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鄒小姐：13326633089 -
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電子設備(bei)及集(ji)成電路的縮小化、智能(neng)化，元器件(jian)密度和功率不(bu)斷增加(jia)，使得電(dian)子設(she)備的高效散熱(re)成為行業的(de)發展(zhan)重點。目前，針對提高(gao)電(dian)子器件及設備導熱性能，可以采用導熱硅脂等熱界面(mian)材料，以及向基體(ti)材料中添加具有高熱(re)導率的導熱填料，來提高散熱效率(lv)，且其應用較為廣泛。另外可(ke)以將(jiang)金剛石、石墨(mo)烯、碳(tan)納米管(guan)作(zuo)為增(zeng)強相來制造復合材料，雖然其熱導率(lv)最高可(ke)達(da)600 W/(m·K)，但其制備工藝復雜，制作成本較高，因此實際應用較為困難。
另外，也有一些(xie)企業(ye)推出導熱涂層的方案，即在(zai)器件(jian)及設(she)備(bei)的(de)(de)外表(biao)面(mian)噴涂(tu)一層(ceng)高熱(re)(re)導(dao)率、長期(qi)服役(yi)的(de)(de)高導(dao)熱(re)(re)涂(tu)層(ceng)，熱(re)(re)量會先以傳導(dao)散(san)熱(re)(re)的(de)(de)方式(shi)到達涂(tu)層(ceng)表(biao)面(mian)，依靠涂(tu)層(ceng)的(de)(de)導(dao)熱(re)(re)、輻(fu)射的(de)(de)共(gong)同(tong)作用(yong)，快(kuai)速散(san)失熱(re)(re)量，使物(wu)體(ti)表(biao)面(mian)和內部溫度下降，最終實現降溫散(san)熱(re)(re)的(de)(de)目(mu)的(de)(de)。
導熱涂層的分類及性能特點
目前(qian)，導熱(re)涂層根(gen)據(ju)制(zhi)備方法和材(cai)料體(ti)系，分為三大(da)類。
第一類包括以噴涂技(ji)術制(zhi)備的金屬基(ji)純銅涂層、金屬基(ji)金剛石/銅復合涂層、金屬基納米氧化鋁-4%碳納米管復合涂層、金屬基石墨烯復合涂層。制備導熱涂層的噴涂技術主要包括冷噴涂、超音速等離子噴涂和熱噴涂技術。
熱噴涂技術
第二(er)類是以磁(ci)控(kong)濺射技術制備的金屬基(ji)單層、復合SiC涂層以及Si基表面沉積的AlN涂層、DLC涂層。磁控濺射技術制備導熱涂層時，通過調整涂層沉積溫度、涂層厚度及優化界面結構等方式，可提高涂層的熱導率，進而提高導熱性能。
磁控濺射(she)技術
第(di)三類是在(zai)非金屬基硅脂(zhi)、有機樹脂(zhi)中添加(jia)氧化鋁、二氧化硅、氮(dan)化(hua)硅(gui)、氮化(hua)鋁、氮化(hua)硼顆粒(li)為填料(liao)制備的導熱涂層。這主(zhu)要是因為顆粒(li)具(ju)有較(jiao)高的熱導率，可以(yi)更好地(di)提高涂層的熱導率。
在器件或設備表面(mian)涂(tu)覆導熱涂(tu)層，通常(chang)需(xu)要發揮如下作用：
（1）高(gao)導熱率。涂(tu)層的導(dao)熱(re)能(neng)力(li)主要由熱(re)導(dao)率決定，在(zai)基(ji)體表面沉積一層具(ju)有高熱(re)導(dao)率的涂(tu)層，可以提高器(qi)件或設備的導(dao)熱(re)性能(neng)；
（2）抗腐蝕性(xing)。導(dao)(dao)熱(re)涂(tu)層涂(tu)覆(fu)在(zai)設備外表面，在(zai)使用過程中會被腐(fu)蝕，嚴重影響設備的使用壽(shou)命。因此，為了(le)減小(xiao)腐(fu)蝕帶來(lai)的影響，導(dao)(dao)熱(re)涂(tu)層應具備抗(kang)腐(fu)蝕性；
（3）表面(mian)結(jie)合強度良好。在實際(ji)使(shi)(shi)用過程中，涂層可(ke)能會(hui)因(yin)為震動、磨損等使(shi)(shi)用環境，發生開裂和(he)剝(bo)落，進而影(ying)響設(she)備或器件的(de)導熱(re)能力，最(zui)終影(ying)響設(she)備的(de)正常運轉，因(yin)此導熱(re)涂層需要(yao)具備結合(he)強度高(gao)的(de)特點(dian)。
