थर्मल इंटरफ़ेस सामग्रियों के लिए उच्च तापीय चालकता की खोज में, थर्मल प्रवाहकीय भराव के भराव अनुपात को बढ़ाना कंपोजिट के थर्मल प्रदर्शन को बढ़ाने का एक प्रभावी साधन है। हालाँकि, व्यावहारिक अनुप्रयोगों में, जब तापीय प्रवाहकीय भरावों का भरने का अनुपात एक निश्चित सीमा से अधिक हो जाता है, तो सामग्री की कठोरता तेजी से बढ़ जाती है, प्रसंस्करण मुश्किल हो जाता है, और अनुरूपता काफी कम हो जाती है, जबकि तापीय चालकता में सुधार न्यूनतम या स्थिर हो जाता है। इस घटना के पीछे तापीय प्रवाहकीय सामग्रियों के विज्ञान में महत्वपूर्ण फिलिंग अंश की एक प्रमुख अवधारणा निहित है।
1. भराव प्रकार
थर्मल प्रवाहकीय भराव के लिए, थर्मल प्रवाहकीय समग्र के भीतर, आंतरिक गर्मी हस्तांतरण मुख्य रूप से दो वाहक पर निर्भर करता है: इलेक्ट्रॉन और फोनन। विभिन्न ताप स्थानांतरण तंत्र एक प्रभावी तापीय प्रवाहकीय नेटवर्क बनाने के लिए फिलर्स के लिए आवश्यक महत्वपूर्ण फिलिंग अंश को गहराई से प्रभावित करते हैं:
इलेक्ट्रॉनिक रूप से प्रवाहकीय फिलर्स (जैसे, सिल्वर, कॉपर और ग्राफीन)
ये भराव गर्मी हस्तांतरण के लिए मुक्त इलेक्ट्रॉनों की गति और टकराव पर निर्भर करते हैं। उनका मुख्य लाभ महत्वपूर्ण क्वांटम टनलिंग प्रभाव में निहित है: जब दो प्रवाहकीय भराव कणों को एक दूसरे के कुछ नैनोमीटर के भीतर लाया जाता है, यहां तक कि सीधे संपर्क के बिना भी, इलेक्ट्रॉनों के बीच में इन्सुलेट पॉलिमर बाधा को पार करने, एक छलांग प्राप्त करने की संभावना होती है। इसका मतलब यह है कि एक नेटवर्क जो भौतिक रूप से डिस्कनेक्ट हो गया है वह पहले से ही थर्मल रूप से कनेक्ट हो सकता है। नतीजतन, इन फिलर्स के लिए एक प्रभावी तापीय प्रवाहकीय नेटवर्क बनाने के लिए महत्वपूर्ण फिलिंग अंश आमतौर पर कम होता है।
फ़ोनोनिकली कंडक्टिव फिलर्स (जैसे, सिरेमिक फिलर्स जैसे एल्युमिना, सिलिकॉन नाइट्राइड और कार्बन सामग्री जैसे कार्बन नैनोट्यूब, ग्राफीन)
ये फिलर्स गर्मी हस्तांतरण के लिए फोनन (जाली कंपन) पर निर्भर करते हैं। अव्यवस्थित पॉलिमर मैट्रिक्स में फोनन का माध्य मुक्त पथ अत्यंत छोटा है। जब फोनन उच्च क्रम वाले क्रिस्टलीय भराव और अव्यवस्थित मैट्रिक्स के बीच, या भराव के बीच छोटे अंतराल के बीच यात्रा करते हैं, तो गंभीर फोनन बेमेल और बिखराव होता है। कुशल फ़ोनन मार्ग स्थापित करने के लिए, इंटरफ़ेशियल थर्मल प्रतिरोध को कम करने के लिए फिलर्स को कड़ा, लगभग पूर्ण शारीरिक संपर्क बनाना चाहिए। इस कठोर आवश्यकता के परिणामस्वरूप आम तौर पर उच्च क्रिटिकल फिलिंग अंश प्राप्त होता है। इसके अलावा, समान गर्मी हस्तांतरण तंत्र वाले फिलर्स के बीच भी, फिलर की अपनी आंतरिक तापीय चालकता इसके महत्वपूर्ण फिलिंग अंश को प्रभावित कर सकती है। उच्च तापीय चालकता वाले फिलर्स गर्मी हस्तांतरण में स्वाभाविक रूप से अत्यधिक कुशल होते हैं, जिससे गर्मी को अपूर्ण, अधिक जुड़े "अर्ध नेटवर्क" के माध्यम से अधिक आसानी से प्रसारित किया जा सकता है, इस प्रकार कम भरने की मात्रा में थर्मल प्रदर्शन में महत्वपूर्ण उछाल देखा जाता है। इसके विपरीत, कम तापीय चालकता वाले भराव तापीय रूप से कम कुशल होते हैं और इसके साथ ताप प्रवाह को सुविधाजनक बनाने के लिए अधिक परिपूर्ण तापीय प्रवाहकीय नेटवर्क की आवश्यकता होती है, इसलिए उनका महत्वपूर्ण भरण अंश भी कम होता है।
