self‐healing in thermal interface materialsexperta-benelux.com/application notes/self‐healing in...

87
Delft University of Technology - Faculty of Aerospace Engineering 2012 Self‐Healing in Thermal Interface Materials Master of Science Thesis Christian Moreno Belle LR 1011642 TU Delft

Upload: vuongcong

Post on 15-Feb-2019

228 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

 

 vii 

Delft University of Technology - Faculty of Aerospace Engineering  

2012

Self‐HealinginThermalInterfaceMaterials

Master of Science Thesis

 

Christian Moreno Belle ‐ LR  

1011642

TU Delft      

Page 2: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

 

   

Page 3: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

 

Delft University of Technology Novel Aerospace Materials

Self-Healing

in

Thermal Interface Materials

Master of Science Thesis

 

Author:  

Christian Moreno Belle 

 

Advisors: 

Prof. Dr. Ir. S. van der Zwaag 

Dr. U. Lafont  

 

Date: 

13 August 2012 

 

Contact information: 

[email protected]

Page 4: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

 

 

 

Page 5: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

 

 

Abstract 

Thermal  interface materials,  TIM’s,  are materials  that  serve  to  conduct  heat  from  a  heat  source 

surface to a heat sink surface. Aside from their thermal conductive property TIM’s should have other 

valuable  properties,  like  adhesive  strength,  to  ascertain  structural  integrity  of  the  assembled 

compound  structures.  However,  over  time  the  thermal  interface materials may  loose  their  good 

contact  with  both  surfaces  due  to  delamination.  This  can  happen  as  a  result  of  stresses  like 

contraction and expansion due to thermal cycling. The damage and integrity of the TIM’s are difficult 

to spot and measure. Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer an  interesting 

new route to autonomously restore interfacial adhesion upon delamination. In this research project 

several  types  of  self‐healing  polymer  composites  were  synthesized  with  thermally  conductive 

granular materials  either  as  random  textured  or  as  quasi‐aligned  polymer  composites,  combining 

good thermal conductivity with  long  lasting  interfacial adhesion to be used  in microelectronics and 

LED  applications.  The  experiments  conducted  in  this  project  indicate  how  well  the  different 

composites perform  for different  filler  in  thermal  conductivity,  adhesive  strength  and  self‐healing 

ability. The results of this project indicate that competitive TIM’s with excellent adhesive properties 

can be fabricated with self‐healing abilities.  

   

Page 6: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

ii 

 

   

Page 7: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

iii 

 

Preface  

This report is my master thesis for the conclusion of my Master program at the faculty of Aerospace 

Engineering at Delft University of Technology, TUDelft.   

I take this opportunity to thank both of my supervisors, starting with Prof. Dr. Ir. S. van der Zwaag for 

his insights, his guidance and comments, for letting me join the Novel Aerospace Materials group and 

giving me  the opportunity  to work on a very  interesting  topic with my  second  supervisor, Dr. U.L. 

Lafont, who I thank for his patience and understandings, his guidance and support thru all my work 

and for being strict when I needed it the most. 

A second word of thanks goes for Nijesh James for his comments and guidance. Furthermore I thank 

Daniella Deutz for her insight, her useful critics and reading part of my report. 

I also thank all the members of the Novel Aerospace Materials group  for their cheering,  friendship 

and wonderful experience at the TUDelft. 

I also would like to thank my family and close friends for their patience and support as some of them 

live countries away from The Netherlands. 

I really enjoyed working on this topic and the persons involved but it is time to finish this report, this 

is just the beginning. 

 

   

Page 8: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

iv 

 

 

 

   

Page 9: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

 

Table of Contents 

Abstract .................................................................................................................................................... i 

Preface ..................................................................................................................................................... iii 

Table of Contents ..................................................................................................................................... v 

Nomenclature ......................................................................................................................................... vii 

1  Introduction ..................................................................................................................................... 1 

1.1  Thermal interface material ...................................................................................................... 1 

1.2  Self‐healing .............................................................................................................................. 6 

1.2.1  Additive based self‐healing ............................................................................................. 7 

1.2.2  Intrinsic based Self‐healing .............................................................................................. 8 

1.3  Particle alignment in composite using dielectrophoresis ..................................................... 12 

2  Materials and test methods .......................................................................................................... 16 

