基于氧化鋁/羰基鐵粉的導熱吸波片特性分析

導熱吸波材料是解決5G電磁干擾及散熱難問題的重要技術(shù)途徑之一。該類材料一般通過在聚合物基材中填充具有吸波作用的吸收劑（如羰基鐵粉、碳化硅）以及較高熱導率的導熱粉體（如氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅、氮化硼、氮化鋁）等功能填料來制備。已有研究表明，羰基鐵粉磁性吸收劑同時具備介電常數(shù)和磁導率的頻散特性，有利于在寬頻范圍內(nèi)實現(xiàn)阻抗匹配和強電磁損耗，能較好地滿足材料吸波性能設(shè)計需要；氧化鋁粉具有較高的本征導熱系數(shù)（~36W/（m·K））以及電絕緣性能，在聚合物中填充濃度足夠高（超過逾滲閾值）的情況下能建立起導熱通路，從而獲得較高的宏觀熱導率。

汪旭文等人分別以羰基鐵粉和氧化鋁粉作為填料、丁腈橡膠作為基材制備導熱吸波片，考察羰基鐵粉/氧化鋁粉用量比例調(diào)整對復合材料的吸波和導熱性能的影響規(guī)律，為高效導熱吸波材料的組成與結(jié)構(gòu)設(shè)計提供具體參考。以下是實驗過程：

首先用適量二甲苯溶劑將丁腈橡膠基材溶解成溶液，按表1所示的填料質(zhì)量分數(shù)將羰基鐵粉、氧化鋁加入其中并充分攪拌至均勻分散，在80℃下將該復合體系的溶劑烘干；加入適量硫化劑并利用開煉機充分混煉，壓制成一定厚度的片材；最后在130℃/15MPa條件下熱壓1h，獲得厚度為0.5~2.0mm的系列羰基鐵粉/氧化鋁/丁腈橡膠片。

結(jié)果分析

圖1是采用的羰基鐵粉和氧化鋁粉末SEM照片和對應(yīng)的粒度分布曲線?？梢钥闯觯驶F粉和氧化鋁粉末的顆粒形貌均為球形，前者中位粒徑D50為5.24μm，在60～150μm區(qū)間的少許顆粒分布源于部分羰基鐵粉的團聚（粒徑較小，流動性相對較差），而氧化鋁粉的中位粒徑D50為84.9μm。利用粒徑差異較大的兩種填料進行配比使其有利于在導熱吸波片中形成緊密堆積，更好地滿足構(gòu)建導熱通路的設(shè)計需要。

圖2為制備的三組導熱吸波片截面SEM照片。從圖2a可以看出，含量較多、較小粒徑的羰基鐵粉均勻分散于橡膠基體中形成復合連續(xù)相，而含量相對較少、粒徑較大的氧化鋁顆粒彌散分布于羰基鐵粉/橡膠復合體系中；圖2b中，隨著氧化鋁粉含量的提升，兩種填料在橡膠基體中所占體積比趨于均衡，形成細小羰基鐵粉包裹大粒徑氧化鋁粉的形貌特征；圖2c顯示，氧化鋁粉含量進一步增加后，其顆粒間距明顯減小并有部分接觸，而此時羰基鐵粉含量較低不再呈連續(xù)分布狀態(tài)。

從表2可以看出，在基材質(zhì)量分數(shù)一定的條件下，隨著較小粒徑的羰基鐵粉比例減小、較大粒徑氧化鋁粉比例增大，填料的總體積分數(shù)呈增大趨勢，但總比表面積明顯減小，反映填料與基材的復合界面相應(yīng)地減少。

