复合材料学报ActaMateriaeCompos；文章编号:11)03-0；第28卷Vol128；第3期6月No13；June；；AlN填充有机灌封硅橡胶导热性能的数值模拟；田志红,范华乐,张浩,任凤梅,周正发,徐卫兵；(合肥工业大学化学工程学院,合肥230009)；摘要:通过数值技术及实验手段研究了含有球形氮化铝；
复合材料学报ActaMateriaeCompositaeSinica
文章编号:11)03-0217-06
第28卷 Vol128
AlN填充有机灌封硅橡胶导热性能的数值模拟
田志红,范华乐,张 浩,任凤梅,周正发,徐卫兵
(合肥工业大学化学工程学院,合肥230009)
摘 要: 通过数值技术及实验手段研究了含有球形氮化铝(AlN)导热填料的有机灌封硅橡胶的导热性能。采用随机序列吸附(RSA)方法,建立了AlN增强有机灌封硅橡胶的三维有限元模型,该模型可以生成颗粒位置随机分布、颗粒直径任意调整的代表体积单元,能够得到单一粒径和多粒径的模型。制备了半径3LmAlN增强硅橡胶的复合材料,并测试了不同填充量下体系的导热系数。对比有限元方法得到的导热系数预测值与实验测试结果,证明该模型能够较精确地模拟球形填料增强的复合材料。模拟结果显示:灌封胶的导热系数随着AlN含量的增加而增大,并且质量分数大于50%时增大的幅度越来越大;填料粒径呈正态分布时,能够在硅橡胶基体中有效堆积而提高填充量;两种粒径比例不同时,导热系数也不同。
关键词: 有机硅灌封胶;AlN;有限元分析;随机序列吸附(RSA);计算模型;导热系数中图分类号: TB330.1
文献标志码: A
NumericalsimulationofthethermalpropertyofAlNfilledsiliconeencapsulant
TIANZhihong,FANHuale,ZHANGHao,RENFengmei,ZHOUZhengfa*,XUWeibing
(SchoolofChemicalEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)
Abstract: ThethermalpropertyofAlNfilledsiliconeencapsulantwasinvestigatedthroughexperimentalmethodandnumericalsimulation.A3DfiniteelementmodelofAlNfilledsiliconeencapsulantwasbuiltbyrandomsequentialadsorption(RSA)method.Thismodelcangeneraterepresentativevolumeelementofrandomparticlelocationanddifferentparticlediameters.Thesingleparticlesizeandmultipleparticlesizesmodelscanbeestablished.TheAlNparticlesin3Lmfilledsiliconeencapsulantcompositewaspreparedandthethermalconductivitywastestedatdifferentfillingvolume.Themodelwasverifiedtobeaccuratebycomparingthepredictedandthepracticalthermalconductivity.Thesimulationresultsshowthatthermalconductivityofthesiliconeencapsulantincreaseswiththefillermassfraction,andthethermalconductivityincreasesrapidlyafterthefillermassfractionbeinghigherthan50%.WhentheAlNparticleswithnormaldistributionpackeffectively,thefillingvolumeisincreased.Thethermalconductivityisdifferentwhenthecompositeisfilledwithdifferentmassratiooftwodifferentparticles.