2.1  Composite synthesis .............................................................................................................. 16 

2.2  Composite synthesis using dielectrophoresis ....................................................................... 20 

2.3  Cohesion healing test ............................................................................................................ 21 

2.4  Adhesion recovery: lap shear test ......................................................................................... 22 

2.5  Thermal conductivity test ...................................................................................................... 23 

2.6  Other characterization techniques used ............................................................................... 24 

3  Experimental results ...................................................................................................................... 26 

3.1  Material characterization ...................................................................................................... 26 

3.2  Cohesion recovery results ..................................................................................................... 29 

3.2.1  Aluminium as filler ......................................................................................................... 29 

3.2.2  Aluminium Nitride as filler............................................................................................. 32 

3.2.3  Boron Nitride as filler .................................................................................................... 35 

3.2.4  Copper as filler ............................................................................................................... 38 

3.2.5  Graphite as filler ............................................................................................................ 40 

3.2.6  Data summary for cohesion test ................................................................................... 43 

3.3  Adhesion recovery results ..................................................................................................... 47 

3.3.1  Aluminium as filler ......................................................................................................... 47 

3.3.2  Aluminium Nitride as filler............................................................................................. 47 

Page 10: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

vi 

 

3.3.3  Boron Nitride as filler .................................................................................................... 48 

3.3.4  Copper as filler ............................................................................................................... 48 

3.3.5  Graphite as filler ............................................................................................................ 49 

3.3.6  Data summary for adhesion test ................................................................................... 50 

3.4  Thermal conduction results ................................................................................................... 51 

3.4.1  Specimen with non—aligned particles .......................................................................... 51 

3.4.2  Comparison between aligned and non‐aligned samples .............................................. 53 

3.4.3  SEM analysis of particulate composites/particles ......................................................... 54 

4  Discussion ...................................................................................................................................... 59 

4.1  Cohesion recovery ................................................................................................................. 59 

4.2  Adhesion recovery ................................................................................................................. 62 

4.3  Thermal conduction .............................................................................................................. 66 

4.4  Valorization strategy ............................................................................................................. 69 

5  Conclusions .................................................................................................................................... 73 

References ............................................................................................................................................. 74 

 

   

Page 11: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

vii 

 

Nomenclature 

Acronyms DA    Diels‐Alder 

cl    Crosslinker     

DEP     DiElectroPhoresis 

DSC    Differential Scanning Calorimetric 

EPS    Epoxidized PolySulfide 

Im     Imaginary 

rDA    Retro Diels‐Alder 

Re    Real 

rms     Root mean square 

rpm    Revolution per minute 

SEM    Scanning Electron Microscope 

TIM    Thermal Interface Material 

TEM    Transmission Electron Microscopy 

UV    Ultra Violet 

 

List of Symbols  Latin symbols 

Symbols  Unit   Description 

     J/Kg ⋅K  Heat capacity 

     V/m  Electric field 

eV    eV  Electron volt 

F    N  Force 

f    Hz  Frequency 

     g/eq  Gram‐equivalent 

H%    ‐‐  Healing percentage 

K    ‐‐  Clausius–Mossotti factor 

k    W/mK  Thermal conductivity 

m    Kg  Mass 

p    Pa  Pressure 

r    m  radius 

T    K or oC  Temperature in Kelvin or Celsius 

Ti    oC  Order‐disorder transition temperature 

Tg    oC  Glass transition temperature 

Tm    oC  Melting temperature 

t    s  Time 

V    V  Voltage 

v    m/s  Velocity   

 

Page 12: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

viii 

 

 

Greek symbols 

Symbols  Unit   Description 

           ‐  Del operator 

     F/m  Permittivity 

      Pa⋅s  Viscosity 

     Kg/m3  Density 

     Ω⋅m  Electrical conductivity 

     MPa  Shear strength 

      0  Phase‐angle 

     rad/s  Angular frequency 

 

 

 

 

Page 13: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

 

 

1 Introduction 

At present  there are very good  interface materials designed  for micro‐ and optoelectronics. These 

interfaces  can be  tailored  to  fulfil one or  several  functions depending on  the  requirements of  the 

assembled  compounds:  Insulate or  conduct  electricity or heat, hold  the  compounds  together  etc. 

