У потрази за већом топлотном проводљивошћу за термичке материјале интерфејса, повећање односа пуњења топлотно проводљивих пунила је ефикасно средство за побољшање топлотних перформанси композита. Међутим, у практичним применама, када однос пуњења топлотно проводљивих пунила пређе одређени праг, тврдоћа материјала се нагло повећава, обрада постаје тешка, а конформабилност се значајно смањује, док је побољшање топлотне проводљивости минимално или чак стагнира. Иза овог феномена лежи кључни концепт у науци о топлотно проводним материјалима-критичне фракције пуњења.
1. Врста пунила
За топлотно проводне пунилице, унутар топлотно проводног композита, унутрашњи пренос топлоте се првенствено ослања на два носиоца: електроне и фононе. Различити механизми преноса топлоте дубоко утичу на критичну фракцију пуњења потребну да пуниоци формирају ефикасну топлотно проводљиву мрежу:
Електронски проводљиви пуниоци (нпр. сребро, бакар и графен)
Ова пунила се ослањају на кретање и сударе слободних електрона за пренос топлоте. Њихова основна предност лежи у значајном ефекту квантног тунелирања: када се две проводне честице пунила доведу на неколико нанометара једна од друге, чак и без директног контакта, електрони имају вероватноћу да пређу изолациону полимерну баријеру између, постижући скок. То значи да је мрежа која је физички искључена можда већ термички повезана унапред. Сходно томе, критична фракција пуњења за ова пунила да формирају ефикасну топлотно проводну мрежу је типично ниска.
Фононски проводни пуниоци (нпр. керамичка пунила као што су глиница, силицијум нитрид и угљенични материјали као што су угљеничне наноцеви, графен)
Ова пунила се ослањају на фононе (вибрације решетке) за пренос топлоте. Средњи слободни пут фонона у неуређеној полимерној матрици је изузетно кратак. Када фонони путују између високо уређеног кристалног пунила и неуређене матрице, или преко ситних празнина између пунила, долази до озбиљног неслагања и расејања фонона. Да би се успоставили ефикасни фононски путеви, пуниоци морају да формирају чврст, скоро савршен физички контакт како би се минимизирао међуфазни топлотни отпор. Овај строги захтев обично резултира већом критичном фракцијом пуњења. Штавише, чак и међу пунилима са истим механизмом преноса топлоте, сопствена интринзична топлотна проводљивост пунила може утицати на његову критичну фракцију пуњења. Пунила са високом топлотном проводљивошћу су инхерентно веома ефикасна у преносу топлоте, омогућавајући лакше преношење топлоте кроз несавршене, 初步 повезане „квази{6}}мреже, чиме се примећује значајан скок топлотних перформанси при мањим количинама пуњења. Насупрот томе, пунила са нижом топлотном проводљивошћу су термички мање ефикасна и захтевају савршенију топлотно проводљиву мрежу како би се олакшао проток топлоте дуж ње, па је и њихова критична фракција пуњења нижа.
2. Морфологија пунила
Морфологија одређује ефикасност контакта између пунила и максималну густину паковања, чиме утиче на критичну фракцију пуњења. На основу геометријских карактеристика, топлотно проводљива пунила се углавном могу категорисати као:
Спхерицал Филлерс
Предност сферних пунила је у њиховој лакој дисперзији и доброј течљивости. Међутим, због геометријске симетрије, они могу да формирају мреже само преко тачака контакта, што резултира мањом ефикасношћу преноса топлоте између честица. Потребна је релативно висока фракција пуњења да би се постигла ефективна повезаност. На пример, фракција пуњења за сферичну глиницу обично треба да достигне око 40% до 50% да би се значајно побољшала топлотна проводљивост.
Анизотропни пуниоци (попут плоча-/влакнасти)
Пуњачи налик плочама као што су хексагонални бор нитрид (х-БН) и графен, или влакнасти пуниоци као што су угљеничне наноцеви (ЦНТ), угљенична влакна и бркови од алуминијум нитрида, поседују висок однос ширине и висине дужине-према{3}}односа. Имају велику вероватноћу међусобног повезивања, посебно када су оријентисане у одређеном правцу, формирајући перколирајућу мрежу кроз ефекат „премошћавања“ при веома малим фракцијама пуњења. Међутим, ове врсте пунила се теже распршују и склоније су заплитању или агломерацији.
Неправилни пуниоци
Ова пунила показују снажно механичко спајање, што доводи до веће отпорности и наглог повећања вискозитета при нижим фракцијама пуњења. Међутим, њихови неправилни облици могу донекле повећати контактне тачке између пунила. Њихова критична фракција пуњења се обично налази између сферних пунила и плочастих{2}}сличних/влакнастих пунила. Очигледно је да се у практичном инжењерингу једно-филтер морфологије често бори да уравнотежи високу топлотну проводљивост, лакоћу обраде и укупне перформансе. Стога, хибридизација мулти-морфолошких пунила постаје кључна стратегија. На пример, комбиновање плочастих-сличних, влакнастих и сферичних пунила може искористити њихове предности за изградњу топлотно проводних мрежа на више- нивоа, постижући синергију „тачка-линије“ и „тачке{11}}равнине“, што резултира у укупним перформансама далеко бољим од система са једним пунилом{12}.
3. Величина и дистрибуција честица пунила
Пут проводљивости топлоте у свакој тачки контакта између великих честица пунила је директнији, смањујући расипање фонона и олакшавајући пренос топлоте. Могу се међусобно повезати и формирати непрекидне топлотно проводљиве канале при нижим количинама пуњења. Међутим, пошто је контактних тачака између великих честица релативно мало, а међупростори велики, формирана топлотно проводљива мрежа је релативно сингуларна, достижући границу топлотне проводљивости при релативно малој фракцији пуњења. Супротно томе, мале честице имају велику специфичну површину и већу контактну површину између честица, али расејање фонона је такође теже. Захтевају већу количину пуњења да би се формирала ефикасна топлотно проводљива мрежа, што резултира већом критичном фракцијом пуњења. У практичним применама, уобичајено је научно мешање пунила различитих величина (нпр. коришћење великих честица за формирање скелета и средњих/малих честица за попуњавање празнина). Ова стратегија значајно оптимизује критичну фракцију пуњења која је потребна за формирање континуираних топлотно проводљивих путева и побољшава коначну топлотну проводљивост. Генерално, широка дистрибуција величине омогућава конструисање топлотно проводљивог скелета са обилнијим путевима користећи минималну укупну количину пунила. Међутим, важно је напоменути да претерано широка дистрибуција може да уведе веома велике честице, утичући на перформансе обраде или изазивајући локализовану концентрацију напрезања. Оптимизација топлотно проводне мреже кроз градацију великих и малих честица.
4. Својства површине пунила
Чак и ако се формира физичка топлотно проводљива мрежа, лоше везивање између пунила и матрице смоле може лако довести до агломерације пунила. Штавише, топлота наилази на значајан отпор (висока неусклађеност фонона) на интерфејсу. Ово захтева већу количину пунила за успостављање ефикасних термичких путева, што резултира већом критичном фракцијом пуњења. Модификовање површине пунила коришћењем средстава за спајање као што су силани може побољшати међуфазну везу, смањити међуфазну топлотну отпорност и омогућити формираној топлотно проводљивој мрежи да заиста ефикасно функционише. Ово ефикасно побољшава топлотну проводљивост при истој фракцији пуњења, а истовремено смањује вискозитет система и побољшава обрадивост. Међутим, прекомерна модификација може да инхибира контакт са-пунилом, парадоксално повећавајући критичну фракцију пуњења.
