U potrazi za većom toplotnom provodljivošću za termičke materijale interfejsa, povećanje omjera punjenja toplotno provodljivih punila je efikasno sredstvo za poboljšanje termičkih performansi kompozita. Međutim, u praktičnim primjenama, kada omjer punjenja toplinski provodljivih punila prijeđe određeni prag, tvrdoća materijala naglo raste, obrada postaje otežana, a konformabilnost se značajno smanjuje, dok je poboljšanje toplinske provodljivosti minimalno ili čak stagnira. Iza ovog fenomena krije se ključni koncept u nauci o toplotno vodljivim materijalima-kritične frakcije punjenja.
1. Vrsta punila
Za termički provodljiva punila, unutar termo provodljivog kompozita, unutrašnji prijenos topline prvenstveno se oslanja na dva nosača: elektrone i fonone. Različiti mehanizmi prenosa toplote duboko utiču na kritičnu frakciju punjenja potrebnu da punioci formiraju efikasnu toplotno provodljivu mrežu:
Elektronski vodljivi punioci (npr. srebro, bakar i grafen)
Ova punila se oslanjaju na kretanje i sudare slobodnih elektrona za prijenos topline. Njihova osnovna prednost leži u značajnom efektu kvantnog tuneliranja: kada se dvije provodljive čestice punila dovedu na nekoliko nanometara jedna od druge, čak i bez direktnog kontakta, elektroni imaju vjerovatnoću da pređu izolacionu polimernu barijeru između, postižući skok. To znači da je mreža koja je fizički isključena možda već unaprijed termički povezana. Shodno tome, kritična frakcija punjenja za ova punila da formiraju efikasnu toplotno provodljivu mrežu je tipično niska.
Fononično vodljiva punila (npr. keramička punila poput glinice, silicijum nitrida i ugljični materijali kao što su ugljične nanocijevi, grafen)
Ova punila se oslanjaju na fonone (vibracije rešetke) za prijenos topline. Srednji slobodni put fonona u neuređenoj polimernoj matrici je izuzetno kratak. Kada fononi putuju između visoko uređenog kristalnog punila i neuređene matrice, ili preko sićušnih praznina između punila, dolazi do ozbiljne neusklađenosti fonona i raspršenja. Da bi se uspostavili efikasni fononski putevi, punioci moraju formirati čvrst, gotovo savršen fizički kontakt kako bi se smanjio termički otpor međufaza. Ovaj strogi zahtjev obično rezultira većom kritičnom frakcijom punjenja. Nadalje, čak i među punilima s istim mehanizmom prijenosa topline, vlastita intrinzična toplinska provodljivost punila može utjecati na njegovu kritičnu frakciju punjenja. Punila sa visokom toplotnom provodljivošću su inherentno visoko efikasna u prenosu toplote, omogućavajući lakši prenos toplote kroz nesavršene, 初步 povezane "kvazi{6}}mreže", čime se primećuje značajan skok toplotnih performansi pri manjim količinama punjenja. Suprotno tome, punila sa nižom toplotnom provodljivošću su termički manje efikasna i zahtevaju savršeniju toplotno provodljivu mrežu koja bi omogućila protok toplote duž nje, stoga je i njihova kritična frakcija punjenja niža.
2. Morfologija punila
Morfologija određuje efikasnost kontakta između punila i maksimalnu gustinu pakovanja, čime utiče na kritičnu frakciju punjenja. Na osnovu geometrijskih karakteristika, toplotno vodljiva punila se uglavnom mogu kategorisati kao:
Spherical Fillers
Prednost sferičnih punila je u njihovoj lakoj disperziji i dobroj tečljivosti. Međutim, zbog geometrijske simetrije, oni mogu formirati mreže samo putem tačaka kontakta, što rezultira manjom efikasnošću prijenosa topline između čestica. Relativno visoka frakcija punjenja je potrebna da bi se postigla efektivna povezanost. Na primjer, frakcija punjenja za sferni oksid glinice obično treba da dostigne oko 40% do 50% da bi se značajno povećala toplotna provodljivost.