Aside from these functions the interface materials can contain properties to enhance its functionality 

and applicability: Corrosion resistance, very high thermal resistance, fluidity, self‐healing, etc. 

 If one of these interfaces deteriorates or fails in any other way it may cause damage or even cause 

failure  to  the system  they belong. Stresses between  the  interface bonding agent and  the attached 

components  are  the  main  reason  for  interfacial  failures,  i.e.  stresses  originated  by  different 

expanding coefficients, corrosion stresses, electrical stresses, etc [1]. Those can cause damage to the 

bonding interface and with time cause total debonding from its attached component(s).  

This  research was  conducted  to  investigate  an  adhesive  interface  composite  provided with  good 

thermal  conductivity  and  self‐healing  ability  to  restore  all  its  cohesive/  adhesive  and  thermal 

conduction properties upon damage. 

The most significant concepts‐tools are introduced in this chapter; Thermal interfaces materials, self‐

healing and dielectrophoresis. The next chapter explains in detail the synthesis of the specimen, the 

test methods and processes used on  the specimens. The  third chapter presents  the data results  in 

the form of graphs, tables and images. The results are discussed in chapter four. 

1.1 Thermalinterfacematerial

Heat generated within an electronic device must be removed to maintain the functional temperature 

of the component within safe operating limits. Often this heat removal process involves conduction 

from  the component package surface  to a  radiator, heat sink or heat spreader, which can  transfer 

the heat to the ambient environment more efficiently. This radiator has to be joined carefully to the 

package to maximize the radiated thermal emission [2]. 

Attaching a radiator to an electronic device requires that two generally not perfectly flat surfaces are 

brought  into  intimate  contact.  These  surfaces  are  usually  characterized  by  a microscopic  surface 

roughness  superimposed  on  a  macroscopic  non‐planarity  that  can  give  the  surfaces  a  concave, 

convex or twisted shape represented in Figure 1.1. 

 

Figure 1.1 Magnified surface imperfections containing air gaps [3] 

Page 14: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

 

When two such surfaces are mechanically joined at moderate contact pressures, contact occurs only 

at the high points or peaks of the surfaces. The low points in the surface form air‐filled voids. Typical 

contact area can consist of more than 80 percent air voids, which creates a significant resistance to 

heat flow [3, 4]. 

Thermal  Interface Materials,  or  TIM’s,  are  used  to  eliminate  these  interstitial  air  gaps  from  the 

junction  by  conforming  to  the  rough  and  uneven mating  surfaces.  Since  TIM’s  have  significantly 

greater thermal conductivity than the air they replace, the resistance across the interface decreases 

and the heat flux is greatly increased leading to a drop in the temperature of the component. 

A variety of TIMs has been developed in response to the changing needs of the electronic packaging 

market and can be categorized into the following families: 

Elastomeric Pads/Insulators  

Thermally Conductive Adhesive Tapes  

Phase Change Materials  

Thermally Conductive Gap Fillers  

Thermally Conductive “Cure in Place” Compounds 

Thermal Compounds or Greases  

Gap Filling Liquids 

Thermally Conductive Adhesives 

Each of  the mentioned  families has  their own  set of advantages and disadvantages, also between 

materials within the families. Closely  looking at some materials of each family the next advantages 

and disadvantages can be found. From Kaveh, A et al. [5]: 

Elastomeric  Pads/Insulators:  Containing  ceramic  particles which  are  often  reinforced with woven 

glass fibers. 

Pros: 

Very high dielectric strength. 

Very high volume resistivity against heat loads. 

Long term electrical insulation. 

Cons: 

Require very high clamping pressures, higher than 1.4 kPa. 

Can deform with time. 

Thermally Conductive Adhesive Tapes: Fabricated with silicon, fiberglass or silicon elastomers. 

Pros: 

Easy to use, peel and press. No curing dispensing. 

Good for mid‐range thermal performance conductivity. 

Replace mounting hardware. 

Good for bonding small heat sinks to components, eliminating the need for clips, screws or 

mechanical fasteners. 

Able to bond surfaces which are significantly rough or bowed. 

Reduce stresses, even with relatively high compression, to allow for uneven surfaces.  

Page 15: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

 

Relatively low pressure needed to apply, 35 to 100 Pa. 

Cons: 

Do not solve components flatness issues. Issues with air gaps. 