Keywords:AlN;finiteelementanalysis(FEA);randomsequentiaeadsorption(RSA);
thermalconductivity
有机灌封硅橡胶是指用硅橡胶制作的一类电子灌封胶,用于电子元器件的粘接、密封、灌封和涂覆保护等。与天然橡胶及其它合成橡胶相比,因其特殊的硅氧主链结构在防震性能、电性能、防水性能、耐高低温性能、防老化性能等方面性能优异,在航空航天、电子电器、化工、机械、建筑、交通运输等方面得到了广泛的应用[1-3]。普通的硅橡胶属于绝热材料,其导热性能低限制了它的使用,加入导热填料可提高其导热性能。填料的热导率不仅与
材料本身有关,而且与导热填料的粒径分布、形态、界面接触、分子内部的结合程度等密切相关。
研究者们一方面通过实验手段探讨影响导热的因素,另一方面提出了众多的预测模型,如Maxwell-Eucken模型[4],Bruggeman模型[5]等。而大量的实验测试表明,用各组分热导率及其体积分数的函数难以准确预测复合材料的导热率。用大量实验的方法来确定复合材料导热率在经济上可行性低,因此有必要寻求新的方法来预测填充型复合
收稿日期:;收修改稿日期:
基金项目:合肥工业大学科学研究发展基金(2010HGXJ0145)通讯作者:周正发,教授,研究方向:有机、无机复合材料 E-mail:
复合材料学报
在基体橡胶中的分散状态。
采用HotDisk2500型热物性测试仪(HotDiskInc.Sweden)测试样品导热系数。测试样品尺寸为:直径大于探头直径的3倍,厚度大于探头直径。
材料的导热率。建立一个能够正确描述复合材料细观结构模型,以此来研究在外载荷作用下复合材料内部的场物理量,是目前被普遍采用的一种方法。
有限元法被用来研究填料的类型、形状、尺寸及填料的体积比的变化对聚合物导热率的影响。RamaniK等提议用有限元模型来预测聚合物基于其微结构特征(长径比、填料体积比、表面热张力、填料分布)的宏观导热性能。KumlutasD等[7]用有限元分析方法计算出颗粒状及纤维状填料填充的复合材料的导热率与填料体积比之间的函数关系。SanadaK
2 热传导有限元模型
有机灌封硅橡胶的导热系数主要取决于硅橡胶、填料及其界面结合状况等因素。图1为粒径3Lm填充质量分数为78%AlN的导热硅橡胶的SEM照片。可以看出,近球体的AlN颗粒在硅橡胶基体中较均匀的分布,颗粒与基体结合较好,因实验所用为硅烷偶联剂,界面层与基体的导热系数差别小,而填料导热系数很大,对硅橡胶导热率起主导作用,界面层对结果造成的误差较小
等用堆砌模拟和有限元法推测高聚
物有效导热率与微观结构之间的关系。刘加奇等
建立了导热硅橡胶的二维模型并用有限元方法进行数值计算。于敬宇等[10]利用有限元模型分析了颗粒增强型金属复合材料(PMMCS)Al/SiC的颗粒尺寸对复合材料在不同应变率下的动态特性的影响。孙爱芳等利用ANSYS的参数化有限元分析技术对PTFE复合材料导热性能进行数值研究。
本文作者通过对不同含量和粒径的球形AlN颗粒填充的有机灌封硅橡胶进行有限元分析,预测其热导率,探究其导热系数与无机物颗粒的含量、粒径之间的关系,并与实验数据进行了比较。
简化模型忽略了界面层的影响。建立的模型假设AlN填料为粒径相同或服从正态分布、质地均匀且各向同性的小球;粒子在硅橡胶基体中均匀分布,粒子之间没有接触,导热单元由粒子及其外面包裹的硅橡胶基体组成。
1 实验内容
1.1 材料与样品制备
A,X-二乙烯基聚二甲基硅氧烷:V401-310,山东大易化工有限公司;含氢硅油:H202,山东大易
化工有限公司;氯铂酸:H2PtCl6#6H2O,徐州宏武;四甲基二乙烯基二硅氧烷:工业级,吉林吉化;甲基乙烯基MQ型硅树脂:DY-MQ201,山东大易化工有限公司;气相法白炭黑:R974,DAlN:颗粒半径为3Lm,合肥开尔纳米科技股份公司。
使用高速分散机(天津市材料试验机厂),将经硅烷偶联剂表面处理过的AlN导热填料分批逐次加入到添加了含氢硅油的乙烯基硅油中,制成A组份;加入到添加有氯铂酸催化剂的乙烯基硅油中,制成B组分。将A、B两组分按质量比1B1混合后,在125e条件下固化60min,要求试样硬度达到最终硬度的90%以上,制备导热性能测试样品。1.2 实验方法
