Hebei Messi Biology Co., Ltd. gab bekannt, dass mit dem Aufkommen des 5G- und Smart-Modern-Zeitalters sowie dem Trend zur Miniaturisierung und Integration elektronischer Geräte die von elektronischen Geräten erzeugte Wärme exponentiell zugenommen hat und damit höhere Anforderungen an die Wärmeableitungsleistung des Systems stellt. Wärmeleitfähige Interfacematerialien sind Schlüsselkomponenten in Wärmeableitungssystemen und gewährleisten die Wärmeübertragung zwischen Chip und Kühlkörper. Die in Wärmeleitmaterialien verwendeten Polymere, wie Epoxidharze und Silikonfette, weisen jedoch eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit (0,1–0,3 W/(m·K)) auf und erfüllen daher nicht die Anforderungen an eine schnelle Wärmeübertragung. Daher ist die Entwicklung von Wärmeleitmaterialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit erforderlich. Typischerweise werden der Polymermatrix wärmeleitfähige Füllstoffe zugesetzt, um eine effiziente Wärmeübertragung zu erreichen. Da Magnesiumoxid weit verbreitet, kostengünstig und in großen Mengen in eine Polymermatrix einbringbar ist, bietet es eine hohe Kosteneffizienz. Daher wird derzeit in hochwärmeleitenden Silikon-Isoliermaterialien vorwiegend Magnesiumoxid als wärmeleitender und isolierender Füllstoff verwendet.
Magnesiumoxid zeichnet sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit, stabile chemische Eigenschaften, gute Isolierleistung und niedrige Viskosität bei der Einfüllung in Polymere aus und ermöglicht einen hohen Füllgrad. Vor allem ist es relativ günstig und sehr kosteneffizient. Daher ist Magnesiumoxid ein vielseitig einsetzbarer Füllstoff mit breitem Anwendungsspektrum. Um die Wärmeleitfähigkeit eines wärmeleitenden Füllstoffs mit hohem Magnesiumoxidanteil zu verbessern, ist es notwendig, sein Anwendungspotenzial hinsichtlich Füllgrad und wärmeleitender Netzwerkkanäle zu erweitern. Die Wärmeleitfähigkeit der derzeit hergestellten wärmeleitenden Interfacematerialien liegt grundsätzlich zwischen 2 und 6 W/(m·K). Um die Wärmeleitfähigkeit des Materials zu verbessern, ist es notwendig, sein Anwendungspotenzial hinsichtlich Füllgrad und wärmeleitender Netzwerkkanäle zu erweitern. Daher können wärmeleitende Magnesiumoxid-Füllstoffe hinsichtlich ultrafeiner Partikelgröße, Kristallisationsgrad, Partikelmorphologie, Compoundierungsprozess und Oberflächenmodifizierung weiter untersucht werden, um ihre Anwendungsleistung zu verbessern.
(1) Partikelgröße: Weitere Untersuchungen an ultrafeinen Submikron- und feineren hochwärmeleitenden Magnesiumoxid-Füllstoffen. Submikron-Partikel können besser zwischen den Partikeln gefüllt werden, was nicht nur die Bildung wärmeleitender Kanäle zwischen den Partikeln fördert, sondern auch den thermischen Kontaktwiderstand an der Grenzfläche verringert.
(2) Kristallisation und Morphologie: Die Verbesserung des Kristallisationsgrades und der Regelmäßigkeit der Partikelmorphologie wirkt sich nicht nur positiv auf die Wärmeleitfähigkeit der Partikel selbst aus, sondern kann auch die Viskosität verringern und die Füllrate erhöhen.
(3) Forschung zum Compoundierungsprozess zur Verbesserung der Füllrate und Wärmeleitfähigkeit, d. h. Compoundierung mit unterschiedlichen Partikelgrößenabstufungen und Morphologien.
(4) Durch effektive Oberflächenmodifizierung wird die direkte Benetzbarkeit von Magnesiumoxid und organischen Polymeren verbessert, wodurch die Füllrate von Magnesiumoxid erhöht wird.
