Ag-Cu lub Sn-Bi mogą być używane jako standardowe bezołowiowe luty w opakowaniach elektronicznych i są często używane jako materiały interfejsu termicznego. Jego zalety to wysoka przewodność cieplna, niski opór cieplny interfejsu, wysoka niezawodność i niski koszt. Ciekły metal to materiał termoprzewodzący, który w ostatnich latach przyciągnął wiele uwagi. Jego głównym składnikiem jest metaliczny gal (Ga) i jego stopy. Ma zalety niskiej temperatury topnienia, dobrej zwilżalności wiórami i niskiej odporności termicznej interfejsu. Jednak największym problemem i wyzwaniem dla materiałów termoprzewodzących na bazie ciekłego metalu jest to, jak zapobiec jego przepełnieniu.
