隨著現(xiàn)代電子設(shè)備快速發(fā)展，對熱管理材料的要求也越來越高。這些材料需要具備可控的電學(xué)性能，從導(dǎo)電、介電到絕緣，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。然而，通常情況下，具有高熱導(dǎo)率的材料也伴隨著高電導(dǎo)率，這限制了它們在某些需要電絕緣性的應(yīng)用中的使用。盡管存在少數(shù)幾種本征高熱導(dǎo)但電絕緣的材料，如某些陶瓷材料，但它們往往成本高、質(zhì)量參差不齊、容易水解或難以規(guī)模化生產(chǎn)。因此，如何克服高熱導(dǎo)和電絕緣之間的權(quán)衡，成為了熱管理材料領(lǐng)域的一個重要挑戰(zhàn)。

為了解決這一問題，研究者們致力于開發(fā)具有核殼結(jié)構(gòu)的材料，通過在金屬球（高熱導(dǎo)）表面涂覆絕緣層（電絕緣），來實現(xiàn)熱導(dǎo)和電絕緣的雙重性能。然而，先前的研究主要集中在使用原位生長法制備小尺寸的核殼微球，并且對金屬和涂層材料的選擇有限。這些方法通常需要復(fù)雜的表面功能化處理，并且對金屬球的大小和形狀有限制，導(dǎo)致制備出的復(fù)合材料粘度高、填充量低、熱導(dǎo)率不高。此外，這些方法在實際應(yīng)用中往往無法滿足大尺寸金屬球的涂層需求，因為大尺寸金屬球可以顯著降低熱邊界阻力、提高流動性，并在與小尺寸微球混合時形成熱傳導(dǎo)路徑。因此開發(fā)一種通用且有效的方法來涂覆不同尺寸金屬球，尤其是大尺寸球，對于實現(xiàn)高熱導(dǎo)應(yīng)用具有重要意義。

正是在這樣的背景下，來自北京大學(xué)的研究團隊利用澤攸科技的SEM納米探針臺進行了深入研究，他們提出了一種基于Pechini方法的簡便制備工藝，用于制造核（金屬）/殼（金屬氧化物）結(jié)構(gòu)的工程填料，例如氧化鋁和氧化鈹包覆的銀微球。這種方法與超快焦耳熱處理相結(jié)合，不僅適用于不同尺寸的核殼填料，尤其是大尺寸填料，而且相較于以往的原位生長方法，展現(xiàn)出更廣泛的適用性和更強的魯棒性。通過尺寸復(fù)合，所合成的核殼結(jié)構(gòu)填充環(huán)氧樹脂復(fù)合材料展現(xiàn)出高各向同性熱導(dǎo)率（約3.8 W m?1 K?1），同時保持高電阻率（約10^12 Ω cm）和良好的流動性。這些特性使得該材料在散熱性能上超越了商業(yè)熱傳導(dǎo)封裝材料，并且成功地將可控的電性能賦予了熱傳導(dǎo)復(fù)合材料，滿足了新興電子封裝應(yīng)用的需求。例如，在電路板和電池熱管理方面，這些核殼填料已經(jīng)展示了其性能。該成果以“Core–Shell Engineered Fillers Overcome the Electrical-Thermal Conductance Trade-Off”為題發(fā)表在《ACS Nano》期刊上。

論文的主要研究內(nèi)容集中在開發(fā)一種創(chuàng)新的Pechini方法，結(jié)合超快焦耳加熱處理，用于在高質(zhì)量銀微球表面涂覆絕緣氧化物層（如Al?O?和BeO），以克服高熱導(dǎo)率材料通常伴隨高電導(dǎo)率的問題。傳統(tǒng)方法受限于特定金屬材料和涂層材料，且制備的核殼微球尺寸較小，導(dǎo)致復(fù)合材料的整體性能不佳。而該團隊提出的方法具有更高的通用性和魯棒性，適用于不同尺寸的核殼填料，尤其是大尺寸微球（1至100微米），從而顯著提升了復(fù)合材料的熱導(dǎo)率和電絕緣性能。

圖 核殼填料的合成與表征

研究首先通過對比傳統(tǒng)的原位生長方法，展示了Pechini方法在涂覆銀微球上的優(yōu)勢。原位生長方法對金屬表面的功能化要求較高，難以應(yīng)用于多種金屬材料，例如在銀微球上無法成功形成所需的氧化鋁涂層。而Pechini方法通過將銀粉、檸檬酸和金屬離子（如Al3?或Be2?）混合在水溶液中形成螯合物，并在乙二醇的幫助下交聯(lián)成凝膠，確保銀微球被完全包裹。隨后經(jīng)過高溫煅燒和超快焦耳加熱處理，形成了致密的結(jié)晶金屬氧化物層。這種方法不僅適用于銀微球，還能夠擴展到其他金屬材料，展現(xiàn)出廣泛的適用性。

圖 在微觀和宏觀層面評估核殼填料

為了驗證涂覆層的均勻性和絕緣性能，研究人員進行了微觀和宏觀層面的詳細表征。通過SEM、EDS和XPS等手段，確認了氧化物層的成功涂覆及其純度。特別地，通過SEM納米探針臺進行的單球電氣測試表明，涂覆后的銀微球表現(xiàn)出顯著的絕緣特性，電阻比原始銀微球高出約6個數(shù)量級。此外，高溫處理后的核心-殼結(jié)構(gòu)仍保持良好的流動性，證明了氧化物層對銀核心的緊密保護，即使在銀熔化的情況下也不會發(fā)生泄漏。

圖 球體尺寸分布對于單球和雙球填充系統(tǒng)的填充體積含量和熱導(dǎo)率的影響

進一步的研究探討了這些核殼填料在環(huán)氧復(fù)合材料中的應(yīng)用。通過優(yōu)化尺寸復(fù)合技術(shù)，將不同尺寸的銀@Al?O?微球與小尺寸Al?O?微球混合，顯著降低了復(fù)合材料的粘度，同時提高了熱導(dǎo)率。實驗結(jié)果顯示，優(yōu)化后的環(huán)氧復(fù)合材料在94 wt%的填充量下，熱導(dǎo)率可達約3.8 W m?1 K?1，遠高于現(xiàn)有商業(yè)產(chǎn)品，并且保持了高電絕緣性能（約1012 Ω cm）。這種復(fù)合材料在實際應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)異的可靠性和散熱性能，例如在電路板和電池管理中，能夠有效降低溫度，提高設(shè)備的穩(wěn)定性和壽命。該研究通過開發(fā)一種通用的Pechini方法，成功解決了高熱導(dǎo)率材料的電-熱導(dǎo)率權(quán)衡問題，為高性能熱管理材料的設(shè)計和應(yīng)用提供了新的思路和技術(shù)途徑。

下圖為本研究成果中用到的澤攸科技SEM納米探針臺：