Sphärische Magnesiumoxidpartikel sind 5–50 μm groß und haben eine kugelförmige Partikelmorphologie, einen hohen Füllgrad, eine hohe Schüttdichte, eine geringe Ölabsorptionsrate usw. Die Morphologie von flockigen Magnesiumoxidpartikeln ist durch scharfe Kanten und Ecken, niedrige Produktionskosten und eine hohe Umwandlungsrate gekennzeichnet, aber durch geringe Reinheit, niedrigen Füllgrad, hohe elektrische Leitfähigkeit usw., was zu einer geringen Wärmeleitfähigkeit des wärmeleitenden Materials führt. In Anbetracht der Anforderungen an Stabilität, hohe Leistung und niedrige Kosten, die an wärmeleitende Magnesiumoxidsysteme mit unterschiedlicher Morphologie gestellt werden, werden Verbundwerkstoffe mit wärmeleitenden Magnesiumoxidfüllstoffen hergestellt, indem kugelförmige und flockige Magnesiumoxidfüllstoffe dicht gepackt werden, um eine wärmeleitende Netzwerkstruktur zu erzeugen und so die Wärmeleitfähigkeit der wärmeleitenden Grenzflächenmaterialien zu verbessern. Diese Verbundwerkstoffe werden voraussichtlich weit verbreitet sein und auf eine wachsende Marktnachfrage stoßen. Derzeit ist die Forschung zur Verringerung der Porosität und Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von wärmeleitenden Polymerverbundwerkstoffen durch Einfüllen von Pulverpartikeln noch nicht abgeschlossen. Die Verbesserung der Packungsdichte von Pulverpartikeln, die Verringerung der Porosität und die Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von Wärmeleitmaterialien sind dringende Herausforderungen beim Füllen wärmeleitender Polymerverbundwerkstoffe.
Aufgrund der schlechten Grenzflächenkompatibilität zwischen Magnesiumoxidpartikeln und der organischen Harzmatrix agglomerieren Magnesiumoxidpartikel leicht, was ihre gleichmäßige Verteilung in der Polymermatrix erschwert. Darüber hinaus erschwert der Unterschied in der Oberflächenspannung zwischen Magnesiumoxidpartikeln und organischem Harz die Benetzung der Partikeloberfläche durch die Polymermatrix. Dies führt zu Hohlräumen an der Grenzfläche und erhöht den Wärmewiderstand des Verbundwerkstoffs. Zu den wichtigsten Herausforderungen bei der Anwendung von Magnesiumoxid in Füllstoffen gehören die Reduzierung der Agglomeration zwischen Magnesiumoxidpartikeln, die Verbesserung der Grenzflächenkompatibilität zwischen Magnesiumoxidpulver und Polymermatrizes sowie die Verbesserung der Dispersion innerhalb der Polymermatrizes zur Herstellung von Hochleistungsverbundwerkstoffen.
Die Verwendung organischer Oberflächenmodifizierer zur Modifizierung der Partikeloberfläche durch Adsorption oder chemische Reaktion mit funktionellen Gruppen auf der Partikeloberfläche, wodurch die physikochemischen Eigenschaften der Pulveroberfläche, wie Oberflächenenergie und Oberflächenpolarität, gezielt verändert werden, kann das Problem der schlechten Dispergierbarkeit von Magnesiumoxidpulver wirksam lösen. Die Oberflächenbehandlung ist eine Schlüsseltechnologie zur Optimierung der Materialeigenschaften von Magnesiumoxidpulver und trägt maßgeblich zur Verbesserung seiner Anwendungsleistung und seines Wertes bei. Silanhaftvermittler sind die wichtigsten Oberflächenmodifizierer für Magnesiumoxid.
Diese Studie untersuchte die Oberflächenbehandlung von Magnesiumoxid mit verschiedenen Haftvermittlern zur Behandlung des Füllstoffs Magnesiumoxid. Der behandelte Füllstoff Magnesiumoxid wurde anhand von Ölabsorption, Viskosität und Rasterelektronenmikroskopie charakterisiert. Auch die Oberflächenbehandlungseffekte und -mechanismen der Haftvermittler wurden vorab untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass Haftvermittler die Ölabsorption von Magnesiumoxidfüllstoffen deutlich reduzieren können. Im Vergleich zu unbehandelten Magnesiumoxidfüllstoffen ist die Ölabsorption der behandelten Magnesiumoxidfüllstoffe deutlich geringer. Darüber hinaus weisen die behandelten Magnesiumoxidfüllstoffe eine bessere Dispergierbarkeit ohne nennenswerte Partikelagglomeration und mit reduzierter Kantigkeit auf.
Um die Wärmeleitfähigkeit von Grenzflächenmaterialien zu verbessern, wurden verschiedene Modifizierungsverfahren eingesetzt, um wärmeleitende Magnesiumoxid-Füllstoffe für Grenzflächenmaterialien zu modifizieren. Durch die Untersuchung der Auswirkungen der Morphologie, des Zugabegrads und des Mischungsverhältnisses der Magnesiumoxid-Füllstoffe auf die Wärmeleitfähigkeit der Grenzflächenmaterialien wurden die optimale kostengünstige Formulierung und das optimale Modifizierungsverfahren ausgewählt.