高导热涂层制备及其性能研究进展

随着高集成技术、微电子封装技术、大功率LED技术以及超级计算机的迅猛发展,小型化、微型化与轻薄化成为现代及未来电子设备、电子电路的发展潮流,因此对散热要求越来越高.目前电子器件及设备主要应用导热硅脂、导热硅胶及复合材料来实现散热.若在器件及设备上制备一层具有高热导率、耐腐蚀、结合强度良好的导热涂层,可以更好地实现散热.从高导热涂层的应用背景及导热涂层的特点出发,阐述了制备方法和材料体系不同的三大类高导热涂层,重点介绍了以喷涂技术、磁控溅射技术、涂料技术制备高导热涂层的研究进展.对比这几种导热涂层制备技术可以发现,因为空气是热的不良导体,基于冷喷涂技术制备的涂层孔隙率低的特点,加之对涂层进行热处理后会更加致密,所以冷喷涂技术制备的导热涂层具有较高的热导率.但目前的喷涂粉末具有导电性,因此喷涂在电路及电器设备上应用还不够成熟.基于冷喷涂技术制备绝缘、高导热涂层,提高器件设备的导热性能,还有待进一步探索.     

高导热金刚石/铜复合材料的导热研究进展

金刚石/铜复合材料具有密度低、热导率高及热膨胀系数可调等优点,且与新一代芯片具有良好的热匹配性能,因此其在高热流密度电子封装领域具有非常广泛的应用前景。然而由于金刚石与铜界面润湿性差,界面热阻高,导致材料热导率比铜还低,限制了其应用。为了改善其界面润湿性,国内外通过在金刚石表面金属化或对铜基体预合金化等手段来修饰复合材料界面,以提高金刚石/铜复合材料的热导率。本文综述了表面改性、导热模型相关的界面理论以及有限元模拟的研究进展,讨论了制备工艺、导热模型和未来发展的关键方向,总结了金刚石添加量、颗粒尺寸等制备参数对其微观组织结构和导热性能的影响规律。     

超细陶瓷粉体对HT250组织和导热系数的影响

研究了HT250中添加改性超细陶瓷粉体前后的组织变化,并分析了加入改性超细陶瓷粉体后对显微组织和导热系数的影响.结果表明,添加超细陶瓷粉体后铸铁的组织明显改善,石墨细化且分布均匀,共晶团数增加,珠光层片间距减小;在25～400℃的测试温度范围内,导热系数随温度升高而降低;在同一温度下,添加粉体后较添加前导热系数略微下降,平均降低4.6％.     

PVD导热涂层的研究综述

首先从导热涂层的应用背景出发,分析了导热涂层研究的必要性,其次探讨了导热涂层的导热机理和影响涂层导热的宏观和微观因素。在此基础上,阐述了PVD导热涂层的研究现状,重点分析了Si C、AlN、DLC三种常见的具有较大应用潜力的PVD导热涂层。声子散射是影响涂层热导率的直接原因,涂层内部同位素、杂质、缺陷及晶界等均会引起声子发生散射,而界面声子散射引起的界面热阻对涂层导热性能影响巨大,通过合理选择制备技术和精确控制工艺参数,在一定程度上能改善涂层的导热性能,提高热导率。在此基础上,笔者提出了离子源辅助高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)的工艺配合,提高涂层质量和致密度,优化界面结构,降低界面热阻,以期实现涂层的高导热性能。     

导热绝缘硅胶材料用氧化铝性能研究

本文论述了氧化铝粉体在导热绝缘硅胶材料中的导热机理,并分别论述了氧化铝形貌、粒径分布、杂质含量等对导热绝缘硅胶性能的影响,并提出提高导热绝缘硅胶导热率及柔韧性的措施:提高氧化铝球形度可以提高硅胶的柔韧性,提高氧化铝α-相转化率和晶体的致密度、合理的粒度分布可以提高硅胶的导热率。严格控制杂质含量不但提高硅胶的绝缘性能且能提高导热率。     

高导热铝合金设计中亚共晶Al-Si合金与共晶Al-Si合金的分析研究

高导热铝合金的开发离不开成分设计的优化与创新。提高铝合金的导热性能、力学性能,使合金有更好的流动性,降低铸造成本是高导热铝合金开发的目标。Si是铝合金的重要元素之一,以Al-Si合金为基础的成分设计是常见的高导热铝合金设计方向。按Si含量的不同,一般分为以亚共晶Al-Si合金(硅含量约6-8%)为基础的成分设计方向和以共晶Al-Si合金(硅含量约11-13%)为基础的成分设计方向。     