導熱涂層制備技術
一(yi)、冷噴(pen)涂技術(shu)
冷噴(pen)涂是(shi)一種金屬噴(pen)涂工藝，但是(shi)它不同于(yu)傳統熱噴(pen)涂，它不需(xu)要將噴(pen)涂的金屬粒(li)子融化，所以噴(pen)涂基體表面產生的溫度較低(di)，通常(chang)不(bu)會超過150℃。由(you)于噴涂溫度較低，發生相(xiang)(xiang)(xiang)變的驅動力較小(xiao)，固體(ti)粒(li)子(zi)晶粒(li)不易長(chang)大，氧化現象(xiang)很難發生。因而適合(he)于噴涂溫度敏(min)感材(cai)(cai)料(liao)如納米(mi)相(xiang)(xiang)(xiang)材(cai)(cai)料(liao)、非晶材(cai)(cai)料(liao)、氧敏(min)感材(cai)(cai)料(liao)（如銅、鈦等）、相(xiang)(xiang)(xiang)變敏(min)感材(cai)(cai)料(liao)（如碳化物(wu)等）。
冷噴涂技術具有噴涂(tu)(tu)溫度低、涂(tu)(tu)層(ceng)孔隙率(lv)低、涂(tu)(tu)層(ceng)致密度高(gao)等特點(dian)，用其制備高(gao)導(dao)(dao)熱(re)涂層(ceng)可(ke)以實現高(gao)熱(re)導(dao)(dao)率(lv)。這(zhe)是因為空氣是熱(re)的(de)不良(liang)導(dao)(dao)體(ti)，其在封(feng)閉(bi)狀態(tai)下(xia)的(de)熱(re)導(dao)(dao)率(lv)只有(you) 0.023 W/(m·K)，所以降低涂層的孔隙率，提高致密度有利于實(shi)現高熱(re)導率。
目前主(zhu)要以鋁(lv)合金為基體，噴(pen)涂純銅粉末及(ji)銅復合粉末制備高導熱涂層(ceng)。
研究表明，通常厚涂(tu)(tu)層(ceng)的(de)熱導(dao)率比薄涂(tu)(tu)層(ceng)的(de)熱導(dao)率高(gao)，將(jiang)涂(tu)(tu)層(ceng)進行退(tui)火(huo)處理后(hou)，涂(tu)(tu)層(ceng)的(de)孔隙率進一(yi)步降(jiang)低，致密度進一(yi)步提高(gao)，隨(sui)著退(tui)火(huo)溫度的(de)升高(gao)，熱導(dao)率也會相(xiang)應的(de)增加。
冷(leng)噴涂厚薄Cu涂層致密度對比
二、熱(re)噴涂技術
制備(bei)高導熱涂層(ceng)的熱噴涂技術(shu)，主要有等離子噴涂技術(shu)、超(chao)音速火焰噴涂技術(shu)及(ji)爆炸噴涂技術(shu)。熱噴(pen)涂基(ji)體(ti)材料(liao)不受(shou)限制，可以(yi)是金(jin)屬和(he)非金(jin)屬，也能(neng)在各種各樣基(ji)體(ti)材料(liao)上實(shi)現(xian)噴涂，操作流程(cheng)較簡便，但由(you)于(yu)熱噴(pen)涂涂層(ceng)有著特(te)殊的(de)層(ceng)狀結構和若干微(wei)小氣(qi)孔(kong)，涂層(ceng)與底材(cai)的(de)結合通常是機械方(fang)式,其結合強度較低。在許多情況下,熱噴涂可以造成相變、一部分元素的分解和揮發以及一部分元素的氧化。
熱噴涂(tu)技術原理(li)
目前(qian)噴涂粉末主要有銅粉、鎢/銅混合粉末、金剛石/銅混合粉末、氧化鋁粉末、氧化鋁/碳納米管混合粉末等，采用不同質量分數的混合粉末制備涂層會導致涂層的熱導率不同。
值得一(yi)提的(de)是(shi)，熱噴(pen)(pen)涂(tu)(tu)技術將噴(pen)(pen)涂(tu)(tu)粉末(mo)加熱至(zhi)熔(rong)化(hua)或半(ban)熔(rong)化(hua)的狀態，在(zai)噴(pen)涂過程中(zhong)會(hui)產生(sheng)(sheng)(sheng)應(ying)(ying)力(li)（主要是(shi)熱應(ying)(ying)力(li)和壓應(ying)(ying)力(li)）。噴(pen)涂溫度較高，導(dao)致(zhi)熱應(ying)(ying)力(li)產生(sheng)(sheng)(sheng)，且粉(fen)末撞擊基體表面產生(sheng)(sheng)(sheng)壓應(ying)(ying)力(li)，在(zai)熱應(ying)(ying)力(li)和壓應(ying)(ying)力(li)的(de)共同作(zuo)用下，會(hui)造成涂層物相的(de)轉變(bian)，導(dao)致(zhi)整體熱導(dao)率的(de)降(jiang)低。
