TRIZ理论在热界面材料性能改进中的应用

曹凯月，朱海涛，隋 凝

(青岛科技大学 材料科学与工程学院，山东 青岛 266042)

1 TRIZ基本理论体系及应用

从1946年开始，前苏联发明家阿奇舒勒带领他的团队经过50多年对世界上近250万份高水平的专利文献加以搜集、研究、整理、归纳，总结出人类进行发明创造、解决技术问题过程中所遵循的科学原理和法则，建立起一整套系统化的解决发明问题的TRIZ理论体系[1]。利用TRIZ解决问题时，首先要将研究的项目表达成TRIZ问题，然后利用TRIZ中的工具，求出该TRIZ问题的普适解，最后把该解转化为领域的解。本文以“导热硅橡胶的制备及性能研究”为例，引入TRIZ理论，利用TRIZ方法对研究过程中出现的问题加以分析并得到解决方案[2]。

2 TRIZ理论在热界面材料性能改进中的应用

2.1 提出问题

微电子等行业的发展，对热界面材料的要求越来越高。硅橡胶具有良好的力学性能，但其导热性差。所以要改善其导热性，使其可以作为热界面材料应用。液态金属具有优异的导热性，但考虑到其电导率较高，无法满足部分电子器件对绝缘性能的要求，所以我们将液态金属与乙烯基硅油混合，使其形成双连续结构，从而得到导热性和绝缘性较好的热界面材料。本文的研究对象为实验室制备的填充液态金属的导热硅橡胶。实验过程如图1所示。实验初期制备的样品难以固化成型、导热性较差。本文的目的就是解决以上问题，改进制备工艺、优化工艺参数。

图1 实验流程图

2.2 运用TRIZ理论进行问题分析

2.2.1 功能分析

将此实验流程看作一个系统[3]。首先对该系统进行功能分析。本系统的作用对象为填充液态金属的导热硅橡胶材料。组件主要包括液态金属、乙烯基硅油、交联剂、室温抑制剂、Pt催化剂、混合物，脱泡机、烘箱和空气是该系统的超系统。功能模型图如图2所示。

功能模型图描述了各组件之间的关系，通过对功能模型图的分析，我们可以看出该系统存在以下几点功能缺陷：(1)各组分用量存在不足；(2)混合过程存在不足；(3)烘干成型过程存在不足；(4)超系统空气对混合物具有有害的干扰作用。

图2 功能模型图

2.2.2 因果分析

通过因果分析，可以找出问题产生的根本原因并找出解决问题的所有的可能的“突破点”。常用的因果分析方法有五个“为什么”、故障树、因果轴分析法等，本文采用因果轴分析法。

图3 对制品难以固化成型的因果分析

图4 对制品导热性能较差的因果分析

造成制品难以固化成型的原因可能有：(1)交联剂用量不足；(2)乙烯基硅油粘度太低；(3)烘箱温度较低，烘干时间过短；(4)液态金属与乙烯基硅油等材料的比例不合适；(5)模具对混合物所施加的压力过小。

造成制品导热性能较差的原因可能有：(1)制品中含有较多气泡，低热导率的空气的存在使制品导热性较差；(2)液态金属效应不足。

2.3 运用TRIZ工具解决问题

2.3.1 物理矛盾和分离原理

运用物理矛盾和分离原理解决难以固化成型的问题。

物理矛盾一：根据因果分析，难以固化成型的原因有交联剂用量不足。在制备过程中，交联剂的用量多一些可以使得制品容易成型；但过量的交联剂又会导致制品硬度提高、弹性和韧性降低。可以采用基于条件的分离原理，混合过程中添加适量的交联剂，后期通过提高烘箱温度使制品容易固化成型。

物理矛盾二：根据因果分析，难以固化成型的原因也有乙烯基硅油粘度太低。在制备过程中，较低的乙烯基硅油粘度可以提高浸润性，方便与液态金属的混合；较高的乙烯基硅油粘度有利于制品后期的固化成型。可以采用时间分离原理，使乙烯基硅油在前期的粘度小，提高与液态金属的浸润性；在后期的粘度大，方便混合物的固化成型。

2.3.2 物-场模型

2.3.2.1 运用物-场模型解决气泡的存在导致导热性能较差的问题[4-5]

