聚合物基材料自身具有较优越的介电性能、易于加工性能，但是其材料缺点在于自身的物理导热性能较差[1]。所以，通过导热材料的高度导热性以及聚合物的易于加功性能够制备出同时具备导热性与易加工性的聚合物复合材料。在众多导热填料中，导热硅脂具有导热性能优异、附着压力较小的特征，能够被有效应用于封装材料与电子设备领域，其通常的填充基体为二甲基硅或其他与其化学/物理性质相似的液态高分子材料，进一步在其中增添具有高导热性质的填充材料，例如：ZnO、AlN等陶瓷性质的填料以及AL粉或Cu等金属材质的填充料，以提升导热性能[2]。与陶瓷性质的填充材料相比，金属颗粒具有导热性能良好的特征，而AL粉是金属粉的一种类型，不仅导热性能优越且造价低廉，是一种综合性能优异的导热填充材料。
1.以AL粉/ZnO为填料高导热热界面材料的制备过程
1.1制备材料与制备仪器
在本次研究中，制备材料的选择内容具体为：0.5μm球形铝粉（规格：工业纯；生产商：上海巷田纳米材料有限公司）、1.0μm球形铝粉（规格：工业纯；生产商：上海巷田纳米材料有限公司）、200nm氧化锌（规格：工业纯；生产商：宜城晶瑞新材料有限公司），球形铝粉与氧化锌的电子扫描图如图1所示，二甲基硅油（规格：工业纯；生产商：美国道康宁公司）。
图1 不同粒径球形铝粉与氧化锌的电子扫描图
（2）制备仪器的选择内容具体为：高精度电子天平（型号：JJ300；生产商：美国双杰兄弟有限公司）；台式电热干燥箱（型号：202-00A；生产商：天津泰斯特仪器有限公司）；行星式搅拌机（型号：KK-2505；生产商：日本KURABO公司）；球形打磨机（型号：QM-1SP；生产商：南京大学仪器厂）；导热系数测试仪（型号：TC3000D；生产商：西安夏溪电子科技有限公司）；界面热阻和导热测试仪（型号：LW9389；生产商：台湾瑞领科技有限公司）；场发射电子扫描仪（型号：SU8010；生产商：日本日立公司）。
1.2制备步骤
（1）铝粉/氧化硅作为填充材料的导热膏的制备：首先，将本次制备过程所需要的材料与仪器备好，具体如1.1部分所示，按照标准配比计算在制备过程中所需要的各种导热材料与硅油的用量；其次，为保证制备过程的严谨性，在制备前对各类导热材料与硅油的具体用量进行标准称量，具体为使用高精密度的电子天平对制备过程中所涉及的导热材料与硅油进行称量，在面向硅油进行称量时，需要通过滴管的方式进行点滴性加入，以确保称量结果的准确性，若在称量过程中，需要对导热材料进行球形打磨，则通过球形打磨机与制备过程中所需要的导热材料进行球形打磨；最后，进行脱泡混合工作，使用行星式搅拌/脱泡机将导热材料与硅油进行充分的搅拌与混合，由此得到铝粉/氧化锌/硅油基导热膏。
（2）导热材料的结构表征与性能测试：对不同粒径大小的铝粉通过场发射扫描电子式显微镜进行测量，观察氧化锌与微晶石墨的外部形貌，并对其颗粒的粒径大小以及颗粒粒径的分布特征进行表征，借助扫描电镜图像可以有效观察到微晶石墨自身的片状结构及铝粉与氧化锌的球形程度、颗粒粒度以及粒度的分布特征。研究中所使用的仪器为场发射电子程度显微镜，仪器的最大程度分辨率可达1.0 nm。
（3）导热系数测试：本次研究中使用TC3000D导热系数测试仪（西安夏溪电子科技有限公司）面向导热膏样品进行导热系数的测试。该种导热系数的测定方法属于瞬态热线法的一种典型代表，其测试的原理方程式如下式所示：
在该式中主要通过加热功率同温度升高及时间的对数对等关系对被测试对象的热导率进行测试。
（4）界面的热阻测试：使用热阻与导热系数测试仪对待检测样品的热阻进行测试，其属于稳态法的一种，测试原理主要基于下述公式：
该种测试方式主要对热端温度Th与冷端温度Tc进行测定，可以借助待检测对象内部中的热流量Q与样品的有效面积A相互计算而得。测量样品处在不同厚度水平下的热阻值，并以厚度d作为横向坐标，将热阻R作为纵坐标（拟合曲线），根据下述公式进行测量：
在测量过程中，拟合曲线自身斜率的倒数可视为材料的导热系数K，而面向拟合曲线截距的计量值则为2Rc。
2.导热填料对导热材料性能影响因素的分析
2.1铝粉粒径对导热膏导热性能的影响
本次研究中分别探讨三类球形铝粉（0.5μm、1.0μm、5.0μm）对所制备的导热膏导热性能所产生的影响。不同粒径铝粉粒径情景下的导热膏导热性能测试结果如下图所示。
