中文
English

随着现代电子设备快速发展，对热管理材料的要求也越来越高。这些材料需要具备可控的电学性能，从导电、介电到绝缘，以满足不同应用场景的需求。然而，通常情况下，具有高热导率的材料也伴随着高电导率，这限制了它们在某些需要电绝缘性的应用中的使用。尽管存在少数几种本征高热导但电绝缘的材料，如某些陶瓷材料，但它们往往成本高、质量参差不齐、容易水解或难以规模化生产。因此，如何克服高热导和电绝缘之间的权衡，成为了热管理材料领域的一个重要挑战。

为了解决这一问题，研究者们致力于开发具有核壳结构的材料，通过在金属球（高热导）表面涂覆绝缘层（电绝缘），来实现热导和电绝缘的双重性能。然而，先前的研究主要集中在使用原位生长法制备小尺寸的核壳微球，并且对金属和涂层材料的选择有限。这些方法通常需要复杂的表面功能化处理，并且对金属球的大小和形状有限制，导致制备出的复合材料粘度高、填充量低、热导率不高。此外，这些方法在实际应用中往往无法满足大尺寸金属球的涂层需求，因为大尺寸金属球可以显著降低热边界阻力、提高流动性，并在与小尺寸微球混合时形成热传导路径。因此开发一种通用且有效的方法来涂覆不同尺寸金属球，尤其是大尺寸球，对于实现高热导应用具有重要意义。

正是在这样的背景下，来自北京大学的研究团队利用泽攸科技的SEM纳米探针台进行了深入研究，他们提出了一种基于Pechini方法的简便制备工艺，用于制造核（金属）/壳（金属氧化物）结构的工程填料，例如氧化铝和氧化铍包覆的银微球。这种方法与超快焦耳热处理相结合，不仅适用于不同尺寸的核壳填料，尤其是大尺寸填料，而且相较于以往的原位生长方法，展现出更广泛的适用性和更强的鲁棒性。通过尺寸复合，所合成的核壳结构填充环氧树脂复合材料展现出高各向同性热导率（约3.8 W m−1 K−1），同时保持高电阻率（约10^12 Ω cm）和良好的流动性。这些特性使得该材料在散热性能上超越了商业热传导封装材料，并且成功地将可控的电性能赋予了热传导复合材料，满足了新兴电子封装应用的需求。例如，在电路板和电池热管理方面，这些核壳填料已经展示了其性能。该成果以“Core–Shell Engineered Fillers Overcome the Electrical-Thermal Conductance Trade-Off”为题发表在《ACS Nano》期刊上。

论文的主要研究内容集中在开发一种创新的Pechini方法，结合超快焦耳加热处理，用于在高质量银微球表面涂覆绝缘氧化物层（如Al₂O₃和BeO），以克服高热导率材料通常伴随高电导率的问题。传统方法受限于特定金属材料和涂层材料，且制备的核壳微球尺寸较小，导致复合材料的整体性能不佳。而该团队提出的方法具有更高的通用性和鲁棒性，适用于不同尺寸的核壳填料，尤其是大尺寸微球（1至100微米），从而显著提升了复合材料的热导率和电绝缘性能。

图 核壳填料的合成与表征

研究首先通过对比传统的原位生长方法，展示了Pechini方法在涂覆银微球上的优势。原位生长方法对金属表面的功能化要求较高，难以应用于多种金属材料，例如在银微球上无法成功形成所需的氧化铝涂层。而Pechini方法通过将银粉、柠檬酸和金属离子（如Al³⁺或Be²⁺）混合在水溶液中形成螯合物，并在乙二醇的帮助下交联成凝胶，确保银微球被完全包裹。随后经过高温煅烧和超快焦耳加热处理，形成了致密的结晶金属氧化物层。这种方法不仅适用于银微球，还能够扩展到其他金属材料，展现出广泛的适用性。

图 在微观和宏观层面评估核壳填料

为了验证涂覆层的均匀性和绝缘性能，研究人员进行了微观和宏观层面的详细表征。通过SEM、EDS和XPS等手段，确认了氧化物层的成功涂覆及其纯度。特别地，通过SEM纳米探针台进行的单球电气测试表明，涂覆后的银微球表现出显著的绝缘特性，电阻比原始银微球高出约6个数量级。此外，高温处理后的核心-壳结构仍保持良好的流动性，证明了氧化物层对银核心的紧密保护，即使在银熔化的情况下也不会发生泄漏。

图 球体尺寸分布对于单球和双球填充系统的填充体积含量和热导率的影响

进一步的研究探讨了这些核壳填料在环氧复合材料中的应用。通过优化尺寸复合技术，将不同尺寸的银@Al₂O₃微球与小尺寸Al₂O₃微球混合，显著降低了复合材料的粘度，同时提高了热导率。实验结果显示，优化后的环氧复合材料在94 wt%的填充量下，热导率可达约3.8 W m⁻¹ K⁻¹，远高于现有商业产品，并且保持了高电绝缘性能（约10¹² Ω cm）。这种复合材料在实际应用中表现出优异的可靠性和散热性能，例如在电路板和电池管理中，能够有效降低温度，提高设备的稳定性和寿命。该研究通过开发一种通用的Pechini方法，成功解决了高热导率材料的电-热导率权衡问题，为高性能热管理材料的设计和应用提供了新的思路和技术途径。

下图为本研究成果中用到的泽攸科技SEM纳米探针台：

以上就是泽攸科技小编分享的利用泽攸科技SEM纳米探针台揭示先进核壳填料的电学特性。更多产品及价格请咨询15756003283(微信同号)。