В преследването на по-висока топлопроводимост за материали за термичен интерфейс, увеличаването на съотношението на пълнене на топлопроводимите пълнители е ефективно средство за подобряване на топлинните характеристики на композитите. Въпреки това, при практически приложения, когато съотношението на пълнене на топлопроводимите пълнители надвиши определен праг, твърдостта на материала се увеличава рязко, обработката става трудна и съответствието намалява значително, докато подобрението на топлопроводимостта е минимално или дори стагнира. Зад това явление се крие ключова концепция в науката за топлопроводимите материали-критична запълваща фракция.
1. Тип пълнител
За топлопроводими пълнители, в рамките на топлопроводим композит, вътрешният пренос на топлина се основава предимно на два носителя: електрони и фонони. Различните механизми за пренос на топлина оказват дълбоко влияние върху критичната фракция на пълнене, необходима на пълнителите, за да образуват ефективна топлопроводима мрежа:
Електронно проводими пълнители (напр. сребро, мед и графен)
Тези пълнители разчитат на движението и сблъсъците на свободни електрони за пренос на топлина. Тяхното основно предимство се крие в значителния квантов тунелен ефект: когато две проводящи частици на пълнителя се доближат на няколко нанометра една от друга, дори без пряк контакт, електроните имат вероятност да преминат през изолиращата полимерна бариера между тях, постигайки скок. Това означава, че мрежа, която е физически прекъсната, може вече да е термично свързана предварително. Следователно, критичната фракция на пълнене за тези пълнители за образуване на ефективна топлопроводима мрежа е обикновено ниска.
Фононично проводими пълнители (напр. керамични пълнители като алуминиев оксид, силициев нитрид и въглеродни материали като въглеродни нанотръби, графен)
Тези пълнители разчитат на фонони (вибрации на решетката) за пренос на топлина. Средният свободен път на фононите в неподредена полимерна матрица е изключително кратък. Когато фононите се движат между силно подреден кристален пълнител и неподредената матрица или през малки празнини между пълнители, възниква сериозно фононно несъответствие и разсейване. За да се установят ефективни фононни пътища, пълнителите трябва да образуват плътен, почти перфектен физически контакт, за да се сведе до минимум термичното съпротивление на повърхността. Това строго изискване обикновено води до по-висока критична фракция на пълнене. Освен това, дори сред пълнители с един и същ механизъм за пренос на топлина, собствената присъща топлопроводимост на пълнителя може да повлияе на неговата критична фракция на пълнене. Пълнителите с висока топлопроводимост по своята същност са много ефективни при пренос на топлина, позволявайки топлината да се предава по-лесно през несъвършени, 初步 свързани „квази-мрежи“, като по този начин се наблюдава значителен скок в топлинните характеристики при по-ниски количества на пълнене. Обратно, пълнителите с по-ниска топлопроводимост са термично по-малко ефективни и изискват по-съвършена топлопроводима мрежа, за да се улесни топлинният поток по нея, следователно тяхната критична фракция на пълнене също е по-ниска.
2. Морфология на пълнителя
Морфологията определя ефективността на контакта между пълнителите и максималната плътност на опаковката, като по този начин влияе върху критичната фракция на пълнене. Въз основа на геометричните характеристики, топлопроводимите пълнители могат да бъдат категоризирани главно като:
Сферични пълнители
Предимството на сферичните пълнители се крие в тяхната лесна дисперсия и добра течливост. Въпреки това, поради геометрична симетрия, те могат да образуват мрежи само чрез точков контакт, което води до по-ниска ефективност на топлообмен между частиците. Необходима е относително висока фракция на запълване, за да се постигне ефективна свързаност. Например, запълващата фракция за сферичен двуалуминиев оксид обикновено трябва да достигне около 40% до 50%, за да се подобри значително топлопроводимостта.
