A termikus határfelületi anyagok magasabb hővezető képessége érdekében a hővezető töltőanyagok kitöltési arányának növelése hatékony eszköz a kompozitok hőteljesítményének javítására. A gyakorlati alkalmazásokban azonban, amikor a hővezető töltőanyagok kitöltési aránya átlép egy bizonyos küszöbértéket, az anyag keménysége meredeken növekszik, a feldolgozás megnehezül, az alakíthatóság jelentősen csökken, miközben a hővezető képesség javulása minimális, sőt stagnál. E jelenség mögött a hővezető anyagok -kritikus töltőfrakciójának tudományának kulcsfogalma húzódik meg.
1. Töltőanyag típusa
Hővezető töltőanyagok esetében a hővezető kompoziton belül a belső hőátadás elsősorban két hordozón, az elektronokon és a fononokon múlik. A különböző hőátadási mechanizmusok nagymértékben befolyásolják a töltőanyagoknak a hatékony hővezető hálózat kialakításához szükséges kritikus töltési hányadát:
Elektronikusan vezető töltőanyagok (pl. ezüst, réz és grafén)
Ezek a töltőanyagok a szabad elektronok mozgására és ütközésére támaszkodnak hőátadás céljából. Legfőbb előnyük a jelentős kvantum-alagút hatásban rejlik: Ha két vezetőképes töltőanyag-részecskét néhány nanométeres távolságra helyezünk el egymástól, még közvetlen érintkezés nélkül is, az elektronok valószínûséggel áthaladnak a szigetelõ polimer gát között, és ugrást érnek el. Ez azt jelenti, hogy a fizikailag leválasztott hálózat már előre termikusan csatlakoztatva lehet. Következésképpen ezeknek a töltőanyagoknak a kritikus töltési hányada a hatékony hővezető hálózat kialakításához általában alacsony.
Fononikusan vezető töltőanyagok (pl. kerámia töltőanyagok, például alumínium-oxid, szilícium-nitrid és széntartalmú anyagok, például szén nanocsövek, grafén)
Ezek a töltőanyagok fononokra (rácsrezgésekre) támaszkodnak a hőátadáshoz. A fononok átlagos szabad útja egy rendezetlen polimer mátrixban rendkívül rövid. Amikor a fononok egy erősen rendezett kristályos töltőanyag és a rendezetlen mátrix között, vagy a töltőanyagok közötti apró réseken keresztül haladnak, súlyos fonon eltérés és szóródás lép fel. A hatékony fononútvonalak kialakításához a töltőanyagoknak szoros, majdnem tökéletes fizikai érintkezést kell kialakítaniuk, hogy minimalizálják a határfelületi hőellenállást. Ez a szigorú követelmény általában magasabb kritikus töltési frakciót eredményez. Továbbá, még az azonos hőátadó mechanizmusú töltőanyagok esetében is, a töltőanyag saját belső hővezető képessége befolyásolhatja annak kritikus töltési hányadát. A nagy hővezető képességű töltőanyagok eleve nagyon hatékonyak a hőátadásban, lehetővé téve a hő könnyebb átadását a tökéletlen, összekapcsolt "kvázi{6}" hálózatokon, így jelentős ugrás figyelhető meg a hőteljesítményben alacsonyabb töltési mennyiségeknél. Ezzel szemben az alacsonyabb hővezető képességű töltőanyagok termikusan kevésbé hatékonyak, és tökéletesebb hővezető hálózatot igényelnek a hőáramlás elősegítése érdekében, ezért a kritikus töltési hányaduk is alacsonyabb.
2. Kitöltő morfológia
A morfológia határozza meg a töltőanyagok érintkezési hatékonyságát és a maximális tömítési sűrűséget, ezáltal befolyásolja a kritikus töltési frakciót. A geometriai jellemzők alapján a hővezető töltőanyagok főként a következő kategóriákba sorolhatók:
Gömb alakú töltőanyagok
A gömb alakú töltőanyagok előnye a könnyű diszperziójuk és a jó folyóképességük. A geometriai szimmetria miatt azonban csak pont érintkezéssel tudnak hálózatot alkotni, aminek következtében a részecskék közötti hőátadási hatékonyság csökken. Viszonylag magas töltési hányad szükséges a hatékony összeköttetés eléréséhez. Például a gömb alakú alumínium-oxid töltőfrakciójának általában el kell érnie a 40-50%-ot a hővezető képesség jelentős növelése érdekében.
