導熱氧化鋁改性工藝對界面材料導熱性能的影響研究

劉永鶴，張巖巖

（中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司，河南鄭州450041）

目前大規模使用的導熱界面材料的導熱率大多在3 W/（m·K）以下，并且主要通過單一粉體或幾種單一粉體在體系中混合應用［1］。 在界面材料的生產過程中，需要將體系配方和粉體一起混合攪拌，這樣既會出現混合不均的現象，又增加了成本，同時達不到理想的導熱效果。 熔融噴射法制備的導熱球形氧化鋁的球形度和填充量較高、生產成本較低，但是由于表面相對粗糙、轉化率較低并且電導率高，導致導熱材料的導熱系數不高、擊穿電壓較低等問題。煅燒工藝制備的類球形氧化鋁轉化率高、電導系數低、表面光滑，但是由于球形度較低，影響導熱材料的導熱系數，并且產品成本較高。 角形氧化鋁轉化率高、成本低，但是球形度較低、電導率高，導熱材料的導熱系數低、擊穿電壓較低［2］。 出于高質量、低成本、提高添加量等需求的考量，球形、類球形、尖角形粉體改性包覆復合材料有望得到廣泛應用［3］。

1 材料制備及表征

1.1 原料和儀器

原料：球形、類球形和尖角形氧化鋁，粒度為5 μm 和45 μm 兩種類型，中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司生產。 儀器：ZYMC-180V 型超高速均質機，GMJ/B 型球磨機，TYPE-ST3 型三維混料機，WB2000-D 型磁力攪拌器，電子天平。

1.2 實驗方法

將氧化鋁按照3 種形貌和2 種不同粒徑進行復配混料，混料后進行干法改性（氧化鋁粉體放入球磨機中，加入改性劑，恒溫球磨改性）、濕法改性（氧化鋁漿料加入改性劑，恒溫恒速攪拌改性后干燥）、干法-濕法聯合改性（氧化鋁漿料加入改性劑，恒溫恒速攪拌改性，在干燥過程中球磨二次改性），添加一定比例的含氫硅油和鉑金催化劑，老化成型制備成直徑為5 cm、厚度為0.5 cm 的導熱墊片［4］。 工藝流程見圖1。

圖1 導熱氧化鋁改性和導熱材料制備工藝流程圖

導熱氧化鋁填料復配比例理論計算：對于有限小且粒徑連續分布的球形顆粒，Dinger 和Funk 兩位學者在1994 年提出其緊密堆砌下的累積分布方程：

式中：D 為顆粒粒徑，μm；Dmin為體系中最小顆粒粒徑，μm；Dmax為體系中最大顆粒粒徑，μm；n 為分布模數， 最密堆積時n 為0.37；φ 為粒徑小于D 的顆粒累積體積分數。 一般地，實際填充體系的累積分布與Dinger-Funk 方程越接近， 體系中較大粒徑的顆粒間形成的孔隙尺寸與小粒徑顆粒的體積越匹配，體系的空隙分數大為減小，填充效率將獲得較大程度的提高［5］。

1.3 檢測方法

采用X′pert PRO 型X 射線衍射儀（XRD）測試樣品的組成、 分子或原子內部結構等； 采用JSM-6360LV 型掃描電子顯微鏡（SEM）對樣品的形貌進行觀察； 采用DRL-Ⅲ型導熱系數測試儀測試樣品的導熱系數； 采用NDJ-5S 型數顯粘度計測試樣品的粘度； 采用丹東百特2000 粒度測試儀測試樣品的粒徑大小； 采用4510F 型原子吸收分光光度計（AAS）測試樣品中Si、Fe、Na 等雜質元素的含量。

2 結果與討論

2.1 氧化鋁不同復配比例對界面材料導熱性能的影響

選取45 μm 球形氧化鋁、45 μm 類球形氧化鋁、5 μm 角形氧化鋁以2∶2∶1、2∶1∶1、1∶2∶1、1∶1∶1 的質量比進行復配，采用干法改性，考察其在80%、85%、90%添加量下對導熱材料導熱系數的影響， 結果見圖2。由圖2 可見，球形氧化鋁、類球形氧化鋁、角形氧化鋁以2∶1∶1 復配時界面材料的導熱最佳，以1∶1∶1 復配時導熱最差； 隨著復配氧化鋁添加量增加，4種復配比例界面材料的導熱系數不斷增加。