Анизотропни пълнители (плочи{0}}подобни/влакнести)
Подобни на пластини пълнители, като хексагонален борен нитрид (h-BN) и графен, или влакнести пълнители, като въглеродни нанотръби (CNT), въглеродни влакна и мустаци от алуминиев нитрид, притежават високи аспектни съотношения или съотношения на дължина-към-диаметър. Те имат голяма вероятност за взаимно свързване, особено когато са ориентирани в определена посока, образувайки просмукваща мрежа чрез "свързващ" ефект при много ниски фракции на пълнене. Въпреки това, тези видове пълнители са по-трудни за диспергиране и податливи на заплитане или агломериране.
Неправилни пълнители
Тези пълнители показват силна механична връзка, което води до по-висока устойчивост и рязко увеличаване на вискозитета при по-ниски фракции на пълнене. Въпреки това, техните неправилни форми могат до известна степен да увеличат точките на контакт между пълнителите. Тяхната критична фракция на пълнене обикновено попада между тази на сферичните пълнители и подобните на пластини/влакнести пълнители. Очевидно е, че в практическото инженерство един-морфологичен пълнител често се бори да балансира висока топлопроводимост, лекота на обработка и цялостна производителност. Следователно, мулти-хибридизацията на пълнител с морфология се превръща в решаваща стратегия. Например, комбинирането на подобни на плочи-, влакнести и сферични пълнители може да използва съответните им предимства за изграждане на много-равнищни топлопроводими мрежи, постигайки синергии на „точкова-линия“ и „точкова-равнина“, което води до цялостна производителност, далеч по-добра от системите с един-пълнеж.
3. Размер и разпределение на частиците на пълнителя
Пътят на топлопроводимост във всяка контактна точка между големи частици на пълнителя е по-директен, намалявайки разсейването на фонони и улеснявайки преноса на топлина. Те могат да се свързват, за да образуват непрекъснати топлопроводими канали при по-ниски количества на пълнене. Въпреки това, тъй като контактните точки между големите частици са относително малко и междините са големи, образуваната топлопроводима мрежа е относително единична, достигайки граница на топлопроводимост при относително ниска фракция на пълнене. Обратно, малките частици имат голяма специфична повърхност и по-голяма контактна площ между частиците, но фононното разсейване също е по-тежко. Те изискват по-голямо количество за пълнене, за да образуват ефективна топлопроводима мрежа, което води до по-висока критична фракция на пълнене. В практическите приложения научното смесване на пълнители с различни размери (напр. използване на големи частици за формиране на скелета и средни/малки частици за запълване на кухините) е обичайно. Тази стратегия значително оптимизира критичната фракция на пълнене, необходима за образуване на непрекъснати топлопроводими пътища и подобрява крайната топлопроводимост. Като цяло широкото разпределение на размера позволява изграждането на топлопроводим скелет с по-изобилни пътища, като се използва минималното общо количество пълнители. Въпреки това е важно да се отбележи, че прекалено широкото разпределение може да въведе много големи частици, което да повлияе на производителността на обработката или да причини локализирана концентрация на напрежение. Оптимизирането на топлопроводимата мрежа чрез градация на големи и малки размери на частиците.
4. Свойства на повърхността на пълнежа
Дори ако се формира физическа топлопроводима мрежа, лошото свързване между пълнителя и матрицата на смолата може лесно да доведе до агломерация на пълнителя. Освен това топлината среща значително съпротивление (високо фононно несъответствие) на интерфейса. Това налага по-голямо количество пълнител за установяване на ефективни термични пътища, което води до по-висока критична фракция на пълнене. Модифицирането на повърхността на пълнежа с помощта на свързващи агенти като силани може да подобри междинното свързване, да намали междинното термично съпротивление и да позволи на образуваната топлопроводима мрежа да функционира наистина ефективно. Това ефективно подобрява топлопроводимостта при същата фракция на пълнене, като същевременно намалява вискозитета на системата и подобрява обработваемостта. Въпреки това, прекомерната модификация може да попречи на контакта с пълнител-пълнеж, като парадоксално увеличава критичната фракция на пълнене.