2. भराव आकृति विज्ञान
आकृति विज्ञान भरावों और अधिकतम पैकिंग घनत्व के बीच संपर्क दक्षता निर्धारित करता है, जिससे महत्वपूर्ण भराव अंश प्रभावित होता है। ज्यामितीय विशेषताओं के आधार पर, तापीय प्रवाहकीय भरावों को मुख्य रूप से वर्गीकृत किया जा सकता है:
गोलाकार भराव
गोलाकार भराव का लाभ उनके आसान फैलाव और अच्छी प्रवाह क्षमता में निहित है। हालाँकि, ज्यामितीय समरूपता के कारण, वे केवल बिंदु संपर्क के माध्यम से नेटवर्क बना सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप कणों के बीच कम गर्मी हस्तांतरण दक्षता होती है। प्रभावी कनेक्टिविटी प्राप्त करने के लिए अपेक्षाकृत उच्च भरने वाले अंश की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, गोलाकार एल्यूमिना के लिए भरने वाले अंश को तापीय चालकता को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाने के लिए आमतौर पर लगभग 40% से 50% तक पहुंचने की आवश्यकता होती है।
अनिसोट्रोपिक फिलर्स (प्लेट-समान/रेशेदार)
हेक्सागोनल बोरान नाइट्राइड (एच {{1} बीएन) और ग्राफीन जैसे प्लेट {{0} जैसे फिलर्स, या कार्बन नैनोट्यूब (सीएनटी), कार्बन फाइबर और एल्यूमीनियम नाइट्राइड व्हिस्कर्स जैसे रेशेदार फिलर्स में उच्च पहलू अनुपात या लंबाई {{2} से {{3} व्यास अनुपात होता है। उनमें आपस में जुड़ने की उच्च संभावना होती है, खासकर जब एक विशिष्ट दिशा में उन्मुख होते हैं, तो बहुत कम भरने वाले अंशों पर "ब्रिजिंग" प्रभाव के माध्यम से एक परकोलेटिंग नेटवर्क बनाते हैं। हालाँकि, इस प्रकार के भरावों को फैलाना अधिक कठिन होता है और उलझने या ढेर होने का खतरा होता है।
अनियमित भराव
ये भराव मजबूत यांत्रिक इंटरलॉकिंग प्रदर्शित करते हैं, जिससे उच्च प्रतिरोध होता है और कम भरने वाले अंशों पर चिपचिपाहट में तेज वृद्धि होती है। हालाँकि, उनकी अनियमित आकृतियाँ फिलर्स के बीच संपर्क बिंदुओं को कुछ हद तक बढ़ा सकती हैं। उनका महत्वपूर्ण भराव अंश आम तौर पर गोलाकार भराव और प्लेट जैसे/रेशेदार भराव के बीच होता है। यह स्पष्ट है कि व्यावहारिक इंजीनियरिंग में, एक एकल आकारिकी भराव अक्सर उच्च तापीय चालकता, प्रसंस्करण में आसानी और समग्र प्रदर्शन को संतुलित करने के लिए संघर्ष करता है। इसलिए, बहु-आकृति विज्ञान भराव संकरण एक महत्वपूर्ण रणनीति बन जाती है। उदाहरण के लिए, प्लेट जैसे, रेशेदार और गोलाकार फिलर्स को मिलाकर अपने संबंधित लाभों का लाभ उठाते हुए बहु-स्तरीय तापीय प्रवाहकीय नेटवर्क का निर्माण किया जा सकता है, जिससे "पॉइंट" लाइन और "पॉइंट" प्लेन" तालमेल प्राप्त होता है, जिसके परिणामस्वरूप समग्र प्रदर्शन सिंगल फिलर सिस्टम से कहीं बेहतर होता है।
