Dalam mengejar kekonduksian terma yang lebih tinggi untuk bahan antara muka terma, meningkatkan nisbah pengisian pengisi konduktif terma adalah cara yang berkesan untuk meningkatkan prestasi terma komposit. Walau bagaimanapun, dalam aplikasi praktikal, apabila nisbah pengisian pengisi konduktif terma melebihi ambang tertentu, kekerasan bahan meningkat dengan mendadak, pemprosesan menjadi sukar, dan kesesuaian berkurangan dengan ketara, manakala peningkatan dalam kekonduksian terma adalah minimum atau bahkan bertakung. Di sebalik fenomena ini terdapat konsep utama dalam sains bahan pengalir haba-pecahan pengisian kritikal.
1. Jenis Pengisi
Untuk pengisi konduktif terma, dalam komposit konduktif terma, pemindahan haba dalaman bergantung terutamanya pada dua pembawa: elektron dan fonon. Mekanisme pemindahan haba yang berbeza sangat mempengaruhi pecahan pengisian kritikal yang diperlukan untuk pengisi membentuk rangkaian konduktif haba yang berkesan:
Pengisi Konduktif Elektronik (cth, Perak, Kuprum dan Graphene)
Pengisi ini bergantung pada pergerakan dan perlanggaran elektron bebas untuk pemindahan haba. Kelebihan teras mereka terletak pada kesan terowong kuantum yang ketara: Apabila dua zarah pengisi konduktif dibawa dalam beberapa nanometer antara satu sama lain, walaupun tanpa sentuhan langsung, elektron mempunyai kebarangkalian melintasi penghalang polimer penebat di antara, mencapai lompatan. Ini bermakna rangkaian yang terputus secara fizikal mungkin sudah disambungkan secara terma terlebih dahulu. Akibatnya, pecahan pengisian kritikal untuk pengisi ini untuk membentuk rangkaian konduktif haba yang berkesan biasanya rendah.
Pengisi Konduktif Secara Fonik (cth, Pengisi Seramik seperti Alumina, Silikon Nitrida, dan bahan Karbon seperti Karbon Nanotiub, Graphene)
Pengisi ini bergantung pada fonon (getaran kekisi) untuk pemindahan haba. Purata laluan bebas fonon dalam matriks polimer bercelaru adalah sangat pendek. Apabila fonon bergerak antara pengisi hablur tersusun tinggi dan matriks bercelaru, atau merentasi celah kecil antara pengisi, ketidakpadanan dan penyerakan fonon yang teruk berlaku. Untuk mewujudkan laluan fonon yang cekap, pengisi mesti membentuk sentuhan fizikal yang rapat dan hampir sempurna untuk meminimumkan rintangan haba antara muka. Keperluan ketat ini biasanya menghasilkan pecahan pengisian kritikal yang lebih tinggi. Tambahan pula, walaupun dalam kalangan pengisi dengan mekanisme pemindahan haba yang sama, kekonduksian terma intrinsik pengisi itu sendiri boleh menjejaskan pecahan pengisian kritikalnya. Pengisi dengan kekonduksian terma yang tinggi sememangnya sangat cekap pada pemindahan haba, membolehkan haba lebih mudah dihantar melalui "rangkaian kuasi-}yang tidak sempurna, sekali gus memerhatikan lonjakan ketara dalam prestasi terma pada jumlah pengisian yang lebih rendah. Sebaliknya, pengisi dengan kekonduksian terma yang lebih rendah adalah kurang cekap dari segi terma dan memerlukan rangkaian konduktif terma yang lebih sempurna untuk memudahkan pengaliran haba di sepanjangnya, justeru pecahan pengisian kritikalnya juga lebih rendah.
2. Morfologi Pengisi
Morfologi menentukan kecekapan sentuhan antara pengisi dan ketumpatan pembungkusan maksimum, dengan itu mempengaruhi pecahan pengisian kritikal. Berdasarkan ciri geometri, pengisi konduktif terma boleh dikategorikan sebagai:
Pengisi Sfera
Kelebihan pengisi sfera terletak pada penyebarannya yang mudah dan kebolehaliran yang baik. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh simetri geometri, mereka hanya boleh membentuk rangkaian melalui sentuhan titik, menyebabkan kecekapan pemindahan haba yang lebih rendah antara zarah. Pecahan pengisian yang agak tinggi diperlukan untuk mencapai ketersambungan yang berkesan. Sebagai contoh, pecahan pengisian untuk alumina sfera biasanya perlu mencapai sekitar 40% hingga 50% untuk meningkatkan kekonduksian terma dengan ketara.