含孔隙及界面热阻的复合材料有效导热系数

以最小热阻力法则及比等效导热系数法,通过修正串-并联模型,建立含界面热阻的固-固相复合材料等效导热模型,将固-固相复合材料转换为导热系数为等效热导率的单相固体材料,再利用含孔隙的单相材料导热系数模型推导含孔隙和界面热阻的复合材料有效导热系数。计算含孔隙及界面热阻的复合材料的有效导热系数并讨论气孔、分散相的含量及颗粒尺寸对其有效热导率的影响。将有效导热系数的理论值与相关实验数据进行比较。结果表明两者吻合较好,证明公式的准确性。     

燃气环境下热交换器导热柱腐蚀现象分析

采用扫描电子显微镜、X射线衍射分析仪和能谱分析仪等测试手段对铸铝热交换器导热柱基体及其腐蚀产物进行研究。结果表明,腐蚀产物的主要成分为铝和硅的氧化物及其复相化合物。为控制热交换器的腐蚀,应合理调整铸铝成分。     

高导热铝合金的开发与研究进展

铝合金具有密度小、强度高、导电导热性能好的优点,因此被广泛应用于电子及通讯行业。但是随着系统及设备都趋向于小型化、轻量化,并且功率密度的增加,对散热要求越来越高,常规铝合金已不能满足要求。文中重点阐述了高导热铝合金的分类、导热机理、影响导热性能的因素,并对目前国内外的研究进展情况进行了初步梳理和总结,对提高铝合金导热性能的研究方向给出了一些建议。     

高导热物质对水性环氧富锌涂料腐蚀行为的影响

通过电化学阻抗谱(EIS)研究了高导热物质对水性环氧富锌涂层防腐蚀性能的影响。采用3D激光显微镜对EIS试验后试样的表面形貌和粗糙度进行了分析,采用盐雾试验进一步分析了含不同量高导热物质涂层的防护性能。结果表明：高导热物质添加量为1%～4%时,涂层孔隙率低,浸泡初期具有优异的抗渗性能;高导热物质添加量为8%的涂层孔隙率较高,阻抗值较低,粗糙度较大,防护性能较差;高导热物质添加量为1%的涂层具有最为优异的防腐蚀性能。     

SiO2气凝胶复合型隔热涂层的制备及性能研究

目的探究SiO_2气凝胶在复合隔热涂料中的应用,从隔热机理出发,通过降低复合隔热涂层的导热系数,提高反射率、辐射率等方式,使涂层达到隔热降温的目的。方法首先通过单掺实验确定各填料的含量,并采用紫外/可见光/近红外分光光度计、红外辐射率测量仪和自制的测试隔热装置等,分析涂层的发射率、辐射率和隔热性能,最后通过正交实验方法得到最优涂层配方。结果 SiO_2气凝胶能显著降低涂层的导热系数,在此基础上,添加钛白粉、空心玻璃微珠、红外陶瓷粉等颜填料,能有效提高涂层的反射率和辐射率,从而进一步增强了涂层的隔热效果。分别添加质量分数为5%的SiO_2气凝胶、5%的钛白粉、5%的空心玻璃微珠和10%的红外陶瓷粉时,复合隔热涂层具有最优的隔热性能。SiO_2气凝胶复合型隔热涂层的干膜厚度为60μm时,与未涂覆的空白样板对比,温度最高可降低14.8℃。结论 SiO_2气凝胶复合型隔热涂层具有优异的隔热性能,并且具有薄层、轻质、环保等优点,具有一定的实际应用价值。     