使用日本JSM-6490LVSEM,在发射电压为5
kV,图1 填充质量分数78%AlN的导热硅橡胶的SEM照片Fig.1 SEMimagesofsiliconewith78%massfractionofAlN
田志红,等:AlN填充有机灌封硅橡胶导热性能的数值模拟#219#
本文中采用随机序列吸附方法(RSA)生成模型参数,其基本思想是先根据输入的参数(胞体边长、颗粒数目、颗粒大小等)随机生成颗粒的位置参数,再判断是否符合限制条件。这些限制条件包括各个颗粒均不相交,也不接触。若符合则继续生成下一个颗粒的位置;否则,重新生成当前颗粒的位置参数直到满足条件为止。然后用ANSYS软件读入模型的参数并生成模型。
生成模型参数的具体算法如下:
(1)获取输入参数。这些参数包括颗粒数N、胞体边长a、颗粒半径的均值和方差。
(2)根据颗粒半径的均值和方差,通过正态分布随机数发生器生成N个颗粒的半径数据。
(3)对半径按从大到小的顺序排序。
(4)置变量i=0。
(5)通过随机数发生器获得颗粒i的球心坐标(xi,yi,zi)。
(6)对于每个位置已经确定的颗粒j,判断颗粒i和颗粒j是否满足条件。如不满足则转到(5)。
(7)令i=i+1。
(8)判断i是否小于N,如果是,则转至(5)。(9)计算填料体积比和质量比,输出模型参数。
按照上述算法生成的模型如图2所示,其中图2(a)为单一粒径模型,图2(b)为粒径正态分布的模型。
单元类型选择热实体10节点四面体单元solid70,硅橡胶基体导热系数设为0.2W/(m#K),
图2 单一粒径和粒径正态分布的模型Fig.2 Modelsofsingleparticlesizeandnormal
distributionparticlesize
密度取1.05g/cm,AlN填料导热系数为200W/(m#K),密度取3.26g/cm3。选用智能网格划分,基体网格划分精度选6,填料网格划分精度选4。划分网格之后在模型的左侧面施加50e温度载荷,右侧面施加空气对流载荷,空气温度为25e,热对流系数为12.5W/(m2#K)。沿着传导方向的4个侧面绝热以实现周期性边界条件。划分网格并施加载荷后的模型如图3所示。
使用求解器进行求解并进行后处理得到的温度云图和热流矢量图如图4所示。温度云图4(a)形象说明了单元中温度的分布。可以看出,各个部分的温度变化不同,填充球颗粒的部分明显大于没有填充的部分;热流矢量图4(b)反映了在单元中热流流动的方向及大小,箭头的长短代表了热流的强弱,箭头方向代表了热流的方向;热流遇到了球颗粒,热流明显加大,
温度变化也很明显。
图3 划分网格并施加载荷后的基体与增强体模型
Fig.3 Modelsofmatrixandreinforcementswithmeshingandloading
复合材料学报
图4 稳态热分析输出的温度云图和热流矢量图
Fig.4 Photosoftemperaturecontourandthermalfluxvectorofsteady-statethermalanalysis
3 有限元方法求解
对于球状颗粒填充模型,取胞体边长为40Lm,颗粒半径为3Lm,建立了单胞模型,进行了有限元
分析。根据傅里叶稳态热传导规律,通过模型的热流Q为
=kL$T(1)dx
式中:k为模型的导热系数;L为胞体边长;$T为Q=kA
热传导方向上的温差。因而模型的导热系数k为k=L$T
图5 单一粒径与正态分布粒径AlN填充量与导热系数
关系的数值模拟结果
Fig.5 RelationshipbetweenthermalconductivityandmassfractionofAlNwithsingleparticalsizeandnormaldistribution
sizebynumericalsimulations
利用ANSYS对上述稳态传热问题进行求解后,可读出热流和热传导方向上模型两端的温度,进而计算出模型的导热系数。
4 结果与讨论