图1 铝粉的粒径对导热系数(A)及热阻(B)的影响
如上图所示，在导热填料所填充的物料分量相同时，伴随着铝粉粒径的渐进性增加，导热膏的导热系数也呈现正向增加的趋势，究其原因：粒径较小的填充材料其外部表面积较大，所以其外部的接触面积相对宽泛，可以产生声子的散射，对声子的运输产生阻碍。基于上述结果，在导热填料的填充量保持相同情景时，以粒径最小的球形铝粉作为导热材料的导热膏其导热系数最低，相应地，粒径最大的铝粉作为导热材料的导热膏导热系数最高。上图中，图b是导热性阻力伴随导热膏厚度变化所产生的拟合性曲线，最终的热阻计算结果为导热膏自身热阻与周围测试平台所接触到的热性阻力之和，其计算公式为：R=d/K+2Rc。通过该公式的计算结果可知：源自于导热膏自身的热阻与其厚度间呈现正向比例关系。此外，在导热材料自身的填充分量保持完全相同时，处在相同的压合厚度条件下，在铝粉的粒径不断增加时，其导热膏的总热阻减小，主要原因为：伴随着粒径的不断增加，铝粉的比表面积会逐渐缩小，进一步致使导热颗粒间与导热颗粒同导热基体之间的接触面积显著缩小，由此会出现总热阻变小的情况[3]。此外，导热膏界面接触热阻Rc有效反映了热界面材料同待检测台面间湿润性程度，反映了其性能的好坏，由于在试验测试过程中，平台表面并不是完全平等的，存在着较为显著的微小粒径的空洞，这与导热膏在实际应用中的环境相类似。
2.2铝粉与氧化锌的配比对导热膏导热性能的影响
由于铝粉颗粒间存在一定程度的微小空隙，这些空隙极其容易被硅油的基体所占据，由于基体的覆盖作用，致使导热膏中很难形成结构紧密的导热性网络，会对导热膏导热性能的提升产生负面影响。此外，氧化锌本身属于电绝缘类原料，具有阻燃、耐磨性好以及抗氧化能力强等优越特点，与此同时，氧化锌还同时兼备着较好的热传输能力。但是铝粉本身属于金属材料，因此极难制备达到纳米级别的铝粉，即使在制备后，仍会出现分子团聚现象，基于此，本次研究选取粒径为200nm的氧化锌材料作为导热辅料对铝粉颗粒间所存在的微小空隙进行有效的填充，以保证导热膏能够形成更为精密的导热通路。此外，与铝粉相比，氧化锌颗粒更小，粒径更细，可以被充分填充到铝粉的细微缝隙中，由此可见，铝粉与氧化锌的配制比例对导热膏的导热性能同样会产生较为显著的影响，此次导热材料制备过程中，将导热材料的填充量设置为60vol.%，改变铝粉与氧化锌的配比比例，在此基础上制备一系列导热膏，此后，对所有导热膏的热系数与热阻分别进行测试，具体的实验结果如下图所示。
图2 铝粉和氧化锌配比对导热系数(A)和热阻(B)的影响
由上图可知，在铝粉与氧化锌的体积配比为5比1时，导热膏的导热系数处于最高状态，具体数值为1.6108 W/(m·K)，但此时同测试台面间的接触性热阻数值较小仅为0.068℃·cm2 /W。在铝粉与氧化锌间的体积配比达到5比1时，氧化锌颗粒可以较为充分地被填充在铝粉颗粒的空隙之间，由此可以形成较好的导热通路。由图B可知，在压合厚度条件相同的情景下，只有当铝粉与氧化锌之间的材料体积配比为5比1时，才可以配置总热阻较大的导热膏。究其原因：氧化锌颗粒粒径显著小于铝粉，其粒径宽度在200-300nm，在两者配比为5比1时，由于粒径较小的氧化锌颗粒较多，因此可接触界面面积会显著增加，进一步导致导热材料的总热阻较大。
3.结束语
为提升热界面材料的导热性能，同时降低经济支出水平，本文将铝粉作为导热填料主料，将氧化锌作为导热材料辅料，制备了一系列的高导热热界面材料，并通过扫描式电子显微镜对铝粉的外貌形状、粒径及分布特征等属性进行表征，并对导热膏的导热性能进行测试。在此基础上，进一步分析铝粉的颗粒粒径、铝粉和氧化锌的搭配比例对导热膏导热性能所产生的影响，希望为导热材料的制备提供借鉴与参考。
参考文献
[1] 彭卓豪,王宗元,王杰,秦运,季思源,万维财.高导热金刚石/Cu复合材料研究进展[J].功能材料,2021,52(10):10075-10082.
[2] 黄竹品,王光星,侯文轩,刘香兰,田兴友.溶液沉淀法制备高导热氮化硼/多层石墨烯/聚丙烯酸柔性自修复材料[J].材料科学与工程学报,2021,39(1):141-146.
[3]李铁虎,梁伟杰,李昊.煤基石墨烯改性树脂热界面材料研究进展[J].煤炭转化,2019,42(1):1-8.