此(ci)外，不同粉(fen)末的制(zhi)備方法(fa)也會影響(xiang)涂層的熱(re)導率，因(yin)此(ci)通過熱(re)噴涂技術，選取高導熱率(lv)、熔點高的粉末來制備高導熱涂層，會(hui)取得更(geng)好的散熱性能(neng)。
氣霧(wu)法與(yu)球(qiu)磨法制備粉(fen)末的涂層性能(neng)對比(bi)
三、磁控濺(jian)射(she)技(ji)術
磁控濺射是物理(li)氣相沉積（Physical Vapor Deposition，PVD）的一種。一般的濺射法可被用于制備金屬、半導體、絕緣體等多材料，且具有設備簡單、易于控制、鍍膜面積大和附著力強等優點，后來更是實(shi)現了高速、低溫、低損傷(shang)。磁(ci)控濺射能精準控制膜層厚(hou)度，既(ji)可(ke)以(yi)沉(chen)(chen)積金屬膜層，也可(ke)以(yi)沉(chen)(chen)積非金屬膜層、化(hua)合物膜層，只是通常氣體(ti)離化率較(jiao)低，濺射率需要提高。
目前主要(yao)通過(guo)非平衡磁(ci)(ci)控(kong)濺(jian)射(she)、真空(kong)磁(ci)(ci)控(kong)濺(jian)射(she)、直流磁(ci)(ci)控(kong)濺(jian)射(she)、高能(neng)脈沖磁(ci)(ci)控(kong)濺(jian)射(she)及射(she)頻磁(ci)(ci)控(kong)濺(jian)射(she)等磁(ci)(ci)控(kong)濺(jian)射(she)技術沉積AlN、Ge、SiC薄膜，制備高導熱涂層。
對于磁(ci)控濺射技術制備高導熱涂層(ceng)，沉積(ji)溫度(du)(du)越(yue)高，則涂層(ceng)致密度(du)(du)越(yue)高，從而提(ti)高涂層(ceng)的(de)(de)整體(ti)熱導率。此(ci)外，涂層(ceng)厚(hou)度(du)(du)對熱導率的(de)(de)影響也很大，隨著涂層(ceng)厚(hou)度(du)(du)的(de)(de)增(zeng)(zeng)加，熱導率提(ti)高，但熱導率不會(hui)隨著涂層(ceng)厚(hou)度(du)(du)一(yi)直(zhi)增(zeng)(zeng)加。并(bing)且(qie)在制備過程中，涂層材料(liao)的結構對涂層的熱(re)導率也有一定的影響(xiang)，通常晶(jing)體(ti)結構(gou)的(de)熱導率高于非晶(jing)體(ti)的(de)熱導率。
磁控濺射(she)制(zhi)備(bei)涂層的原理圖
四、涂料技術
對于涂料(liao)(liao)(liao)技術制備高(gao)導(dao)(dao)熱涂層，對熱導(dao)(dao)率(lv)(lv)(lv)影(ying)響最大的(de)(de)因素(su)是(shi)填料(liao)(liao)(liao)本(ben)身的(de)(de)熱導(dao)(dao)率(lv)(lv)(lv)及填料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)級(ji)配。通過添加(jia)具有(you)高(gao)熱導(dao)(dao)率(lv)(lv)(lv)的(de)(de)填料(liao)(liao)(liao)及調節混合填料(liao)(liao)(liao)之間的(de)(de)級(ji)配，可以有(you)效地提高(gao)涂料(liao)(liao)(liao)涂覆后涂層整體的(de)(de)熱導(dao)(dao)率(lv)(lv)(lv)。
