Lai paaugstinātu siltumvadītspēju termiskās saskarnes materiāliem, siltumvadošo pildvielu pildījuma koeficienta palielināšana ir efektīvs līdzeklis kompozītmateriālu siltuma veiktspējas uzlabošanai. Tomēr praktiskā pielietojumā, kad siltumvadīto pildvielu pildījuma attiecība pārsniedz noteiktu slieksni, materiāla cietība strauji palielinās, apstrāde kļūst apgrūtināta, un atbilstība ievērojami samazinās, savukārt siltumvadītspējas uzlabojums ir minimāls vai pat stagnē. Aiz šīs parādības slēpjas galvenais jēdziens zinātnē par siltumvadītajiem materiāliem{2}}kritisko pildījuma frakciju.
1. Pildvielas veids
Termiski vadošām pildvielām siltumvadošā kompozītmateriālā iekšējā siltuma pārnese galvenokārt balstās uz diviem nesējiem: elektroniem un fononiem. Dažādi siltuma pārneses mehānismi būtiski ietekmē kritisko pildījuma frakciju, kas nepieciešama, lai pildvielas veidotu efektīvu siltumvadošu tīklu:
Elektroniski vadošas pildvielas (piemēram, sudrabs, varš un grafēns)
Šīs pildvielas paļaujas uz brīvo elektronu kustību un sadursmēm siltuma pārnesei. To galvenā priekšrocība ir ievērojamā kvantu tunelēšanas efektā: kad divas vadošās pildvielas daļiņas atrodas dažu nanometru attālumā viena no otras, pat bez tieša kontakta, elektroniem ir iespēja šķērsot izolācijas polimēra barjeru starp tām, panākot lēcienu. Tas nozīmē, ka tīkls, kas ir fiziski atvienots, jau var būt termiski savienots iepriekš. Līdz ar to šo pildvielu kritiskā uzpildes frakcija, lai veidotu efektīvu siltumvadošu tīklu, parasti ir zema.
Fononiski vadošas pildvielas (piemēram, keramikas pildvielas, piemēram, alumīnija oksīds, silīcija nitrīds un oglekļa materiāli, piemēram, oglekļa nanocaurules, grafēns)
Šīs pildvielas siltuma pārnesei balstās uz fononiem (režģa vibrācijām). Vidējais fononu brīvais ceļš nesakārtotā polimēra matricā ir ārkārtīgi īss. Kad fononi pārvietojas starp ļoti sakārtotu kristālisko pildvielu un nesakārtoto matricu vai pāri mazām spraugām starp pildvielām, rodas nopietna fononu neatbilstība un izkliede. Lai izveidotu efektīvus fononu ceļus, pildvielām ir jāveido ciešs, gandrīz ideāls fiziskais kontakts, lai samazinātu saskarnes termisko pretestību. Šī stingrā prasība parasti rada augstāku kritisko uzpildes frakciju. Turklāt pat pildvielām ar tādu pašu siltuma pārneses mehānismu pašas pildvielas iekšējā siltumvadītspēja var ietekmēt tās kritisko pildījuma frakciju. Pildvielas ar augstu siltumvadītspēju pēc savas būtības ir ļoti efektīvas siltuma pārnesē, ļaujot siltumu vieglāk pārnest caur nepilnīgiem, savienotiem "kvazi{6}} tīkliem", tādējādi novērojot ievērojamu siltuma veiktspējas pieaugumu pie mazāka uzpildes daudzuma. Un otrādi, pildvielas ar zemāku siltumvadītspēju ir termiski mazāk efektīvas, un tām ir nepieciešams ideālāks siltumvadītspējīgs tīkls, lai veicinātu siltuma plūsmu gar to, līdz ar to arī to kritiskā pildījuma daļa ir mazāka.
2. Pildvielas morfoloģija
Morfoloģija nosaka kontakta efektivitāti starp pildvielām un maksimālo iepakojuma blīvumu, tādējādi ietekmējot kritisko pildījuma frakciju. Pamatojoties uz ģeometriskajiem raksturlielumiem, siltumvadošās pildvielas galvenokārt var iedalīt šādās kategorijās:
Sfēriskās pildvielas
Sfērisko pildvielu priekšrocība ir to vieglā izkliedēšanā un labā plūstamībā. Tomēr ģeometriskās simetrijas dēļ tie var veidot tīklus tikai ar punktu kontaktu, kā rezultātā starp daļiņām ir zemāka siltuma pārneses efektivitāte. Lai panāktu efektīvu savienojamību, ir nepieciešama salīdzinoši augsta uzpildes frakcija. Piemēram, sfēriskā alumīnija oksīda pildījuma frakcijai parasti ir jāsasniedz aptuveni 40% līdz 50%, lai ievērojami uzlabotu siltumvadītspēju.
