高导热柔性硅脂的Al2O3/AlN杂化填料表面改性策略与性能研究

针对电子器件高热流密度带来的散热难题，研究人员通过开发新型甲氧基功能化聚硅氧烷表面改性剂，系统优化Al2O3/AlN杂化填料的表面处理工艺，成功制备出导热系数达13.06 W/(m·K)的柔性TIMs（热界面材料），其LED芯片降温效果优于市售14.0 W/(m·K)产品，为高功率电子封装提供了低成本高性能散热解决方案。

　　

随着电子设备向高功率密度发展，芯片散热已成为制约性能提升的"卡脖子"难题。热界面材料（Thermal Interface Materials, TIMs）作为填补散热器与芯片间微米级空隙的关键材料，其导热性能直接决定设备寿命。当前商用TIMs面临两难困境：金属/碳基填料虽导热优异但绝缘性差，而传统陶瓷填料又难以兼顾高导热与易改性特性。

浙江方程新材料有限公司（Zhejiang Equation New Materials Co., Ltd）联合山东东岳有机硅材料有限公司的研究团队在《Surfaces and Interfaces》发表创新成果。他们独辟蹊径地采用甲氧基功能化聚硅氧烷（TMS-PDMS(TMOS)-TMS）作为表面处理剂，通过协同调控Al₂O₃的表面可修饰性与AlN的本征高导热（100-300 W/(m·K)），开发出兼具优异导热与流动性的杂化填料硅脂。

研究主要采用X射线光电子能谱（XPS）验证表面羟基减少程度，扫描电镜（SEM）观察有机包覆层形貌，傅里叶变换红外光谱（FT-IR）优化处理剂用量（AlN 1.0 wt%，Al₂O₃ 2.0 wt%），并通过锥入度仪和流变仪表征流变性能。

【优化表面处理策略】
发现聚合度n=6的改性剂在88 vol%填料负载下效果最佳，使Al₂O₃/AlN（120 μm/15 μm）杂化填料的导热系数达13.06 W/(m·K)，较纯聚硅氧烷基质提升64.3倍。XPS证实处理后填料表面羟基信号减弱，SEM显示形成均匀有机包覆层。

【流变性能调控】
优化配方展现卓越加工性：25℃粘度644.9 Pa·s，1/4锥入度51.0（0.1 mm），显著优于未改性体系的胶凝现象。这归因于改性剂分子链中甲氧基与填料表面的化学键合作用。

【实际应用验证】
在100 W高亮度LED芯片测试中，该材料使工作温度降低34.5℃，降温幅度超过商用14.0 W/(m·K)产品。其性能优势源于：1）AlN提供导热通路；2）Al₂O₃增强界面相容性；3）分级粒径分布（120 μm/15 μm）提升堆积密度。

该研究突破性地解决了高填料负载下的界面相容难题，开发的"有机-无机"协同改性策略为TIMs设计提供新范式。特别值得注意的是，通过精确控制改性剂聚合度（n=3-36）实现了填料-基体界面能的精准调控，这种"分子剪刀"式的表面工程方法可推广至其他陶瓷填料体系。研究成果获浙江省科技计划项目（2022C01138）支持，相关技术已显现产业化潜力，有望在5G基站、电动汽车功率模块等领域实现应用突破。