サーマルインターフェースマテリアルの高熱伝導性を追求する場合、熱伝導性フィラーの充填率を高めることは、複合材料の熱性能を向上させる有効な手段です。しかし、実際の応用においては、熱伝導性フィラーの充填率がある一定の値を超えると、材料の硬度が急激に上昇し、加工が困難になり、なじみ性が著しく低下するとともに、熱伝導率の向上が微々たるもの、あるいは停滞する場合があります。この現象の背後には、熱伝導性材料の科学における重要な概念-が重要な充填率にあります。
1.フィラーの種類
熱伝導性フィラーの場合、熱伝導性複合材内の内部熱伝達は主に 2 つのキャリア、電子とフォノンに依存します。さまざまな熱伝達メカニズムは、フィラーが効果的な熱伝導ネットワークを形成するために必要な重要な充填率に大きく影響します。
電子伝導性フィラー (銀、銅、グラフェンなど)
これらのフィラーは、熱伝達のために自由電子の移動と衝突に依存しています。その中心的な利点は、顕著な量子トンネル効果にあります。2 つの導電性フィラー粒子が互いに数ナノメートル以内に配置されると、直接接触していなくても、電子は間にある絶縁ポリマー障壁を通過してジャンプを達成する可能性があります。これは、物理的に切断されているネットワークが事前に熱的に接続されている可能性があることを意味します。したがって、これらの充填剤が効果的な熱伝導ネットワークを形成するための臨界充填率は、通常は低いです。
フォノニック導電性フィラー（例：アルミナ、窒化ケイ素などのセラミックフィラー、カーボンナノチューブ、グラフェンなどの炭素材料）
これらのフィラーは、熱伝達にフォノン (格子振動) を利用しています。無秩序なポリマーマトリックス中のフォノンの平均自由行程は非常に短いです。フォノンが高度に秩序化された結晶性フィラーと無秩序なマトリックスの間を移動するとき、またはフィラー間の小さなギャップを通過するとき、深刻なフォノンの不整合と散乱が発生します。効率的なフォノン経路を確立するには、フィラーが緊密でほぼ完璧な物理的接触を形成し、界面熱抵抗を最小限に抑える必要があります。この厳しい要件により、通常、臨界充填率が高くなります。さらに、同じ熱伝達メカニズムを持つフィラー間でも、フィラー自体の固有の熱伝導率がその臨界充填率に影響を与える可能性があります。熱伝導率の高いフィラーは本質的に熱伝達効率が高く、不完全な初期接続の「疑似ネットワーク」を通じて熱がより容易に伝達されるため、より少ない充填量で熱性能が大幅に上昇することが観察されます。逆に、熱伝導率が低いフィラーは熱効率が低く、それに沿った熱の流れを促進するためにより完全な熱伝導ネットワークが必要となるため、臨界充填率も低くなります。
2. フィラーの形態
形態はフィラー間の接触効率と最大充填密度を決定し、それによって重要な充填率に影響を与えます。幾何学的特性に基づいて、熱伝導性フィラーは主に次のように分類できます。
球状フィラー
球状フィラーの利点は分散が容易で流動性が良いことです。ただし、幾何学的対称性により、点接触でしかネットワークを形成できないため、粒子間の熱伝達効率が低くなります。効果的な接続を実現するには、比較的高い充填率が必要です。たとえば、熱伝導率を大幅に高めるには、球状アルミナの充填率は通常約 40% ～ 50% に達する必要があります。
異方性フィラー（板状/繊維状）
六方晶窒化ホウ素（h-BN）やグラフェンなどの板状フィラー、またはカーボン ナノチューブ（CNT）、炭素繊維、窒化アルミニウム ウィスカーなどの繊維状フィラーは、高いアスペクト比または長さ対直径比を備えています。-これらは、特に特定の方向に配向した場合に相互接続する可能性が高く、非常に低い充填率での「架橋」効果によって浸透ネットワークを形成します。ただし、これらのタイプのフィラーは分散が難しく、絡み合ったり凝集したりしやすいです。
不規則なフィラー
これらのフィラーは強力な機械的結合を示し、より低い充填率でより高い抵抗と粘度の急激な増加をもたらします。ただし、その不規則な形状により、フィラー間の接触点がある程度増加する可能性があります。臨界充填率は通常、球状フィラーと板状/繊維状フィラーの間に収まります。{2}}実際の工学では、単一の形態のフィラーでは、高い熱伝導率、加工のしやすさ、全体的な性能のバランスを取るのに苦労することが多いのは明らかです。{4}したがって、複数の形態のフィラーのハイブリダイゼーションが重要な戦略になります。たとえば、板状、繊維状、球状のフィラーを組み合わせると、それぞれの利点を活用してマルチレベルの熱伝導ネットワークを構築でき、「点-」と「点-面」の相乗効果が得られ、単一のフィラー システムよりもはるかに優れた全体的なパフォーマンスが得られます。-
3. フィラーの粒径と分布
大きなフィラー粒子間の各接触点における熱伝導経路はより直接的であり、フォノン散乱が減少し、熱伝達が促進されます。これらは相互接続して、より低い充填量で連続的な熱伝導チャネルを形成できます。しかし、大きな粒子間の接触点は比較的少なく、隙間が大きいため、形成される熱伝導ネットワークは比較的特異であり、比較的低い充填率で熱伝導率の限界に達します。逆に、小さな粒子は比表面積が大きく、粒子間の接触面積も大きくなりますが、フォノン散乱も激しくなります。効果的な熱伝導ネットワークを形成するにはより高い充填量が必要であり、その結果、臨界充填率が高くなります。実際の応用では、異なるサイズのフィラーを科学的にブレンドする（たとえば、大きな粒子を使用して骨格を形成し、中/小さな粒子を使用して空隙を埋める）ことが一般的です。この戦略は、連続的な熱伝導経路を形成するために必要な重要な充填率を大幅に最適化し、最終的な熱伝導率を高めます。一般に、幅広いサイズ分布により、最小限の合計量のフィラーを使用して、より豊富な経路を備えた熱伝導性骨格を構築することができます。ただし、分布が広すぎると非常に大きな粒子が導入され、処理パフォーマンスに影響を与えたり、局所的な応力集中を引き起こしたりする可能性があることに注意することが重要です。大小の粒子サイズのグラデーションによる熱伝導ネットワークの最適化。
4. フィラーの表面特性
物理的な熱伝導ネットワークが形成されている場合でも、フィラーと樹脂マトリックス間の結合が不十分な場合、フィラーの凝集が容易に発生する可能性があります。さらに、熱は界面で大きな抵抗（高いフォノン不整合）に遭遇します。これにより、効果的な熱経路を確立するためにより多くの量の充填剤が必要となり、臨界充填率が高くなります。シランなどのカップリング剤を使用してフィラー表面を改質すると、界面結合が強化され、界面の熱抵抗が減少し、形成された熱伝導ネットワークが真に効率的に機能できるようになります。これにより、同じ充填率での熱伝導率が効果的に向上し、同時にシステムの粘度が低下し、加工性も向上します。ただし、過度の修飾はフィラー-の接触を阻害し、逆説的に重要な充填率を増加させる可能性があります。