Anizotropās pildvielas (plāksnēm{0}}līdzīgas/šķiedras)
Plākšņu-pildvielām, piemēram, sešstūra bora nitrīdam (h-BN) un grafēnam, vai šķiedru pildvielām, piemēram, oglekļa nanocaurulēm (CNT), oglekļa šķiedrām un alumīnija nitrīda ūsām, ir augsta malu attiecība vai garuma -pret-diametra attiecība. Tiem ir liela savstarpēja savienojuma iespējamība, it īpaši, ja tie ir orientēti noteiktā virzienā, veidojot caurlaidīgu tīklu, izmantojot "tilta" efektu pie ļoti zemām pildījuma frakcijām. Tomēr šāda veida pildvielas ir grūtāk izkliedējamas un pakļautas sapīšanai vai aglomerācijai.
Neregulāras pildvielas
Šīm pildvielām ir spēcīga mehāniska bloķēšana, kas rada lielāku pretestību un strauju viskozitātes pieaugumu pie zemākām pildījuma frakcijām. Tomēr to neregulārās formas zināmā mērā var palielināt kontaktpunktus starp pildvielām. To kritiskā pildījuma frakcija parasti ir starp sfērisku pildvielu un plākšņu/šķiedru pildvielu frakciju. Ir skaidrs, ka praktiskajā inženierijā vienam -morfoloģijas pildvielai bieži ir grūti līdzsvarot augstu siltumvadītspēju, apstrādes vieglumu un vispārējo veiktspēju. Tāpēc vairāku-morfoloģiju pildvielu hibridizācija kļūst par izšķirošu stratēģiju. Piemēram, plākšņu -šķiedru un sfērisku pildvielu apvienošana var izmantot to attiecīgās priekšrocības, veidojot daudzlīmeņu siltumvadošus tīklus, panākot "punkta{10}}līnijas" un "punkta-plaknes" sinerģiju, kā rezultātā kopējā veiktspēja ir daudz labāka nekā viena{12}}pildvielas sistēmām.
3. Pildvielas daļiņu izmērs un sadalījums
Siltuma vadīšanas ceļš katrā saskares punktā starp lielām pildvielas daļiņām ir tiešāks, samazinot fononu izkliedi un atvieglojot siltuma pārnesi. Tie var savienoties, veidojot nepārtrauktus siltumvadošus kanālus ar mazāku uzpildes daudzumu. Tomēr, tā kā saskares punktu starp lielām daļiņām ir salīdzinoši maz un starpsienu ir lielas, izveidotais siltumvadītspējas tīkls ir salīdzinoši vienreizējs, sasniedzot siltumvadītspējas robežu pie salīdzinoši zemas uzpildes frakcijas. Un otrādi, mazām daļiņām ir liela īpatnējā virsma un lielāks kontakta laukums starp daļiņām, taču fononu izkliede ir arī smagāka. Tiem nepieciešams lielāks uzpildes daudzums, lai izveidotu efektīvu siltumvadošu tīklu, kā rezultātā ir augstāka kritiskā uzpildes frakcija. Praktiskā pielietojumā izplatīta ir dažāda lieluma pildvielu zinātniska sajaukšana (piemēram, izmantojot lielas daļiņas, lai izveidotu skeletu, un vidējas/mazas daļiņas, lai aizpildītu tukšumus). Šī stratēģija ievērojami optimizē kritisko uzpildes frakciju, kas nepieciešama, lai veidotu nepārtrauktus siltumvadošus ceļus, un uzlabo galīgo siltumvadītspēju. Parasti plašs izmēru sadalījums ļauj izveidot siltumvadošu skeletu ar bagātīgākiem ceļiem, izmantojot minimālo kopējo pildvielu daudzumu. Tomēr ir svarīgi atzīmēt, ka pārāk plašs sadalījums var radīt ļoti lielas daļiņas, kas ietekmē apstrādes veiktspēju vai rada lokalizētu stresa koncentrāciju. Siltumvadošā tīkla optimizācija, izmantojot lielu un mazu daļiņu izmēru gradāciju.
4. Pildvielas virsmas īpašības
Pat ja veidojas fiziski siltumvadošs tīkls, slikta saikne starp pildvielu un sveķu matricu var viegli izraisīt pildvielas aglomerāciju. Turklāt saskarnē karstums saskaras ar ievērojamu pretestību (lielu fononu neatbilstību). Tam nepieciešams lielāks pildvielas daudzums, lai izveidotu efektīvus termiskos ceļus, kā rezultātā ir augstāka kritiskā uzpildes frakcija. Pildvielas virsmas modificēšana, izmantojot savienojošos līdzekļus, piemēram, silānus, var uzlabot saskarnes sasaisti, samazināt saskarnes termisko pretestību un ļaut izveidotajam siltumvadītajam tīklam darboties patiesi efektīvi. Tas efektīvi uzlabo siltumvadītspēju tajā pašā pildījuma frakcijā, vienlaikus samazinot sistēmas viskozitāti un uzlabojot apstrādājamību. Tomēr pārmērīgas modifikācijas var kavēt kontaktu ar pildvielu{5}}, paradoksālā kārtā palielinot kritisko uzpildes daļu.