SiO2气凝胶绝热涂层隔热与耐高温性能研究

目的探究SiO_2气凝胶在绝热涂层中的应用,利用SiO_2气凝胶的低导热系数、低密度、高孔隙率及低折射率等优异性质,提高涂层隔热性能和耐高温性能。方法通过筛选不同类型的水性树脂和功能填料,选择吸热较少的树脂和隔热性能优异的填料作为绝热涂层的原材料。采用自制隔热装置以及导热系数测量仪,对添加不同质量分数SiO_2气凝胶的绝热涂层的隔热性能进行研究,并采用XRD、FT-IR等多种分析手段,研究涂层加热到200、300、400℃时的物相结构和基团变化。结果水性丙烯酸树脂含吸热基团较少,在相同光照条件下,平衡温度分别比聚氨酯树脂和环氧树脂低0.8℃和1.8℃,适宜作SiO_2气凝胶绝热涂层的成膜物质。涂层隔热性能随SiO_2气凝胶质量分数的增加呈先增强后减弱的趋势,当SiO_2气凝胶质量分数为5%时,涂层的隔热性能最佳,同未添加SiO_2气凝胶的涂层相比,最大温差可达12℃。随SiO_2气凝胶质量分数的增加,涂层的耐高温性能提升,当SiO_2气凝胶的质量分数为7%时,涂层能在400℃高温下保持良好的性能。结论 SiO_2气凝胶对隔热涂层的隔热性能和耐高温性能有较大提升,对SiO_2气凝胶涂层的多领域应用奠定了一定基础。     

彩色建筑节能热反射隔热涂料研究

以高温烧结彩色陶瓷空心微珠为热反射隔热涂料的功能填料,制备了各色热反射隔热涂料,对涂层结构和组成配比进行了研究,试验结果表明：在相同颜色条件下,添加有彩色陶瓷空心微殊的涂层热传导率低,近红外反射率明显高于普通涂层,与染色的空心微珠相比,耐酸碱性、耐候性和耐高温性能优异,在建筑节能、工业仓储保温方面,具有广泛的应用前景。     

热喷涂热障涂层孔隙与涂层性能关系研究进展

孔隙在热障涂层中较为常见,孔隙对热障涂层的性能有利有弊。对热障涂层陶瓷层中孔隙的形成机理进行了综合分析,总结了热障涂层孔隙结构的调控方法,讨论了孔隙结构特征对热障涂层隔热性能和力学性能的影响。孔隙结构的引入将引起力学性能的下降,同时降低热障涂层的热导率,提高隔热效果。孔隙结构特征参数包括孔隙形状、孔隙间距、孔隙倾斜角、孔隙高宽比等,其中孔隙的倾斜角和高宽比对涂层导热性能的影响尤为重要,是孔隙结构的关键特征参数。通过原始粉末孔隙结构的保留、造孔剂(有机造孔剂、无机造孔剂)的搭配造孔、制备工艺(临界等离子喷涂参数、粒子扁平率等)的调节以及后续的孔隙处理,可实现热障涂层孔隙结构的调控。在实际应用过程中应同时兼顾力学性能和隔热性能,最重要的是保证热障涂层的有效寿命,需要综合考虑力学性能与导热性能的匹配。通过热障涂层孔隙结构特征的设计及分布控制,可实现孔隙结构高性能、高可靠性热障涂层的制备。     

填料对建筑节能涂层隔热性能的影响和机理

目的探究反射型、阻隔型和辐射型填料对建筑节能涂层反射隔热性能的影响,为填料在建筑节能涂料中的筛选应用提供一定的理论支撑。方法分别将金红石型二氧化钛、空心玻璃微珠和远红外陶瓷粉与苯丙乳液共混,制备了反射型、阻隔型和辐射型建筑节能涂料。采用扫描电子显微镜、紫外/可见/近红外反光光度计、导热系数测量仪和红外发射率测量仪对涂层性能进行表征,探究了三种填料添加量和平均粒径对涂层反射隔热性能的影响。结果金红石型二氧化钛、空心玻璃微珠和远红外陶瓷粉的最佳添加量(占成膜物质总质量的百分比,全文同)和平均粒径分别为25%和0.25μm、9%和325目、9%和1μm。此时对应涂层的太阳光平均反射率、导热系数、8~14μm波段的红外发射率分别为85.88%、0.05 W/(m·K)和0.91,隔热性能优异。结论填料添加量和平均粒径对建筑节能涂层的隔热性能均具有一定的影响,实际应用时可根据需要选择填料添加量和平均粒径。     