Anizotropni punioci (poput ploča-/vlaknasti)
Punila{0}}slična pločama kao što su heksagonalni bor nitrid (h-BN) i grafen, ili vlaknasta punila kao što su ugljične nanocijevi (CNT), karbonska vlakna i brkovi od aluminijum nitrida, posjeduju visoke omjere širine ili dužine{2}}prema -omjerima. Imaju veliku vjerovatnoću međusobnog povezivanja, posebno kada su orijentirani u određenom smjeru, formirajući mrežu procjeđivanja kroz efekt "premošćivanja" pri vrlo malim udjelima punjenja. Međutim, ove vrste punila teže se raspršuju i sklone su zaplitanju ili aglomeraciji.
Irregular Fillers
Ova punila pokazuju snažno mehaničko spajanje, što dovodi do veće otpornosti i naglog povećanja viskoziteta pri nižim frakcijama punjenja. Međutim, njihovi nepravilni oblici mogu donekle povećati kontaktne točke između punila. Njihova kritična frakcija punjenja obično pada između sfernih punila i pločastih{2}}sličnih/vlaknastih punila. Očigledno je da se u praktičnom inženjeringu, jedan-filer morfologije često bori da uravnoteži visoku toplotnu provodljivost, lakoću obrade i ukupne performanse. Stoga hibridizacija multi-morfoloških filera postaje ključna strategija. Na primjer, kombinovanje ploča-sličnih, vlaknastih i sfernih punila može iskoristiti njihove prednosti za izgradnju višeslojnih toplotno provodljivih mreža, postižući sinergiju "tačka-linije" i "tačke{11}}ravnine", što rezultira ukupnim performansama daleko boljim od sistema sa jednim punilom{12}.
3. Veličina i distribucija čestica punila
Put provodljivosti toplote u svakoj tački kontakta između velikih čestica punila je direktniji, smanjujući raspršivanje fonona i olakšavajući prenos toplote. Mogu se međusobno povezati da formiraju kontinuirane toplotno provodljive kanale pri nižim količinama punjenja. Međutim, pošto je kontaktnih tačaka između velikih čestica relativno malo, a međuprostori veliki, formirana toplotno provodljiva mreža je relativno jedinstvena, dostižući granicu toplotne provodljivosti pri relativno maloj frakciji punjenja. Suprotno tome, male čestice imaju veliku specifičnu površinu i veću kontaktnu površinu između čestica, ali je i fononsko rasipanje teže. Zahtevaju veću količinu punjenja da bi formirali efikasnu toplotno provodljivu mrežu, što rezultira većom kritičnom frakcijom punjenja. U praktičnim primenama, uobičajeno je naučno mešanje punila različitih veličina (npr. korišćenje velikih čestica za formiranje skeleta i srednjih/malih čestica za popunjavanje praznina). Ova strategija značajno optimizuje kritičnu frakciju punjenja koja je potrebna za formiranje kontinuiranih puteva toplotnog provodljivosti i poboljšava konačnu toplotnu provodljivost. Općenito, široka distribucija veličine omogućava konstruiranje termički provodljivog skeleta sa obilnijim putevima koristeći minimalnu ukupnu količinu punila. Međutim, važno je napomenuti da pretjerano široka distribucija može uvesti vrlo velike čestice, utjecati na performanse obrade ili uzrokovati lokaliziranu koncentraciju naprezanja. Optimizacija toplotno provodljive mreže kroz gradaciju velikih i malih čestica.
4. Svojstva površine punila
Čak i ako se formira fizička toplinski vodljiva mreža, loše vezivanje između punila i matrice smole može lako dovesti do aglomeracije punila. Štaviše, toplota nailazi na značajan otpor (visoka neusklađenost fonona) na interfejsu. Ovo zahtijeva veću količinu punila za uspostavljanje efikasnih termičkih puteva, što rezultira većom kritičnom frakcijom punjenja. Modificiranje površine punila korištenjem sredstava za spajanje kao što su silani može poboljšati međufaznu vezu, smanjiti međufaznu toplinsku otpornost i omogućiti da formirana toplinski provodljiva mreža funkcionira zaista efikasno. Ovo efikasno poboljšava toplotnu provodljivost pri istoj frakciji punjenja, a istovremeno smanjuje viskozitet sistema i poboljšava obradivost. Međutim, pretjerana modifikacija može inhibirati kontakt punila-punila, paradoksalno povećavajući kritičnu frakciju punjenja.