Anizotróp töltőanyagok (lemezszerű-/szálas)
A lemezszerű töltőanyagok, például a hatszögletű bór-nitrid (h-BN) és a grafén, vagy a szálas töltőanyagok, például a szén nanocsövek (CNT), szénszálak és alumínium-nitrid bordák, nagy méretarányúak vagy hosszúság--/-átmérő arányuk magas. Nagy a valószínűsége az összekapcsolódásnak, különösen, ha egy adott irányba vannak elrendezve, átszivárgó hálózatot alkotva "áthidaló" hatás révén nagyon alacsony töltési frakcióknál. Az ilyen típusú töltőanyagok azonban nehezebben diszpergálhatók, és hajlamosak összegabalyodni vagy agglomerálódni.
Szabálytalan töltőanyagok
Ezek a töltőanyagok erős mechanikai reteszelést mutatnak, ami nagyobb ellenállást és éles viszkozitásnövekedést eredményez az alacsonyabb töltési frakcióknál. Szabálytalan alakjuk azonban bizonyos mértékig növelheti a töltőanyagok érintkezési pontjait. Kritikus töltési frakciójuk jellemzően a gömb alakú töltőanyagok és a lemezszerű/szálas töltőanyagok közé esik. Nyilvánvaló, hogy a gyakorlati tervezésben egyetlen morfológiai töltőanyag gyakran küzd a magas hővezető képesség, a könnyű feldolgozhatóság és az általános teljesítmény egyensúlyában. Ezért a több-morfológiájú töltőanyag-hibridizáció kulcsfontosságú stratégiává válik. Például a lemezszerű, rostos és gömb alakú töltőanyagok kombinálásával több-szintű hővezető hálózatok hozhatók létre, amelyek "pontvonal" és "pontos{11}}sík" szinergiákat érhetnek el, ami az egy{12}}töltőanyagos rendszereknél jóval jobb összteljesítményt eredményez.
3. A töltőanyag szemcsemérete és eloszlása
A hővezetési út minden érintkezési ponton a nagy töltőanyag részecskék között közvetlenebb, ami csökkenti a fononszórást és megkönnyíti a hőátadást. Összekapcsolhatók, hogy folyamatos hővezető csatornákat képezzenek kisebb töltési mennyiségeknél. Mivel azonban a nagy részecskék közötti érintkezési pontok viszonylag kevések, és a hézagok nagyok, a kialakult hővezető hálózat viszonylag egyedi, és viszonylag alacsony töltési hányadnál éri el a hővezető képesség határát. Ezzel szemben a kis részecskék nagy fajlagos felülettel és nagyobb érintkezési felülettel rendelkeznek a részecskék között, de a fononszórás is súlyosabb. Nagyobb töltési mennyiséget igényelnek a hatékony hővezető hálózat kialakításához, ami magasabb kritikus töltési hányadot eredményez. Gyakorlati alkalmazásokban elterjedt a különböző méretű töltőanyagok tudományos összekeverése (pl. nagy részecskék felhasználása a váz kialakításához, és közepes/kis részecskék használata az üregek kitöltéséhez). Ez a stratégia jelentősen optimalizálja a folyamatos hővezető utak kialakításához szükséges kritikus töltési frakciót, és javítja a végső hővezető képességet. Általánosságban elmondható, hogy a széles méreteloszlás lehetővé teszi egy hővezető váz felépítését bőségesebb útvonalakkal, a töltőanyagok minimális teljes mennyiségével. Fontos azonban megjegyezni, hogy a túlságosan széles eloszlás nagyon nagy részecskéket tartalmazhat, ami befolyásolja a feldolgozási teljesítményt vagy helyi stresszkoncentrációt okozhat. A hővezető hálózat optimalizálása a nagy és kis szemcseméretek gradációjával.
4. Kitöltőfelület tulajdonságai
Még ha létrejön is egy fizikai hővezető hálózat, a töltőanyag és a gyantamátrix közötti rossz kötés könnyen a töltőanyag agglomerációjához vezethet. Ezenkívül a hő jelentős ellenállásba ütközik (nagy fonon eltérés) a felületen. Ez nagyobb mennyiségű töltőanyagot tesz szükségessé a hatékony termikus útvonalak kialakításához, ami magasabb kritikus töltési frakciót eredményez. A töltőanyag felületének kapcsolószerekkel, például szilánokkal történő módosítása javíthatja a határfelületi kötést, csökkentheti a határfelületi hőellenállást, és lehetővé teszi a kialakult hővezető hálózat valóban hatékony működését. Ez hatékonyan javítja a hővezető képességet ugyanazon a töltési frakciónál, miközben csökkenti a rendszer viszkozitását és javítja a feldolgozhatóságot. A túlzott módosítás azonban gátolhatja a töltőanyag{5}}kontaktust, paradox módon növelve a kritikus töltési hányadot.