NiAl/NiCoCrAlY/8YSZ复合喷涂层的微观结构与性能研究

目的提高金属/陶瓷隔热涂层体系在海洋环境下的耐腐蚀性能。方法利用冷喷涂方法制备NiAl复合打底层和Ni CoCrAlY粘结层,与等离子喷涂制备的8YSZ陶瓷层构成适用于海洋环境的多层结构耐蚀隔热涂层体系。利用FE-SEM分别观察喷涂态粘结层和陶瓷层的表面、横截面形貌,通过EDS分析涂层元素分布;利用XRD分析表征涂层的物相组成;借助万能材料试验机,采用拉伸法测试涂层结合强度;利用热循环试验和焰流冲刷试验测试涂层的耐高温性能。结果微观分析表明,冷喷涂制备的NiAl复合打底层和Ni CoCrAlY粘结层形貌致密,涂层材料未发生明显氧化,颗粒变形程度不一,粘结层与基体间的结合强度约为18.4 MPa,粘结层与8YSZ陶瓷层界面结合紧密。陶瓷层物相结构和成分稳定,涂层经12次热震循环和1000个周期的高温焰流冲击后,表面未出现开裂、起皮和脱落。结论采用冷喷涂法和等离子喷涂法联合制备的耐蚀隔热复合涂层体系具备良好的耐热性和耐腐蚀性。冷喷涂制备的金属涂层结构致密,孔隙率低,与陶瓷层结合良好,能够有效提高涂层体系在腐蚀性环境中的耐蚀性能。NiAl复合涂层可以缓解Ni CoCrAlY粘结层和铝合金基材间的热匹配问题,增强涂层的结合性能。     

氮化铝陶瓷研究和发展

从氮化铝陶瓷的制备工艺，即粉末的合成、成形、烧结3个方面详细介绍了氮化铝陶瓷的研究状况，指出低成本的粉末制备工艺和氮化铝陶瓷的复合形状成形技术是目前很有价值的氮化铝陶瓷的研究方向。     

热障涂层失效机理、改进方法及未来发展方向

热障涂层(Thermal Barrier Coatings,TBCs)是用于航空发动机及燃气轮机的一种高效功能性隔热涂层,常用材料为氧化钇(质量分数6％～8％)部分稳定氧化锆(YSZ).首先,从TGO生长、高温烧结、CMAS腐蚀、盐雾腐蚀和热膨胀失配等方面介绍了YSZ的失效机理,以上因素会从不同程度上造成涂层分层、开裂乃至失效.其次,介绍了通过控制界面反应速度和元素扩散速度,改变涂层化学成分及结构等方法,改善YSZ性能.为适应下一代超高温热障涂层的发展要求,近年来,国内外针对制备工艺的改善和新材料性能进行了研究.通过调控等离子物理气相沉积的喷距,能得到不同微观结构的热障涂层,运用纳米粉体再造粒技术,能制备出抗热震性能、耐磨抗腐蚀性、韧性以及可加工性更为优异的纳米结构涂层.ABO3型钙钛矿结构钡盐、钽酸盐、石榴石结构稀土铝酸盐、磁铅石结构稀土铝酸盐、独居石结构稀土磷酸盐等新型陶瓷层材料的研究是一大热点.与传统YSZ相比,新陶瓷层材料有优异的高温相稳定性、高热膨胀系数、高热导率等性能,但存在断裂韧性低、组分复杂等缺点.最后,为热障涂层未来研究指出了方向,并展望了其面临的挑战.     

Thermal conductivity and elastic modulus evolution of thermal barrier coatings under high heat flux conditions

Laser high heat flux test approaches have been established to obtain critical properties of ceramic thermal barrier coatings (TBCs) under near-realistic temperature and thermal gradients that may be encountered in advanced engine systems. Thermal conductivity change kinetics of a thin ceramic coating were continuously monitored in real time at various test temperatures. A significant thermal conductivity increase was observed during the laser-simulated engine heat flux tests. For a 0.25 mm thick ZrO₂-8% Y₂O₃ coating system, the overall thermal conductivity increased from the initial value of 1.0 W/m K to 1.15, 1.19, and 1.5 W/m K after 30 h of testing at surface temperatures of 990, 1100, and 1320 °C, respectively, Hardness and elastic modulus gradients across a 1.5 mm thick TBC system were also determined as a function of laser testing time using the laser sintering/creep and microindentation techniques. The coating Knoop hardness values increased from the initial hardness value of 4 GPa to 5 GPa near the ceramic/bond coat interface and to 7.5 GPa at the ceramic coating surface after 120 h of testing. The ceramic surface modulus increased from an initial value of about 70 GPa to a final value of 125 GPa. The increase in thermal conductivity and the evolution of significant hardness and modulus gradients in the TBC systems are attributed to sintering-induced microporosity gradients under the laser-imposed high thermal gradient conditions. The test techniques provide a viable means for obtaining coating data for use in design, development, stress modeling, and life prediction for various TBC applications.