4.1 粒径3Lm非正态分布与正态分布的球形颗粒填充结果
根据固体物理学理论,AlN填充的硅橡胶是依靠声子来导热,电子和光子的导热可忽略不计。声子是人为量子化的固体点阵振动格波,其振动特点和传递规律与经典的振动和波的情况非常相近。传递介质的特性和结构对声子的传递具有很大的影响。通过图5可以发现随着AlN质量分数的增加,硅橡胶的导热系数也随之增大,且增加的幅度越来越大。质量分数低于50%时增长相对较缓,超过此含量则导热系数增加较明显。这是因为填料含量低时,其在橡胶基体中可以很好的分散,两者之间的接触点较少,不能形成很好的导热网链。而当填料含量较高时,两者在橡胶基体中的接触和相互作用增多,从
数。单一粒径填充量达到质量分数61.08%,导热系数为0.6076W/(m#K);球径正态分布的填充量比单一粒径要大,质量分数高达84.41%,导热系数为1.5273W/(m#K)。这是因为正态分布的球型颗粒粒径尺寸范围较大,可以在基体中有效堆砌,达到较高填充率,从而提高硅橡胶产品的导热系数。4.2 3Lm与6Lm两种粒径不同比例的填充结果
图6为3Lm与6Lm两种粒径不同比例填充的模拟结果。由图可知,硅橡胶的导热系数均随填料含量的增加而升高,大球径的比例含量高时导热硅橡胶的导热系数稍高,因此实际试验中可以适当的增加大球径颗粒的含量。粒径为6Lm的球为3Lm球个数的5/10时导热系数稍高,产生这种现象的原因主要是:在同样的含量时,粒径大的填料颗粒(
田志红,等:AlN填充有机灌封硅橡胶导热性能的数值模拟#221#
为规则的球体,相互接触时相切,只有点接触;而实验的球体颗粒不太规则,相互接触时可能有面的接触。低填充时,颗粒较分散,接触点很少,两者所得结果较符合;而随着填充量的增加,颗粒接触机会也增多,误差也就随着变大。有限元模型中的颗粒随机分布,而实验中的颗粒分布没有那么理想。有限元模型中颗粒与基体结合很好,而实验中颗粒表面处理较好时,结合较好。有限元模型所取的填料和基体的密度及导热系数与实验也有一定的差别。实际传热的过程是非常复杂的,有限元的模型不可能考虑所有的情况,因此在建立模型时做了
图6 两种粒径不同比例AlN填充热导率与填充量关系的
数值模拟结果
Fig.6 NumericalsimulationsontherelationshipbetweenthermalconductivityandAlNcontentwithdifferentratiooftwoparticles
一些简化和假设。但是,二者所得导热系数随填料质量分数的变化趋势是相同的,可以通过有限元模拟来预测无机物颗粒填充硅橡胶的导热系数。有限元模拟在模型体系上获得的相关信息一般比在实验中得到的多,在很多情况下,可以部分地取代实验。因此,运用有限元模拟和实验验证相结合的研究方法,不仅可以节约实验成本,而且能够大大缩短材料开发设计的周期。
少的/基体-填料0界面,减少硅橡胶基体与填料之间的表面声子扩散[14]。直径大时所形成的快导热通道范围也大,因此,硅橡胶的热导率稍高。这一规律在多种树脂-填料体系中均得以验证
4.3 数值模拟与实验结果的比较
在双组分混合固化硅橡胶中填充粒径为3Lm的AlN球形颗粒,按照不同比例填充可以得到一组导热系数,与本文中模拟的预测值相比较,得到图7
(1)通过计算不同质量分数AlN颗粒填充时硅橡胶的导热系数,发现导热系数随着填料质量分数的增加而增加,并且硅橡胶导热系数增加的幅度越来越大。
(2)球径呈正态分布的填料可以增大其在基体中的填充量,从而提高导热系数。因此,制作产品时宜采用不同粒径的导热填料进行填充。
(3)对于3Lm和6Lm两种粒径的AlN颗粒,随着粒径大的球颗粒比例的增多,硅橡胶的导热系数也稍微增大。
(4)模拟值与实验值符合较好,总体趋势一致,证明所建模型比较符合真实情况,可以用来指导实验。
图7 数值模拟与实验结果的比较
Fig.7 Comparisonsbetweennumericalsimulations
andexperimentalresults
[1] 冯圣玉,张 浩,李美江,朱庆增.有机硅高分子及其应用
[M].北京:化学工业出版社,.