Only moderate thermal conductivity. 

Thermal  performance  highly  dependent  on  contact  area  that  can  be  achieved  between 

bonding surfaces. 

Phase Change Materials: Including silicon and organic based versions. 

Pros: 

Fill interfacial air gaps and surface voids. 

Create strong adhesive bonds that can handle high temperatures. 

Can achieve complete wet‐out of surface after a mild melt temperature. 

Very low mounting force required. 

Low thermal resistance. 

Will melt at temperatures just above 50oC. 

Cons: 

Require other forms of attachment. 

Some older versions flow out of tight areas. 

Require some compressive force. 

Do not provide electrical isolation. 

Thermally Conductive Gap Fillers: Silicon with optional foam. 

Pros: 

Can fill large areas. 

Offer grease‐like thermal performance with pad‐like handling and installation convenience. 

Can blanket multiple components of varying heights. 

Useful for low compression force applications. 

Can be custom moulded. 

Often good for bonding large gaps between hot components and cold surfaces. 

Easy application without curing or dispersing. 

Can be easily reworked. 

Can be provided in thicker sizes or larger offsets than tapes. 

Cons: 

Inferior to phase change materials and thermal grease in high dissipation situations. 

High clamping pressures, higher than 1.4 kPa. 

“Cure  in Place” Compounds:    includes silicon, silicon free, ceramic filled polyurethane and graphite 

materials. 

Pros: 

Provide electrical isolation along with thermal conductivity. 

Offer superior resistance to tear and cut‐through form burrs on heat sinks. 

Page 16: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

 

Cons: 

Typically require special storage, have limited shelf life and require the final application work. 

Greases and Gels: Including silicones, ceramic powder suspending in a liquid or gelatinous silicone, a 

metal‐base version containing silver or aluminum particles and a carbon base version with diamond 

powder. 

Pros: 

Easy to apply. 

Do not need curing. 

Can flow and conform to interfaces. 

Offer re‐workable thermal interface layers. 

Can achieve high thermal conductivity of 10 W/mK. 

Since bond line thickness is very thin, less than 25 microns, the resulting thermal impedance 

cross the interface can be low. 

Silicon components do not leak out of the compounds. 

No special storage requirements. 

Insulated. 

Cons: 

Over time some can degrade, pump‐out or dry out. 

Often present messy application issues. 

Require careful application or it can lead to the formation of air gaps or leakages. 

The actual bulk thermal conductivity is not high. 

They have been regarded as “user unfriendly”. 

No resistance to long term mechanical loads. 

Gap Filling Liquids: 

Pros: 

Conforms like grease with respect to mating uneven surfaces. 

Reduced material pomp out. 

Low modulus. 

Cons: 

Curing time. 

No resistance to long term mechanical loads. 

Liquid Adhesives: Applied through dispensing or stencil printing. 

Pros: 

Provide structural support, eliminating the need for mechanical clip. 

Cons: 

Can be messy 

 

Page 17: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

 

After  considering  the  different  types  of  TIM  together  with  the  intention  of making  a  polymer‐

granular conductor composite a closer look will be given to conductive adhesives. Thermal Adhesives 

are one or two part adhesive systems which have been usually loaded with metallic or ceramic fillers 

to enhance the thermal conductivity of the bulk polymer material. They are  typically used to bond 

small  heat  sinks  to  board  level  components,  thus  eliminating  the  need  for  clips,  screws  or  other 

mechanical fasteners to hold the heat sink  in place. As a structural adhesive, thermal adhesives are 

particularly useful for bonding surfaces which are significantly rough or curved. 

Adhesives offer a number of advantages over mechanical fasteners: 

Provide a relatively uniform distribution of stress across the joint. 

Employ larger stress‐bearing areas. 

Join similar or dissimilar materials of different thicknesses and shape. 

Provide joints with smooth contours. 

Seal joints against a variety of environments. 

Can act as an insulator slowing heat transfer across the joint or act as a TIM facilitating heat 

flow. 

Five  factors  affect  the  choice,  use,  and  performance  of  the  interface material  used  between  the 

processor and the heat‐sink: 

Thermal conductivity of the material. 

Electrical conductivity of the material. 

Gap Filling characteristics of the material. 

Long‐term stability and reliability of the material. 

