一文了解氧化鋁填料對導熱絕緣硅膠材料性能影響

一、引言

隨著電子工業的發展，電子元件、集成電路趨于密集化，小型化，要保證電子器件的可靠運行，良好的散熱性是必不可少的。但是，電子器件與散熱裝置因其表面的凹凸不平，在界面間形成了一個空氣層，使得接觸熱阻增大，最終使電子器件的熱量不能高效傳遞給散熱裝置實現散熱。

導熱硅膠因具有好的粘性、柔韌性、良好的壓縮性能以及具有優良的熱傳導率，常用來作為通訊設備、計算機等電器Ic基板的散熱填充材料。

無機非金屬粉體填料因其良好的絕緣性能，通常用于導熱絕緣硅橡膠作導熱媒介。

最為常見的無機非金屬導熱絕緣粉體填料有氮化鋁，氧化鋁，氧化鋅，氧化鈹，氧化硅，碳化硅，氮化硼等。

其中氧化鋁不但具有良好的絕緣性能，而且其導熱率也不低(常溫導熱率為30W/m·K)，已經在高壓，特高壓開關電器領域絕緣制品中得到大量使用。

氧化鋁來源廣泛，價格相對較低，在硅膠中填充量大，具有較高的性價比，因此作為目前高導熱絕緣硅膠材料中的主要導熱絕緣填料。

二、氧化鋁在導熱硅膠中的導熱機理

物質中的熱能常以振動能的形式傳遞,即物質內部微觀粒子通過相互碰撞，實現熱能的傳遞。對于金屬材料，其熱傳導靠自由電子的運動進行導熱。由于自由電子的質量輕，不受束縛，此使得金屬材料導熱的同時也能導電。

而氧化鋁填料的導熱主要依靠聲子的振動，通過晶體的非線性熱振動而實現導熱。硅膠作為高分子材料，是由不對稱的極性鏈節所構成，整個分子鏈不能完全自由運動，只能發生原子，基團或鏈節的振動，因此其導熱率很低，是熱的不良導體。

只有通過填充高導熱系數的填料來增加材料的熱導率。當加入的氧化鋁的量較少時，氧化鋁在硅膠基體中的分布近似以孤島形式出現，此時導熱率提高不大。

隨著氧化鋁添加量的增加，在硅膠基體中的分布越來越密集，顆粒之間會相互接觸，在復合材料中形成局部的導熱鏈或導熱網；若再增加氧化鋁的量，導熱鏈或導熱網會相互聯結和貫穿，在聚合物基體中形成貫穿整個材料的導熱網絡，從而使填充復合材料的導熱性能顯著提高。但是，填充量過大使導熱硅膠的性能變差，如其流動性和柔韌性因填料量的增大而變差。

三、氧化鋁填料性能對導熱硅膠性能影響

1、氧化鋁顆粒形貌對導熱硅膠性能影響

根據不同的燒成控制，氧化鋁的晶體形貌可以呈現出蠕蟲狀、片狀、球形(類球形)等形貌，由于球型顆粒的氧化鋁表面能小，填入基體中粘度小，更容易均勻分散于基體中，而且填充量相對于其他形狀的大，更有利于提高硅膠的導熱性，因此，當前在高導熱絕緣材料中填充的氧化鋁顆粒形貌主要以球形。

典型的球形氧化鋁形貌如下：

制備球形氧化鋁通常有兩種工藝，熔融法和高溫煅燒法。其中熔融法是采用超過氧化鋁熔點的溫度，將氧化鋁多晶體熔融并收縮成球形，其形貌球形度高。而高溫煅燒法是通過低于熔點的溫度對氧化鋁顆粒煅燒，晶體發育生長成類球形。

對于前者，氧化鋁顆粒的球形度高，但因氧化鋁為快速熔融，在晶體內部往往會形成氣孔及空位等晶體缺，導致顆粒的致密度降低，從而降低其導熱率。

而后者是長時間的晶體生長，其結晶發育完整，化學純度高，顆粒具有非常高的真比重，達到3.98g/cm3以上，因此顆粒的導熱率要比熔融法生產的球形氧化鋁高。

2、氧化鋁晶型對導熱硅膠性能影響

高熱導率的氧化鋁顆粒，其自身必須具有高的結晶程度和致密度。α相氧化鋁為六方結構，是氧化鋁多種變體中最為致密的結構。研究表明α相越高的氧化鋁粉體，晶體完全呈現單晶的呈類球形顆粒，存在一定的晶面，填充在到硅膠中時，顆粒和顆粒的接觸就會出現一定的線接觸和面接觸，因此可以大幅提高硅膠的導熱率。

3、氧化鋁純度對導熱硅膠性能影響

作為絕緣導電填料的氧化鋁，其結構中化學結合的雜質會影響其最終晶體燒結的致密度，不利于提高導熱性；另外雜質（如鈉離子）在疏松晶體結構中容易形成導電離子，嚴重影響導熱絕緣硅膠的電氣性能，因此導電絕緣用的氧化鋁粉體一般要求小于0.1%。

4、氧化鋁粒度對導熱硅膠性能影響

研究發現小顆粒的填料容易被硅膠包覆，導致互相不接觸而產生熱阻；

而大粒子更容易互相接觸，從而形成導熱通路，增加熱導率。而且還得出一些規律：當填充相同填料量時，在填充份數較小的情況下，小粒徑填料氧化鋁較大粒徑的導熱率大，而填充量超過一定的值時，小粒徑填料比氧化鋁較大粒徑的導熱率小。

因此通過合理的氧化鋁粉體粒徑搭配，增大粉體的填充堆積密度，使氧化鋁粉體在硅橡膠中形成更多的導熱網絡，是有利于提高硅橡膠的導熱性。

不同粒徑的氧化鋁對硅膠的導熱率的影響如下：

5、偶聯劑表面處理對硅橡膠性能的影響

經用偶聯劑改性的氧化鋁導熱粒子與硅膠的潤濕性好，可以祛除粒子與基體之間的空氣，使粒子與界面具有較好的粘接性，從而提高硅膠的熱導率和力學性能。研究結果如下：

四、結束語

氧化鋁應用于硅膠絕緣導熱作填料，整個體系已屬于復合材料的范疇。從上分析看出影響硅膠導熱絕緣性能有氧化鋁粉自身質量因素，如粉體顆粒形貌，晶型，化學組成等；同時還有粉體的應用因素，如偶合改性，顆粒級配，粉體在基體中的分散等，這些都在粉體生產時要充分認識到的，只有兩者相互結合才能生產出優質的導熱絕緣粉體填料。由于筆者水平有限，若有錯誤的地方請多多指正。

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