吸波能力

圖3為導熱吸波片在0.3~18GHz范圍的反射損耗（厚度為2mm）及其衰減系數(shù)計算結(jié)果。對同一厚度，導熱吸波片反射損耗曲線的峰值和對應(yīng)頻率分別為–23.9dB/6.3GHz（HA-1）、–19.8dB/9.9GHz（HA-2）和–22.6dB/13.2GHz（HA-3），即羰基鐵粉含量越低，對應(yīng)的反射損耗峰的位置越靠近高頻；三組樣品在反射損耗–10dB以下的帶寬分別達到3.63GHz、3.54GHz和5.13GHz，均表現(xiàn)出寬帶強吸收特性。另一方面，樣品的衰減系數(shù)均隨頻率的升高逐漸增大，即對高頻電磁波的損耗能力越強；同一頻率下羰基鐵粉含量越高的樣品衰減系數(shù)越大，如15GHz處，HA-1、HA-2和HA-3樣品的衰減系數(shù)分別47.6dB/cm、25.8dB/cm和14.5dB/cm。上述結(jié)果表明，羰基鐵粉和氧化鋁粉的比例調(diào)整對導熱吸波片的吸波性能具有顯著的調(diào)控作用，適當增大羰基鐵粉的含量有利于提升材料的電磁波損耗能力。

導熱性能

制備的導熱吸波片熱導率（λ）如圖4所示?？梢钥闯?，隨著羰基鐵粉含量減小、氧化鋁粉含量增大，樣品的熱導率呈先上升后下降的趨勢。這一現(xiàn)象主要由復合體系中羰基鐵粉/橡膠和氧化鋁/橡膠的二相界面熱阻變化以及羰基鐵粉和氧化鋁的本征熱導率差異所引起。由表2可以看出，隨著羰基鐵粉比例減小、氧化鋁比例增大（HA-1→HA-2），填料的總比表面積減小，填料與丁腈橡膠基體的二相界面相應(yīng)減少，材料整體的聲子散射減弱，界面熱阻減小，熱導率隨之提高，因而HA-2的熱導率高于HA-1；當氧化鋁比例進一步增大時（HA-2→HA-3），復合體系中氧化鋁顆粒間接觸增多，氧化鋁與羰基鐵粉熱流逐漸沿氧化鋁形成的通路傳導，羰基鐵粉傳導的熱流貢獻減小，但氧化鋁的本征熱導率低于羰基鐵粉，導致樣品HA-3熱導率低于HA-2。在考察的三組樣品中，羰基鐵粉與氧化鋁粉質(zhì)量分數(shù)相同的HA-2樣品熱導率相對較高（~1.66W/（m·K）），是丁腈橡膠基材（~0.25W/（m·K））的6.64倍。基于上述導熱機理分析，通過兩種填料的粒徑和體積分數(shù)等工藝參數(shù)優(yōu)化，減小界面熱阻并構(gòu)建高效導熱通道，是進一步提升導熱吸波片導熱性能的有效途徑。

結(jié)論

（1）在橡膠基材質(zhì)量分數(shù)一定的條件下，考察范圍內(nèi)減少較小粒徑羰基鐵粉（D50=5.24μm）并相應(yīng)增加較大粒徑氧化鋁粉（D50=84.9μm）的用量，導熱吸波片中填料的總體積分數(shù)有所增大，但總比表面積（對應(yīng)填料/基材復合界面）明顯減小。

（2）隨著羰基鐵粉含量減小、氧化鋁粉含量增大，導熱吸波片的反射損耗峰位置移向高頻，考察的三組樣品均表現(xiàn)出寬帶強吸收特性；衰減系數(shù)均隨頻率的升高逐漸增大，同一頻率下羰基鐵粉含量越高的樣品衰減系數(shù)越大。

（3）隨著羰基鐵粉含量減小、氧化鋁粉含量增大，導熱吸波片的熱導率呈先上升后下降的趨勢；其中，羰基鐵粉與氧化鋁粉質(zhì)量分數(shù)相同的HA-2樣品熱導率相對較高（~1.66W/（m·K）），達到丁腈橡膠基材（~0.25W/（m·K））的6.64倍。

以上內(nèi)容來源于：《汪旭文等：基于氧化鋁/羰基鐵粉的復合貼片吸波與導熱特性分析》有刪減。