Applicability. 

When taking the above mentioned into account the ideal TIM see Figure 1.2, would be/have: 

High thermal conductivity. 

Easily conforms to both contours to be joined by small contact pressures . 

Minimal thickness. 

No leakage from the interface. 

No deterioration over time. 

Non‐toxic. 

Easy to apply/remove. 

However, when the actual performance of TIM is taken into account as in Figure 1.3, we can say that: 

Gaps will not be completely filled, leaving some air pockets. 

Some  leakage may occur by the material by flowing out of  its place due to pressure and/or 

heat. 

Performance may deteriorate over time. 

Not always “manufacture friendly". 

 

Page 18: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

 

             Figure 1.2 Ideal TIM gap filling performace [6]           Figure 1.3 Actual TIM gap filling performance [6] 

1.2 Self‐healing

Self‐Healing is a bio‐mimicking process to repair existing damage on a system by itself by using some 

or no energy from outside the system. Currently there are not many self‐healing processes that can 

restore  the damaged system  to  its original state  [7, 8].   We  label a material  to have “Self‐healing” 

properties  when  it  can  restore  some  properties  by  itself  to  some  extent  to  keep  that material 

fulfilling  its  requirements,  even  if  it  is  just  the  action  of  stopping  crack  growth.  In  this  last  case 

“damage management” would be  a more  accurate  label  rather  than  self‐healing  [9].  It  should be 

realized that the conditions during damage accumulation are always   different (e.g.  lower stress or 

higher temperature, or additional energy input) from those during healing.  

Self‐healing systems are differentiated using the accumulation of damage over the elapsed time as 

parameter. With this, three cases are distinguished:  

a. Cases where self‐healing occurs only once, this means that the damage diminishes  in some 

degree from the material and it starts piling up again until it breaks see Figure 1.4 a. 

b. Cases where multiple sessions of healing can occur, healing the material to some extent but 

never perfect and/or never to a fixed amount of damage, eventually leading to failure of the 

material see Figure 1.4 b. 

c. The ideal case where the material gets multiple healing processes of some extent but never 

allowing the material to reach critical damage value see Figure 1.4 c. The  ideal case will be 

when the material can do this an infinite number of times during its service life. 

 

 

Figure 1.4 Damage over time [8] 

Page 19: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

 

 

For self‐healing processes to occur self‐healing properties will have to be added to the material in the 

form of additives or by manipulating the material granting  it with  intrinsic properties allowing self‐

healing  to be externally triggered. The  trigger can be temperature,  light, electrolytes, pressure etc. 

Either of these will bring engineering challenges to the system. 

1.2.1 Additivebasedself‐healing

To  obtain  an  autonomous  self‐healing material  using  additives means  imbuing  the material with 

healing agents. Healing agents are mainly kept  in a fluid state,  in a container, until damage occurs, 

then flow to seal the damage and solidify using help form a catalyst or another fluid to trigger curing. 

Two different types of systems to contain healing agents are: 

Encapsulated systems: Using capsules which can be spherical or other specially designed  forms as 

shown in Figure 1.5. Forms can be tailored according to the matrix they are in, the forces they have 

to endure without breaking and the direction of the forces to optimize crack encounters. A crack has 

to  encounter  these  capsules  for  the  self‐healing mechanism  to occur. After  the  capsule has been 

broken and  its healing agent has cured  that particular  sphere will be expended and will no  longer 

participate in future healing processes [10‐12]. 

Vascular  systems:  Hollow  tubes,  filled  with  a  liquid  healing  agent,  are  used  to  create  vascular 

systems as represented in Figure 1.6. These tubes can be connected with each other to help supply 

the healing agent [12]. These systems can be refilled and they can be interconnected. These vascular 

systems  take  a  great  amount  of  volume  from  the  surrounding matrix,  altering  the  entire  system 

properties on a bigger scale than the encapsulated system. 

Using additives will change the properties of that material to some extent. It may reduce the desired 

properties on which that material was chosen in the first place. Two important parameters for these 

systems are how much healing substance can be added onto the material while remaining usable and 

if  that  amount  is  enough  for  self‐healing.  Self‐healing means  that  something  somehow  needs  to 

“move” to the open space of the crack, fill it and restrain it from further opening. Movable parts or 

fluids are not desired on a load carrying material but  the mobility of the healing agent  is a necessary 

condition for autonomous self‐healing.  