Pengisi Anisotropik (Pinggan-seperti/Berserabut)
Pengisi seperti plat-seperti boron nitrida heksagon (h-BN) dan graphene, atau pengisi gentian seperti tiub nano karbon (CNT), gentian karbon dan misai aluminium nitrida, mempunyai nisbah aspek tinggi atau nisbah panjang-hingga-diameter. Mereka mempunyai kebarangkalian tinggi untuk saling bersambung, terutamanya apabila berorientasikan ke arah tertentu, membentuk rangkaian meresap melalui kesan "merapatkan" pada pecahan pengisian yang sangat rendah. Walau bagaimanapun, jenis pengisi ini lebih sukar untuk dihamburkan dan terdedah kepada kekusutan atau penggumpalan.
Pengisi Tidak Teratur
Pengisi ini mempamerkan hubungan mekanikal yang kuat, membawa kepada rintangan yang lebih tinggi dan peningkatan mendadak dalam kelikatan pada pecahan pengisian yang lebih rendah. Walau bagaimanapun, bentuknya yang tidak sekata mungkin meningkatkan titik hubungan antara pengisi sedikit sebanyak. Pecahan isian kritikal mereka biasanya berada di antara pengisi sfera dan pengisi seperti-plat/berserabut. Jelas sekali bahawa dalam kejuruteraan praktikal, satu-pengisi morfologi sering bergelut untuk mengimbangi kekonduksian terma yang tinggi, kemudahan pemprosesan dan prestasi keseluruhan. Oleh itu, penghibridan pengisi berbilang-morfologi menjadi strategi yang penting. Contohnya, menggabungkan pengisi seperti-plat, berserabut dan sfera boleh memanfaatkan kelebihan masing-masing untuk membina rangkaian konduktif terma berbilang peringkat, mencapai sinergi "garisan-titik" dan "satah-titik", menghasilkan prestasi keseluruhan yang jauh lebih baik daripada sistem pengisi-tunggal.
3. Saiz dan Taburan Zarah Pengisi
Laluan pengaliran haba pada setiap titik sentuhan antara zarah pengisi besar adalah lebih langsung, mengurangkan penyerakan fonon dan memudahkan pemindahan haba. Mereka boleh saling bersambung untuk membentuk saluran konduktif terma berterusan pada jumlah pengisian yang lebih rendah. Walau bagaimanapun, kerana titik sentuhan antara zarah besar agak sedikit dan celahan adalah besar, rangkaian konduktif haba yang terbentuk adalah relatif tunggal, mencapai had kekonduksian terma pada pecahan pengisian yang agak rendah. Sebaliknya, zarah kecil mempunyai luas permukaan khusus yang besar dan kawasan sentuhan yang lebih besar antara zarah, tetapi penyerakan fonon juga lebih teruk. Mereka memerlukan jumlah pengisian yang lebih tinggi untuk membentuk rangkaian konduktif haba yang berkesan, menghasilkan pecahan pengisian kritikal yang lebih tinggi. Dalam aplikasi praktikal, pengadunan pengisi yang berlainan saiz secara saintifik (cth, menggunakan zarah besar untuk membentuk rangka, dan zarah sederhana/kecil untuk mengisi lompang) adalah perkara biasa. Strategi ini mengoptimumkan dengan ketara pecahan pengisian kritikal yang diperlukan untuk membentuk laluan konduktif terma berterusan dan meningkatkan kekonduksian terma akhir. Secara amnya, taburan saiz yang luas membolehkan untuk membina rangka pengalir haba dengan laluan yang lebih banyak menggunakan jumlah minimum pengisi. Walau bagaimanapun, adalah penting untuk ambil perhatian bahawa pengedaran yang terlalu luas mungkin memperkenalkan zarah yang sangat besar, menjejaskan prestasi pemprosesan atau menyebabkan kepekatan tegasan setempat. Pengoptimuman rangkaian pengalir haba melalui penggredan saiz zarah besar dan kecil.
4. Sifat Permukaan Pengisi
Walaupun rangkaian konduktif terma fizikal terbentuk, ikatan yang lemah antara pengisi dan matriks resin dengan mudah boleh membawa kepada penggumpalan pengisi. Selain itu, haba menghadapi rintangan yang ketara (ketakpadanan fonon tinggi) pada antara muka. Ini memerlukan jumlah pengisi yang lebih tinggi untuk mewujudkan laluan haba yang berkesan, menghasilkan pecahan pengisian kritikal yang lebih tinggi. Mengubah suai permukaan pengisi menggunakan agen gandingan seperti silanes boleh meningkatkan ikatan antara muka, mengurangkan rintangan haba antara muka dan membenarkan rangkaian konduktif terma yang terbentuk berfungsi dengan benar-benar cekap. Ini secara berkesan meningkatkan kekonduksian terma pada pecahan pengisian yang sama sambil juga mengurangkan kelikatan sistem dan meningkatkan kebolehprosesan. Walau bagaimanapun, pengubahsuaian yang berlebihan mungkin menghalang-sentuhan pengisi, secara paradoks meningkatkan pecahan pengisian kritikal.
