Lämpörajapintamateriaalien tutkimuksen edistyminen
Lämpörajapintamateriaalit koostuvat pääasiassa lämpöä johtavista täyteaineista ja polymeereistä. Lämpöä johtavan täyteaineen lisääminen parantaa polymeerin lämmönjohtavuutta säilyttäen samalla polymeerin':n hyvän joustavuuden, alhaiset kustannukset ja helpon käsittelyn ja muovauksen edut. Lämpörajapintamateriaalin lämmönjohtavuus riippuu täyteainefraktiosta. Kun täyteainefraktio on riittämätön, dispergoidut yksittäiset hiukkaset eivät pääse kosketuksiin viereisten hiukkasten kanssa (kuva 5(a)), eikä lämpöä johtavaa hiukkasverkkoa voida muodostaa. Kun täyteainefraktio saavuttaa tietyn tason (perkolaatiokynnyksen), alkaa muodostua jatkuva lämpöverkko (kuva 5(b)), jolloin polymeerikomposiitin lämmönjohtavuus kasvaa eksponentiaalisesti.
Kuitenkin yli 20 W/mK lämmönjohtavuuden ja alle 0,01 Kcm2/W rajapinnan lämpöresistanssiarvon valmistaminen on edelleen valtava haaste. Vastauksena tähän vaikeuteen National Key R&D Program-Strategic Advanced Electronic Materials Key -erikoisprojektin rahoituksella, jota johtivat tutkija Sun Rong, Shenzhenin edistyneen teknologian instituutti, Kiinan tiedeakatemia ja Shanghai Jiaotong. Yliopisto, Kaakkois-yliopisto, Tongjin yliopisto ja Suzhou Nano, Kiinan tiedeakatemia Teknologian ja nanobioniikkainstituutti, Ningbon materiaaliinstituutti, Kiinan tiedeakatemia ja Shanghain yliopisto ovat toteuttaneet molekyylisuunnittelua korkean suorituskyvyn lämpörajapintamateriaalien, rajapinnan lämpöresistanssin mikronanomittakaavamittaus ja rajapinnan akustis-elektronisen kytkentämekanismin laskenta ja simulointi korkean suorituskyvyn lämpörajapintamateriaalin kehittämiseksi. Tämän perusteella valmistettua lämpörajapintamateriaalia levitetään suuren tehotiheyden elektronisiin laitteisiin ja sen tyypillinen käyttö suuren tehotiheyden elektronisissa laitteissa varmistetaan.
Keramiikalla on myös korkea lämmönjohtavuus ja erinomainen sähköeristys, mikä sopii erityisen hyvin sähköeristystä vaativiin kohteisiin. Keraamisista täyteaineista, joista on raportoitu, boorinitridillä (BN) on erittäin korkea lämmönjohtavuus ja siitä on tulossa houkuttelevin tutkimuskohde lämmönhallintasovelluksissa. Vuonna 2017 Zhang et al. valmisti h-BN-kalvon ajoissa tyhjiösuodatuksella ja suodatti vesiliukoisen polyvinyylialkoholin h-BN:ään muodostaen h-BN/polyvinyylialkoholi-komposiittimateriaalin. Valmistusprosessi on esitetty kuvassa 6(a). Kun h-BN-pitoisuus on 27 tilavuusprosenttia, maksimi tason sisäinen ja tason ulkopuolinen lämmönjohtavuus voi olla 8,44 W/m·K ja 1,63 W/m·K (kuva 6(b)). Lisäksi Yu et ai. valmistetut h-BN/termoplastiset polyuretaanikomposiitit tyhjiökuumapuristamalla. Kun h-BN-pitoisuus on 95 painoprosenttia, komposiittimateriaalin tasossa oleva lämmönjohtavuus on jopa 50,3 W/m·K, mikä on yhdenmukainen Fu et al. raportoimien tulosten kanssa.
Metalleilla on korkea luontainen lämmönjohtavuus johtuen elektronien käytöstä lämmönsiirtoaineina, ja niistä on tullut yleisesti käytetty lämpöä johtava täyteaine lämpörajapintamateriaalille. Esimerkiksi Xu et ai. käytti sähkösaostusmenetelmää erittäin orientoidun Ag-lämpöä johtavan verkon valmistukseen. Sen valmistaman lämpörajapintamateriaalin lämmönjohtavuus on 30,3 W/m·K, mikä on paljon suurempi kuin satunnaisdispersiomenetelmällä valmistetun polymeerikomposiitin (1,4 W/m·K). Wang et ai. havaitsi, että samalla täyteainepitoisuudella (0,9 paino-%) kuparinanolangoilla on parempi kyky parantaa polymeerien lämmönjohtavuutta kuin hopeananolangoilla. Lisäksi metallin ja polymeerin välisen rajapinnan lämpöresistanssin vähentäminen on erittäin tärkeää. Orgaanisten molekyylien tai epäorgaanisten täyteaineiden modifioinnin parantaminen metallipinnalla voi lisätä metallin ja polymeerin välistä vuorovaikutusvoimaa ja sitten vähentää metallin ja polymeerin välistä rajapintaa. Lämmönkestävyys, parantaa polymeerikomposiittien lämmönjohtavuutta. Lisäksi Jeong et ai. äskettäin esitteli nestemäisen metallitäyteaineen konseptin PDMS-matriisissa, jotta voidaan luoda lämpöelastinen kappale, jolla on korkea lämmönjohtavuus, joustavuus ja venyvyys. On toinenkin tärkeä metallipohjaisten lämpörajapintamateriaalien tutkimussuunta – jatkuvat metallipohjaiset lämpörajapintamateriaalit. Esimerkiksi Sn-Ag-Cu-pohjaisia seoksia tai Sn-Bi:tä voidaan käyttää tavallisina lyijyttömänä juotoksena elektroniikkapakkauksissa, ja niitä käytetään usein lämpörajapintamateriaaleina. Sen etuja ovat korkea lämmönjohtavuus, alhainen rajapinnan lämpövastus, korkea luotettavuus ja alhaiset kustannukset. Nestemäinen metalli on lämpörajapintamateriaali, joka on herättänyt paljon huomiota viime vuosina. Sen pääkomponentti on metallinen gallium (Ga) ja sen seokset. Sen etuna on alhainen sulamispiste, hyvä kostuvuus lastujen kanssa ja alhainen rajapinnan lämpövastus. Sen ylivuodon estäminen on kuitenkin nestemäisten metallipohjaisten lämpörajapintamateriaalien suurin ongelma ja haaste.