圖2 氧化鋁不同復配比例對導熱材料導熱性能的影響

2.2 不同形貌氧化鋁對界面材料導熱性能的影響

選取粒徑為5 μm 球形、類球形、角形氧化鋁，添加量為80%，考察其干法、濕法、干法-濕法聯合改性對導熱材料導熱系數的影響，結果見圖3。 由圖3 可見，不同形貌的氧化鋁干法-濕法聯合改性工藝效果最好，主要是由于干法-濕法聯合改性包覆的均勻性相對較好，導致導熱系數最大［6］。 在相同改性工藝下，角形氧化鋁改性后導熱系數提升最佳，主要是由于角形氧化鋁比表面積最大， 改性包覆效果最好，吸油率最低。

圖3 不同形貌氧化鋁對導熱材料導熱性能的影響

2.3 氧化鋁不同改性工藝對界面材料導熱性能的影響

選取45 μm 球形氧化鋁、45 μm 類球形氧化鋁、5 μm 角形氧化鋁以2∶1∶1 質量比復配， 考察其在80%、85%、90%添加量下不同改性工藝對導熱材料導熱系數的影響，結果見圖4。由圖4 可見，干法-濕法聯合改性時導熱材料的導熱最佳，干法改性時導熱最差，主要是因為3 種改性方式中干法-濕法聯合改性的包覆效果最好。隨著復配氧化鋁添加量增加，3 種改性工藝制備導熱材料的導熱系數不斷增加，但是干法改性工藝導熱材料增加最為明顯。 主要是因為改性后粉體包覆一層偶聯劑， 改性后粉體與有機硅體系相容性更好，添加量明顯提高。但是表面包覆的偶聯劑對熱傳導和熱阻有一定的影響， 包覆越均勻熱傳導越差、熱阻越大［7］。

圖4 氧化鋁不同改性工藝對導熱材料導熱性能的影響

2.4 不同改性工藝對填料粉體堆積性能的影響

選取45 μm 球形氧化鋁、45 μm 類球形氧化鋁、5 μm 角形氧化鋁以2∶1∶1 質量比復配， 然后進行干法、濕法、干法-濕法聯合工藝改性，考察改性工藝對粉體堆積性能的影響，結果見圖5。 由圖5 可見，球形氧化鋁、 類球形氧化鋁、 角形氧化鋁復配粉采用干法-濕法聯合改性工藝時表觀密度最大。 主要是因為干法-濕法聯合改性后粉體包覆均勻， 流動性變好，顆粒之間接觸點最多，形成導熱網絡通道增多［8］。

圖5 不同改性工藝對導熱氧化鋁表觀密度的影響

3 改性氧化鋁粉體在界面材料中的表征

通過多組實驗對比選取45 μm 球形氧化鋁、45 μm 類球形氧化鋁和5 μm 角形氧化鋁，通過粉體復配比例理論計算得出以2∶3∶2 質量比復配后進行干法-濕法聯合改性， 在有機硅油體系中添加95%（質量分數）， 添加一定比例的含氫硅油和鉑金催化劑，老化成型制備成直徑為5 cm、厚度為0.5 cm 的導熱墊片，樣品SEM 照片見圖6。 由圖6 看出，粉體之間形成緊密的導熱網絡通道。 樣品表觀密度為3.65 g/cm3，導熱系數可以達到4.25 W/（m·K）。

圖6 最佳工藝條件下制備樣品SEM 照片

4 結論

1）球形氧化鋁、類球形氧化鋁和角形氧化鋁，分別采用干法、濕法、干法-濕法聯合改性工藝進行改性， 其中干法-濕法聯合改性工藝改性包覆的效果最好，同時表觀密度最大，因此導熱系數最高。 2）選取45 μm 球形氧化鋁、45 μm 類球形氧化鋁、5 μm角形氧化鋁以2∶3∶2 的質量比復配改性， 通過SEM檢測得出粉體之間形成緊密的導熱網絡通道， 導熱系數可以達到4.25 W/（m·K）。