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汇为热管理材料:从基础材料学的角度来了解导热界面材料

汇为热管理材料:从基础材料学的角度来了解导热界面材料(导热垫)
无论是含硅还是非硅的导热垫,基本都属于粘弹性材料。接下来,汇为热管理技术的团队将会大概解释下什么是粘弹性材料,所谓粘弹性材料就是能同时表现出粘性流动和弹性行为之间的一种材料。那究竟是弹性还是粘性占主导地位,很大程度上取决于施加于材料上的力的速率。
粘弹性是一种与速率相关的现象,小孩玩具“橡皮泥”就是一个典型的例子,与大多数导热垫一样,橡皮泥是一种高度填充的硅胶材料。大多数人可能都有过这样的经历,如果慢慢拉动橡皮泥,材料会拉伸变薄到极点而不会断裂。同样,如果向橡皮泥表面缓慢地施加压缩力(例如,重力随时间推移对其的作用力),则该材料会蠕变、流动并变平。在这两种情况下,橡皮泥的粘性都大于弹性,通过流动形成最终的形状。这些缓慢施加的力使橡皮泥内的硅胶分子重新排列成一种结构,以减轻和缓解作用在其上的力。
相反,如果向橡皮泥表面快速施加压缩力(例如,快速摔橡皮泥球),则该材料会变得坚硬并具有弹性,可抵抗形变,然后迅速恢复为原始形状,使球弹跳。如果迅速拉动橡皮泥,材料会再次产生弹性,在相对较小的拉力下就会迅速断成两半。在这两种情况下,相对于施加力的速度,硅胶分子根本没有足够的时间来重新排列结构,因此材料做出了弹性反应。

用相似但没有那么极限的方式,如果向导热垫材料表面施力,树脂内部胶合强度的反应方式取决于施加力的速度。弹性和粘度这两个要素始终存在,但它们之间的平衡取决于作用力的施加速度。当TIM发生形变时,应力将同时积累和消散。净总应力取决于应变速率。通常,应力积累占主导地位。然而,一旦形变运动停止,应力积累就会停止,而消除应力的内部分子重排将继续;因此,净效应是压力急剧下降。这种压力消散一直持续到垫片达到内部平衡,并保持一个恒定的压力。
因此,我们不难理解,在形变期间减小导热界面材料压力的一个最重要的方法就是:降低导热垫形变速度或分阶段或分步骤地使材料形变,进而确保有足够的时间发生内部分子重排,并降低总净压力。导热垫片形变速度越快,产生的弹性就越大,由于消散分子发生重排的时间更少,因此应力迅速增大。缓慢形变,总压力仍将增大,但同时松弛度也会更大。
蠕变是导热材料粘弹性产生的另一种现象。蠕变是指导热垫片在恒力作用下变薄。例如,橡皮泥球在长时间放置后,就会变平。它是在恒定的重力作用下通过流动而变薄变平。虽然导热垫片不会在重力作用下变平,但在某些情况下,可在导热垫片表面施加很小的压力,使其能随时间慢慢蠕变至最终所需的厚度。在这种持续施力的情况下(例如,在系统内使用弹簧或夹子),具有高柔性的导热垫片在可接受的压力下,其厚度通常会明显减小。以此方式,材料将缓慢形变,并且通常可以避免出现较大的压力峰值。