 

 

Figure 1.5 Encapsulated system [12] 

 

Figure 1.6 Vascular system [12] 

 

Page 20: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

 

1.2.2 IntrinsicbasedSelf‐healing

The second approach to create a self‐healing material is to create materials with intrinsic self‐healing 

properties,  as  represented  in  Figure  1.7,  which  have  to  be  stimulated  to  trigger  the  healing 

mechanism [12]. Heat is the most applied trigger for healing stimulation, by heating thermal reactive 

self‐healing materials bonds will open up  to  later  reform upon cooling down. This  reversible bond 

breaking lowers the viscosity making the material more or less fluid while at the same time giving the 

material the mobility to seal the cracks. Surfaces need to be in contact with each other to close the 

gap  by  creating  new  bonds  and  entangle,  as  shown  in  Figure  1.8.  This  holds  for  any  healing 

mechanism.  After  the  temperature  is  lowered  new  bonds  are  created  allowing  the  material  to 

recover  an  amount  of  damage  and  fixating  the  material  as  if  new  [12].  Problems  related  to 

temperature stimulation are that the material may  lose  its shape and, during the healing process  it 

will not be able to carry loads.  

Self‐healing is also a process that requires time. Instant healing responding to damage, using damage 

as the trigger, would be the ideal process. For some self‐healing systems it will be almost impossible 

to respond and heal as long as the material is carrying loads. Cyclic loads, against tensile static loads, 

on the material can help in the self‐healing process, as healing can occur easier during resting periods 

of cyclic loading or during long periods of compression loading which helps closing the crack making 

surfaces to contact each other.     

Self‐healing  processes  are  very  dependable  on  the  material  they  are  paired  with  and  the 

requirements  of  the material  during  its  life.  Some  self‐healing materials  can  be  seen  as  “tailored 

products”, that means that when applying a known self‐healing system into a new material it should 

be studied and tested to corroborate its compatibility.

 

Figure 1.7 Intrinsic principle [12] 

 

Figure 1.8 Entanglement and reconnection options [13] 

 

Page 21: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

 

When  talking  about  intrinsic  self‐healing  it  is  usually  referred  to  reversible  bonding  ability  based 

system  including  supramolecular  chemistry.  Supramolecular  chemistry  includes  all  intermolecular 

bonding using non‐covalent bonds, reversible covalent bonds and hydrogen bonding [12, 14]. 

Some of the supramolecular chemistry reactions, most commonly applied for self‐healing, are briefly  

presented below: 

Coordination  complex processes:  In  chemistry a  coordination  complex or metal  complex happens 

when an atom or ion, usually metallic, is bonded to a surrounding array of molecules or ions, which 

are in turn known as “ligands” or “complexing agents”. Many metal‐containing compounds consist of 

coordination complexes. Anything  that  forms a bond with a metal  ion  is called a "ligand", and  the 

structure  of  the  resulting  complex  may  be  termed  the  "ligation  structure"  or  "coordination 

structure".  Coordination  chemistry might  be  of  interest  if metallic  additives  are  used  to  enhance 

electric and or thermal conductivity of a polymer [15]. 

Diels‐Alder reaction: This reaction, see Figure 1.9, is named after its discoverers Otto Diels and Kurt 

Alder. They discovered how a 4+2  cycloaddition  reaction between an electron  rich diene,  in  their 

case a furan, and an electron poor dienophile,  in their case a maleinide, join to form a cyclohexene 

system  [16].  Diels‐Alder  reaction  is  an  organic  chemical  reaction  that  not  only  forms  carbon  to 

carbon  bonds  but  also  heteroatom‐heteroatom  bonds,  making  it  a  highly  prized  reaction  to 

synthesize  polymers.  A  quality  of  the  DA  reaction  is  their  thermal  reaction  to  debond  the 

cyclohexene  system obtaining  again  free dienes  and dienophiles. This  reversible  reaction  is  called 

retro‐Diels‐Alder  (rDA)  reaction  and  has  been  well  studied  in  the  case  of  furan  and maleimide 

substances.  These  thermally  activated  polymers  using  rDA  reaction  are  good  candidates  for  self‐

healing  materials,  especially  if  the  healing  temperature  lies  not  too  far  above  the  working 

environmental temperature the product will sustain during its service life. 