[2] SebnemKemaloglu,GuralpOzkoc,AyseAytac.Propertiesof
thermallyconductivemicroandnanosizeboronnitridereinforcedsiliconrubbercomposites[J].ThermochimicaActa,):40-47.
[3] WangQ,GaoW,XieZM.Highlythermallyconductive
-e-由图7知,实验数据与模拟预测值较符合,证明所做模型较符合真实情况,能够起到指导实验的作用。在低填充量时,数值模拟结果与实验值符合较好,但当填充量超过30%时与实验值存在一定的
差距,模拟预测值偏小,这是由于有限元模拟条件
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导热硅胶垫的应用介绍
导热硅胶垫是一种导热介质，用来减少热源表面与散热器件接触面之间产生的接触热阻。在行业内，也可称之为导热硅胶片，导热矽胶垫，软性散热垫。导热硅胶垫可应用于家电电器中，例如在空调、微波炉、取暖器等电器中都是需要大热硅胶片的散热；在电源行业中，例如变压器、电容、电阻、电感等产品，只要属于大功率率的元件，那么都少不了导热硅胶片将这些元件的热量分散到外壳上去，在LED行业中导热片也有广泛的应用，导热硅胶片作用是将工作的铝基板的热量传到LED灯的外壳底部上；同时也可应用于PC上面，PC的主板上面比如南桥，北桥，主板芯片、显卡芯片等都需要导热硅胶片的热传递才行；其他行业如汽车电子、光电等等。导热硅橡胶材料导热的机理 & 导热硅橡胶材料是一种典型的高分子复合材料，其导热性能主要是由导热填料的种类和导热填料在硅橡胶基体中的分布情况决定的。金属填料（如Al、Ag等）具有较高的导热系数，但是大多数是导热也导电的；无机非金属材料（如AlN、SiC等）导热系数也较高，但价格相当昂贵；目前主要用金属氧化物（如Al2O3、ZnO等）作为导热填料，一些导热填料的导热系数。各种填充材料的导热机理均不同，金属材料主要是靠电子运动进行导热，金属导热率随温度的升高而降低，非金属的热扩散速度主要取决于邻近原子的震动及结合基团，在强共价键合的材料中，在有序的晶体晶格中导热是比较有效率的。所以在采用非金属材料作为导热填料时，如何提高体系中的导热“堆砌度”是提高导热系数的主要手段。东莞鑫隆橡胶制品厂,公司成立于2003年，是一家专业生产销售：、3M双面胶、eva脚垫、硅胶垫、橡胶垫、硅胶垫片、橡胶垫片、EVA胶垫、防滑脚垫、防震胶垫、透明胶垫、挂钩胶、、亚克力、金手指、各类泡棉胶垫。产品具有良好的弹性、耐水性、耐腐蚀性、防震动、保温性、隔音性、环保性。对各行各业产品起到防震、防尘、隔音、固定和美化外观的作用。公司现有多功能大型设备数台，全自动模切机、贴膜机、自动复卷机、自动裁切机、冲压先进生产设备，坚持以保证客户的高品质、短交期和低成本之要求。至今拥有先进的生产设备，具有一批经验丰富的管理人员和技术人员，多年来的经验、产品的制作经验和完善的服务，使我司赢得了广大顾客的需求。在如今市场竞争强烈的情况下，我厂愿与各厂商加强合作，不断改进迎接新挑战，取得双赢的局面。同时欢迎各厂商来电咨询，本司全体同仁表示真诚的敬意和感谢。详情请登录 公司网站 & & & & & &