但涂料(liao)技術制備導(dao)(dao)熱(re)(re)(re)(re)涂層(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)(re)導(dao)(dao)率并(bing)不是(shi)特別的(de)(de)(de)高(gao)，這(zhe)可(ke)能(neng)(neng)是(shi)由于(yu)本身基(ji)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)(re)導(dao)(dao)率很低(di)(di)，添加具有高(gao)導(dao)(dao)熱(re)(re)(re)(re)填(tian)料(liao)后，填(tian)料(liao)不能(neng)(neng)均(jun)勻(yun)地分(fen)布(bu)在(zai)基(ji)體(ti)(ti)中(zhong)，不能(neng)(neng)形成(cheng)完整(zheng)的(de)(de)(de)導(dao)(dao)熱(re)(re)(re)(re)通路，降低(di)(di)涂層(ceng)(ceng)整(zheng)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)(re)導(dao)(dao)率。理(li)想(xiang)的(de)(de)(de)制備高(gao)導(dao)(dao)熱(re)(re)(re)(re)涂層(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)涂料(liao)技術應選(xuan)取高(gao)導(dao)(dao)熱(re)(re)(re)(re)顆粒，并(bing)能(neng)(neng)在(zai)基(ji)體(ti)(ti)中(zhong)分(fen)布(bu)均(jun)勻(yun)，通過一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)排布(bu)方式(shi)在(zai)基(ji)體(ti)(ti)中(zhong)形成(cheng)完整(zheng)的(de)(de)(de)導(dao)(dao)熱(re)(re)(re)(re)通路。
總結
通過對比四種制備導(dao)(dao)熱(re)涂(tu)層(ceng)的方法可(ke)以發現，基于冷噴(pen)涂(tu)技術特點制備的導(dao)(dao)熱(re)涂(tu)層(ceng)具有優異的導(dao)(dao)熱(re)性能，且噴涂溫度低，具(ju)備一定的生產優(you)勢(shi)。但目前對于(yu)冷噴(pen)涂技術(shu)制備高(gao)導涂層主(zhu)要以噴(pen)涂銅(tong)粉為主(zhu)，想要在電子電器設備中使(shi)用(yong)，其電絕緣性還不能滿足要求。
為了(le)滿足小型(xing)化、微型(xing)化電(dian)子設備及電(dian)子電(dian)路的(de)(de)散熱需求，基于冷噴涂(tu)制(zhi)備高(gao)熱導率(lv)且絕(jue)(jue)緣性(xing)良好的(de)(de)導熱涂(tu)層(ceng)(ceng)，可以采取(qu)分(fen)層(ceng)(ceng)技(ji)術制(zhi)備復合(he)涂(tu)層(ceng)(ceng)，在基體(ti)(ti)表(biao)面先(xian)噴涂(tu)一層(ceng)(ceng)絕(jue)(jue)緣的(de)(de)粉(fen)末，再噴涂(tu)具(ju)有(you)(you)高(gao)熱導率(lv)的(de)(de)粉(fen)末；或者是采用絕(jue)(jue)緣顆粒包裹銅粉(fen)，制(zhi)備具(ju)有(you)(you)絕(jue)(jue)緣、高(gao)導熱、耐(nai)腐蝕、結合(he)強度高(gao)的(de)(de)高(gao)導熱涂(tu)層(ceng)(ceng)。這將(jiang)突破(po)目前高(gao)導熱涂(tu)層(ceng)(ceng)的(de)(de)應用限制(zhi)，實現高(gao)導熱涂(tu)層(ceng)(ceng)的(de)(de)進一步發展(zhan)。
參考(kao)來源：
高導(dao)熱涂層制備及其性能研究進(jin)展(zhan)，林寧、李偉青(qing)、康(kang)嘉(jia)杰、秦文波、岳文、佘丁順(shun)、王成彪(biao)（1.中國(guo)(guo)地質(zhi)(zhi)大學(xue)(xue)（北京）工程技術學(xue)(xue)院；2.中國(guo)(guo)地質(zhi)(zhi)大學(xue)(xue)（北京） 鄭州研究院；3.中國(guo)(guo)地質(zhi)(zhi)科學(xue)(xue)院，鄭州(zhou)礦產綜合(he)利用研(yan)究(jiu)所(suo)）。
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