第一步：根据实验流程，定义模型中的三个要素。

确定相关元素为：S1——气泡；S2——混合物；F1——离心力。

第二步：构建问题的物-场模型。

图5为该系统的物-场模型。在此情况下，该系统不能满足预期效果的要求。

图5 脱泡工序物-场模型

第三步：选择物-场模型合适的解法。

该系统属于存在有害效应且场效应不足的完整模型。可以有以下几种解法：

①增加另一个场来消除有害效应。

②增加一个物质，并加上另一个场来消除有害效应。

③增强有用的效应。

第四步：得到解决方案的物-场模型。

①增加另一个场得到物-场模型图6。新添加元素：F2——另一个场。

图6 增加另一个场

②增加一个物质，并加上另一个场得到物-场模型图7。新添加元素：S3——另一个物质；S3——另一个场。

图7 增加一个物质和另一个场

第五步：进行概念设计支持最终解。

解决方案：

①使用真空泵对混合物进行抽真空处理，利用真空泵提供的机械场(F2)达到破除气泡、消除有害效应的目的。

②向混合物中添加适量消泡剂。消泡剂(S3)与气泡之间存在化学作用(F3)。消泡剂与气泡发生化学反应从而使气泡破裂，达到消除有害效应的目的。

2.3.2.2 运用物-场模型解决液态金属效应不足导致导热性能较差的问题

按照以上步骤得到乙烯基硅油与液态金属相混合的物-场模型如图8所示。该系统属于效应不足的完整模型。其中，S1——乙烯基硅油；S2——液态金属；F1——机械场。

图8 乙烯基硅油与液态金属相混合的物-场模型

采用增加另一种物质的解决方法:向之前的混合物中添加片状银粉。银粉本身的导热系数很高，而且片状银粉的比表面积大，使得片状银粉的散热路径很多，片状银粉与液态金属混合加入乙烯基硅油内，有利于形成更加丰富的导热网络，从而使得复合材料的界面热阻减小，导热性能提高。由此得到物-场模型图9。

图9 增加另一种物质的物-场模型

2.4 方案分析

2.4.1 解决制品难以固化成型的方案

评估手段：可通过实验者的观察直接判断制品固化成型的情况。

方案一：向混合物中添加适量的交联剂，并适当提高烘箱的温度后，所得制品的固化成型性明显提高，并且具有较好的弹性。此方案可行。

方案二：乙烯基硅油的粘度不易改变，在使用同一种乙烯基硅油的情况下，很难做到使其粘度在前期的粘度小并且在后期的粘度大。此方案不可行。

2.4.2 解决制品导热性能较差的方案

评估手段：可通过热阻值的大小判断制品导热性能的好坏。

方案一：以液态金属填充量为50%的制品为例进行分析。

在其他条件保持一致的情况下，将制品1不做处理，制品2抽真空2h，制品3抽真空4h，制品4抽真空6h。实验结果如表1所示。

表1 实验结果

由表1可知，随着抽真空时长的增加，制品的界面热阻逐渐减小。当抽真空的时间从0增加到6h时，制品的界面热阻从11.325℃·cm2/W减小到7.665℃·cm2/W。由此可以看出，通过抽真空来消除内部空气可以有效改善制品的导热性能。此方案可行。

方案二：以液态金属填充量为60%的制品为例进行分析。在其他条件保持一致的情况下，将制品1不做处理，向混合物中添加体积比为3%的片状银粉得到制品2，向混合物中添加体积比为5%的片状银粉得到制品3。实验结果如表2所示。

表2 实验结果2

由表2可知，液态金属的体积分数为60%的制品的界面热阻为9.23℃·m2/W，随着片状银粉添加量的增加，制品的界面热阻逐渐减小，当填充的片状银粉的体积为5%时，制品的界面热阻减小到0.85℃·m2/W。由此可以看出，片状银粉和液态金属对于提高硅橡胶的导热性能具有协同作用，通过添加片状银粉可以明显改善制品的导热性能。此方案可行。

3 总结

在科学研究中合理运用TRIZ理论可以开拓思路，在短时间内快速锁定研究项目中的问题所在，并且可以明确解决问题的方向，得到解决问题的多种方案。本文以“导热硅橡胶的制备及性能研究”为例，通过引入TRIZ理论，分析并解决了在制备液态金属填充的导热硅橡胶过程中存在的制备工艺不完善、制品性能较差的问题，得到了解决方案，提高了产品的质量。