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导热硅胶的类别特点性能应用与发展&　　导热硅胶就是指把特定的导电填充物添加到硅橡胶里所形成的一类硅胶。添加不同的导电填充物形成的硅胶所具备的导热系数差异也不同.具有低温下凝固（固态），高温溶解（粘稠液态），导热特性。目录&导热硅胶的类别&导热硅胶的特点&导热硅胶的性能&导热硅胶的应用&导热硅胶的发展导热硅胶的类别&　　普通的导热硅胶加入三氧化二铝等，高导热硅胶加入的是氮化硼等导热物质。导热硅胶粘合剂或灌封料的生产厂家一般可以根据需要制作不同的导热系数、固化速度、粘稠度、颜色、软硬度等，导热硅胶片（垫）生产厂家一般可以根据需要制作不同形状的制品。典型的导热硅胶粘合剂是单组分室温固化的一类粘合剂，依靠接触空气中水分子而固化。典型的导热硅胶灌封料是双组分的，其中包括加成性和缩合型两类。具有具有导热,绝缘,防震性能，材质柔软表面自带粘性，操作方便。导热硅胶的特点&　　导热硅胶就是导热RTV胶，在常温下可以固化的一种灌封胶，和导热硅脂最大的不同就是导热硅胶可以固化，有一定的粘接性能。结构上工艺工差的弥合,降低散热器和散热结构件的工艺工差要求具有减震吸音的效果、安装，测试，可重复使用的便捷性。导热硅胶的性能&　　导热硅胶有油脂形态的，也有固态的。具有导电，流体和稳定性特性。导热硅胶作为导热材料，能够很快的吸收热量，并且能散发热量。导热硅胶的导热系数越高，更为有效的将你的处理器散发出来的热量传导到散热器中。很多常见的导热产品都用硅胶作为导热的基础性材料。因为它们的电导率非常的弱。越来越多的导热硅胶中，会掺杂许多金属化合物成分，例如，传说中的北极银。为了得到强大的导热系数，它会在导热硅胶中参杂<span style="FONT-FAMILY: V COLOR: #.99%的纯银。但是虽然它们的导热系数有大幅增加，但是使用这些导热材料的时候，需要格外的小心。流体特性，流体就是可以流动的液体。作为导热硅胶来说，其组成的化合物由于热量和压力等原因会分散延展开来。小分子结构的导热硅胶，可以填补更加细小的缝隙和缺口。这样它们就会进一步增大处理器与散热器的热传导面积。常见的导热硅胶，都是以液体或者粘稠液体的形态存在的。导热硅胶具备长期的稳定性与可靠性。能够保证在一个相当长的时期内，持续为处理器与散热器进行导热换热。导热硅胶的应用&　　导热硅胶广泛应用于电源、电子、光电、通讯、笔记本电脑、液晶平板电视、家用电器、汽车等行业。导热硅胶的发展&　　导热硅胶的热导率偏低。使用新型导热填料　及新型填料复合技术，可大幅度提高材料的导热性、抗热　疲劳性、使用稳定性及热力学性能，是今后导热硅胶研发的方向。有机硅主链结构进行分子设计，改性等方法直接将导热基团引入到有机硅基体中是提高硅胶导热性的一个重要发展方向。 产品应用行业：家用电器：DVD、电视、吸尘器、音响、空调等；电子设备：数码相机、MP3、锂电池及各类通讯设备；办公设备：手提电脑、传真机、复印机、电脑周边产品；显示器、背光源、玩具、灯饰、电工产品、大型通讯机箱等。其它本公司重视效率原则，质量保证原则。只要是客户下单的，保证在交货期间按时交货。索样的当天发货。客户的要求或建议，我们公司会尽快第一时间向上级反应并抓紧时间处理好。给客户一个满意，圆满的答复温馨提示：以上单价仅供参考，非真实报价，实际报价会根据实际尺寸规格来报价，本公司可开具17%的增值税联系方式：
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