3. भराव कण आकार और वितरण
बड़े भराव कणों के बीच प्रत्येक संपर्क बिंदु पर ताप संचालन पथ अधिक सीधा होता है, जिससे फोनन का बिखराव कम होता है और ताप स्थानांतरण की सुविधा मिलती है। वे कम भराव मात्रा में निरंतर तापीय प्रवाहकीय चैनल बनाने के लिए आपस में जुड़ सकते हैं। हालाँकि, क्योंकि बड़े कणों के बीच संपर्क बिंदु अपेक्षाकृत कम होते हैं और अंतराल बड़े होते हैं, गठित तापीय प्रवाहकीय नेटवर्क अपेक्षाकृत एकवचन होता है, जो अपेक्षाकृत कम भरने वाले अंश पर तापीय चालकता सीमा तक पहुंचता है। इसके विपरीत, छोटे कणों का विशिष्ट सतह क्षेत्र बड़ा होता है और कणों के बीच संपर्क क्षेत्र बड़ा होता है, लेकिन फ़ोनन प्रकीर्णन भी अधिक गंभीर होता है। उन्हें एक प्रभावी तापीय प्रवाहकीय नेटवर्क बनाने के लिए उच्च भरने की मात्रा की आवश्यकता होती है, जिसके परिणामस्वरूप उच्च महत्वपूर्ण भरने वाला अंश होता है। व्यावहारिक अनुप्रयोगों में, विभिन्न आकारों के भरावों को वैज्ञानिक रूप से मिश्रित करना (उदाहरण के लिए, कंकाल बनाने के लिए बड़े कणों का उपयोग करना, और रिक्त स्थान को भरने के लिए मध्यम/छोटे कणों का उपयोग करना) आम है। यह रणनीति निरंतर तापीय प्रवाहकीय पथ बनाने के लिए आवश्यक महत्वपूर्ण भरण अंश को महत्वपूर्ण रूप से अनुकूलित करती है और अंतिम तापीय चालकता को बढ़ाती है। आम तौर पर, एक व्यापक आकार का वितरण न्यूनतम कुल मात्रा में भराव का उपयोग करके अधिक प्रचुर मार्गों के साथ एक थर्मल प्रवाहकीय कंकाल के निर्माण की अनुमति देता है। हालाँकि, यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि अत्यधिक व्यापक वितरण बहुत बड़े कणों को प्रस्तुत कर सकता है, प्रसंस्करण प्रदर्शन को प्रभावित कर सकता है या स्थानीयकृत तनाव एकाग्रता का कारण बन सकता है। बड़े और छोटे कण आकार के उन्नयन के माध्यम से तापीय प्रवाहकीय नेटवर्क का अनुकूलन।
4. भराव सतह गुण
यहां तक कि अगर एक भौतिक तापीय प्रवाहकीय नेटवर्क बनता है, तो भराव और राल मैट्रिक्स के बीच खराब संबंध आसानी से भराव ढेर का कारण बन सकता है। इसके अलावा, गर्मी इंटरफ़ेस पर महत्वपूर्ण प्रतिरोध (उच्च फोनन बेमेल) का सामना करती है। इससे प्रभावी तापीय मार्ग स्थापित करने के लिए अधिक मात्रा में भराव की आवश्यकता होती है, जिसके परिणामस्वरूप उच्च महत्वपूर्ण भराव अंश प्राप्त होता है। सिलेन जैसे युग्मन एजेंटों का उपयोग करके भराव सतह को संशोधित करने से इंटरफेशियल बॉन्डिंग बढ़ सकती है, इंटरफेशियल थर्मल प्रतिरोध कम हो सकता है, और गठित थर्मल प्रवाहकीय नेटवर्क को वास्तव में कुशलतापूर्वक कार्य करने की अनुमति मिल सकती है। यह प्रभावी रूप से समान भरने वाले अंश पर थर्मल चालकता में सुधार करता है जबकि सिस्टम की चिपचिपाहट को कम करता है और प्रक्रियात्मकता में सुधार करता है। हालाँकि, अत्यधिक संशोधन से फिलर संपर्क बाधित हो सकता है, जिससे विरोधाभासी रूप से महत्वपूर्ण फिलिंग अंश बढ़ सकता है।
