环氧树脂基复合材料热界面(TIM)的研究

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大功率LED芯片在工作时产生的热量,不能快速有效的散失掉,将会严重影响大功率LED的发光强度及使用寿命。随着节能减排、发展低碳经济政策的推行,人们对于绿色照明光源的需求与日俱增,使得大功率LED在照明领域的应用越来越广泛,其散热问题是固态照明领域必须攻克的一道难关。在大功率LED的多层结构中,其层间粘接材料的低热导率及界面处理情况成为改善其散热问题的一个突破点。层间粘接材料需要具有较高的热导率、粘接强度,较好的绝缘性能以及与被粘接材料相匹配的热膨胀系数,才能有效地改善大功率LED整体的散热。本文在分析和总结绝缘导热粘接材料发展现状的基础上,根据现有的研究,采用硅烷偶联剂及水浴加热法来改善导热微粉及层间材料的微观与宏观两种界面,制备了碳化硼/环氧树脂、二氧化硅/环氧树脂、氮化硼/环氧树脂复合材料。并分别用OLYMPUS_BX53光学显微镜、SEM、FTIR、粘接强度测试、热导率测试、热膨胀系数测试、介电常数测试等对制备的复合材料进行了表征与分析。在有效介质均匀分布理论及傅里叶导热理论的基础上,运用Pal模型与Lewis-Nielsen模型计算理论热导率值,结合热导率实验结果与SEM图分析了范德瓦尔斯力对于复合材料热导率的影响。在此基础上,将制备的氮化硼/环氧树脂粘接材料与基板材料一起,制备环氧树脂多层复合材料,实验测试并研究了表面处理对于多层复合材料热导率、粘接强度、界面耐温性能及温度对耐久性能的影响。得到的主要结果如下:①在应用Pal模型与Lewis-Nielsen模型计算制备的碳化硼/环氧树脂、二氧化硅/环氧树脂复合材料热导率时发现:随着导热微粉质量分数的增加,导热微粉之间的距离减小,范德瓦耳斯力的作用增强,实验中二氧化硅/环氧树脂复合材料和碳化硼/环氧树脂复合材料的热导率也相继增加。通过对二氧化硅/环氧树脂复合材料的SEM图进行分析,证实了我们对于复合材料热导率机理的推断是正确的。②通过多次实验与性能测试,确定下来最佳的导热微粉表面处理方案。并用这种处理方法处理氮化硼导热微粉。实验结果表明:经表面处理后的氮化硼制备的氮化硼/环氧树脂复合材料热导率要远高于未经过表面处理的氮化硼/环氧树脂复合材料的热导率。与此同时,经过表面处理的氮化硼/环氧树脂复合材料的粘接强度要优于没有经过表面处理的氮化硼/环氧树脂复合材料。③经过表面处理的氮化硼/环氧树脂复合材料作为粘接剂,与基板材料一起制备的三层复合材料,其热导率远高于未经过表面处理的氮化硼/环氧树脂复合材料、基板材料组成的三层复合材料的热导率。在光学显微镜下观察氮化硼/环氧树脂三层复合材料宏观表面发现(俯视图与侧视图),未经过表面处理的氮化硼/环氧树脂复合材料表面出现了明显的热膨胀,材料被破坏。而经过表面处理的氮化硼/环氧树脂复合材料的表面,在温度升高时,表面未有明显变化,耐温性增强。对制备的三层复合材料进行相同时长,相同温度的热处理,发现经过表面处理的三层复合材料耐久性更好。
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