התקדמות המחקר של חומרי ממשק תרמי
חומרי ממשק תרמי מורכבים בעיקר מחומרי מילוי ופולימרים מוליכים תרמית. תוספת של חומר מילוי מוליך תרמית משפרת את המוליכות התרמית של הפולימר, תוך שמירה על הגמישות הטובה, העלות הנמוכה ויתרונות העיבוד והיציקה הקלים של הפולימר' המוליכות התרמית של חומר הממשק התרמי תלויה בשבר המילוי. כאשר חלק המילוי אינו מספיק, החלקיקים הבודדים המפוזרים אינם יכולים לבוא במגע עם חלקיקים סמוכים (איור 5(א)), ולא ניתן ליצור את רשת החלקיקים המוליכים תרמית. כאשר חלק המילוי מגיע לרמה מסוימת (סף חלחול), מתחילה להיווצר רשת תרמית רציפה (איור 5(ב)), כך שהמוליכות התרמית של הפולימר המרוכב תגדל באופן אקספוננציאלי.
עם זאת, כיצד להכין מוליכות תרמית של יותר מ-20 W/mK וערך התנגדות תרמית של ממשק של פחות מ-0.01 Kcm2/W הוא עדיין אתגר עצום. בתגובה לקושי זה, במסגרת מימון הפרויקט הלאומי מפתח R&D Program-Strategic Advanced Electronic Materials Key Project, בהובלת החוקר Sun Rong, המכון לטכנולוגיה מתקדמת שנזן, האקדמיה הסינית למדעים ושנגחאי Jiaotong האוניברסיטה, אוניברסיטת דרום מזרח, אוניברסיטת טונגג'י וסוג'ואו ננו, האקדמיה הסינית למדעים המכון לטכנולוגיה וננו-ביוניקה, מכון נינגבו לחומרים, האקדמיה הסינית למדעים ואוניברסיטת שנגחאי ביצעו תכנון מולקולרי של חומרי ממשק תרמי בעלי ביצועים גבוהים, מדידה בקנה מידה מיקרו-ננו של התנגדות תרמית של ממשק, וחישוב וסימולציה של מנגנון צימוד אקוסטי-אלקטרוני בממשק לפיתוח חומר ממשק תרמי בעל ביצועים גבוהים. על בסיס זה, חומר הממשק התרמי המוכן מיושם על מכשירים אלקטרוניים בצפיפות הספק גבוהה, והיישום האופייני שלו במכשירים אלקטרוניים בצפיפות הספק גבוהה מאומת.
לקרמיקה יש גם מוליכות תרמית גבוהה ובידוד חשמלי מעולה, המתאים במיוחד לאזורים הדורשים בידוד חשמלי. בין חומרי המילוי הקרמיים שדווחו, בורון ניטריד (BN) הוא בעל מוליכות תרמית גבוהה מאוד והוא הופך לאובייקט המחקר האטרקטיבי ביותר ביישומי ניהול תרמי. בשנת 2017, Zhang et al. הכין את קרום h-BN בזמן על ידי סינון ואקום, והחדיר את הפולימר פוליוויניל אלכוהול מסיס במים לתוך h-BN כדי ליצור חומר מרוכב של h-BN/פוליויניל אלכוהול. תהליך ההכנה מוצג באיור 6(א). כאשר התוכן של h-BN הוא 27 vol%, המוליכות התרמית המקסימלית בתוך המישור ומחוץ למטוס יכולה להגיע ל-8.44 W/m·K ו-1.63 W/m·K, בהתאמה (איור 6(ב)). בנוסף, Yu et al. הכינו חומרים מרוכבים מסוג h-BN/תרמופלסטיים מפוליאוריתן באמצעות כבישה חמה בוואקום. כאשר תכולת h-BN היא 95% wt, המוליכות התרמית במישור של החומר המרוכב גבוהה עד 50.3 W/m·K, מה שעולה בקנה אחד עם התוצאות שדווחו על ידי Fu et al.
למתכות יש מוליכות תרמית פנימית גבוהה עקב השימוש באלקטרונים כמובילי חום, והפכו לחומר מילוי מוליך תרמי נפוץ לחומרי ממשק תרמי. לדוגמה, Xu et al. השתמש בשיטת ה- electrodeposition כדי להכין רשת Ag מוליכה תרמית בעלת אוריינטציה גבוהה. לחומר הממשק התרמי שהוכן על ידה יש מוליכות תרמית של 30.3 W/m·K, שהיא גבוהה בהרבה מהקומפוזיט הפולימרי שהוכן בשיטת הפיזור האקראי (1.4 W/m·K). וואנג וחב'. מצא שתחת אותה תכולת חומרי מילוי (0.9 ואט%), לננו-חוטי נחושת יש יכולת גבוהה יותר לשפר את המוליכות התרמית של פולימרים מאשר לחוטי כסף. בנוסף, חשוב מאוד כיצד להפחית את ההתנגדות התרמית של הממשק בין המתכת לפולימר. שיפור השינוי של מולקולות אורגניות או חומרי מילוי אנאורגניים על פני המתכת יכול להגביר את כוח האינטראקציה בין המתכת לפולימר, ולאחר מכן להפחית את הממשק בין המתכת לפולימר. התנגדות תרמית, שפר את המוליכות התרמית של חומרים מרוכבים פולימרים. בנוסף, Jeong et al. לאחרונה הציג את הרעיון של מילוי מתכת נוזלי במטריצת PDMS על מנת ליצור גוף תרמו אלסטי עם מוליכות תרמית גבוהה, גמישות ומתיחה. ישנו כיוון מחקר חשוב נוסף של חומרי ממשק תרמי מבוסס מתכת - חומרים רציפים של ממשק תרמי מבוסס מתכת. לדוגמה, סגסוגות מבוססות Sn-Ag-Cu או Sn-Bi יכולות לשמש כהלחמות סטנדרטיות נטולות עופרת באריזה אלקטרונית, והן משמשות לעתים קרובות כחומרי ממשק תרמי. היתרונות שלו הם מוליכות תרמית גבוהה, התנגדות תרמית ממשק נמוכה, אמינות גבוהה ועלות נמוכה. מתכת נוזלית היא חומר ממשק תרמי שמשך תשומת לב רבה בשנים האחרונות. המרכיב העיקרי שלו הוא גליום מתכתי (Ga) וסגסוגותיו. יש לו את היתרונות של נקודת התכה נמוכה, יכולת הרטבה טובה עם שבבים ועמידות תרמית ממשק נמוכה. עם זאת, כיצד למנוע ממנו לעלות על גדותיו הוא הבעיה והאתגר הגדולים ביותר עבור חומרים הממשק התרמי המבוסס על מתכת נוזלית.