 

   

Figure 1.9 Diels‐Alder reaction [16] 

 

Hydrogen bond interactions: The hydrogen bond is really a special case of dipole forces. A hydrogen 

bond  is  the  attractive  force  between  the  hydrogen  attached  to  an  electronegative  atom  of  one 

molecule and an electronegative atom of a different molecule. Usually the electronegative atom  is 

oxygen, nitrogen, or fluorine, which has a partial negative charge. The hydrogen then has the partial 

positive charge [17]. 

Hydrogen  bonding  is  usually  stronger  than  normal  dipole  forces  between  molecules.  Of  course 

hydrogen bonding is not nearly as strong as normal covalent bonds within a molecule, about 1/10 as 

strong.  This  is  still  strong  enough  to have many  important  ramifications on  the properties of  the 

Page 22: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

10 

 

substances they occur i.e. water. Increase in the melting point, boiling point, solubility, and viscosity 

of many compounds can be explained by the concept of hydrogen bonding [18]. 

When  the  hydrogen  bond  density  is made  to  be  locally  high,  such  as  in  the  hydrogen  quadruple 

material developed at the Tue by Prf. Meyer, adequate mechanical properties can be obtained..   

Ionomeric  interactions:  Ionomers  are  a  type  of  copolymers,  with  less  than  20mol%  ionizing 

monomeric units usually less than 10%, and contains acids [19, 20]. This may have a heavy impact at 

the chemical and physical properties of the material. What makes the Ionomers interesting for self‐

healing  is that the acidic content  is being neutralized, partially or completely, by  ions creating  ionic 

groups. Ions concentrate in the material in groups of ion‐pairs known as multiplets seen Figure 1.10. 

With  increasing number of multiplets they will start to overlap with each other, creating clusters of 

ionic content. It is because of these that the ionomers create regions of increased rigidity within the 

material. 

 

Figure 1.10 Ionomer multiplet [21] 

 

Figure 1.11 Ionomer mapping [22] 

These clusters are microphase separated from the rest of the material. This will cause these zones to 

have a different glass transition temperature than de rest of the material. When this temperature is 

reached multiplets will dislocate and gain mobility with  respect  to each other. This  temperature  is 

known  as  “order‐disorder  transition  temperature”  Ti, which  normally  lies  lower  than  the melting 

temperature  Tm  of  the  crystalline  structure  they  are  in.  During  Ti  the  physical  properties  of  the 

structure are reduced as the multiplets weaken [6]. 

As the semi‐crystalline structure of the ionomer, is heated towards Ti the bonds with the multiplets 

are weaken and can “jump” creating bonds somewhere else. If bonds were already broken, i.e. due 

to  crack growth,  separated  cluster of  ions are waiting  to make  contact with  the material again  to 

reform new bonds repairing the damage. For such process the only thing that is needed for the self‐

healing process is some mobility after the damage occurs to bring surfaces together. 

Photodimerization process: Photodimerization  is a bimolecular photochemical process  involving an 

electronically excited unsaturated molecule that undergoes addition with an unexcited molecule of 

the same kind.  

Reversible photo‐cross‐linkable nano‐particles can be used as building blocks  to create self‐healing 

hydro  gel  films.  The  mobility  necessary  to  close  crack  faces  can  be  achieved  through  swelling 

obtained during an exposure  to a  certain wavelength of UV  light. During  this exposure bonds are 

broken and free to rearrange with other bonds. To promote swelling even further a solvent can be 

used  to  some  experiments  with  positive  results.  After  an  exposure  time  of  a  determined  UV 

wavelength another wavelength is applied to fixate the newly formed bonds. This method was used 

Page 23: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

11 

 

by Cho et al. [21]. They targeted the reversible‐photo‐cycloadition bonded polymer gels for their test 

subjects.  

π‐interactions:  In  chemistry,  π‐effects  or  π‐interactions  are  a  type  of  non‐covalent  reversible 

interaction that involves so called π bonds between closely separated aromatic units in the polymer 

backbone. Just like in an electrostatic interaction where a region of negative charge interacts with a 

positive charge, the electron‐rich π system can  interact with a metal, cationic or neutral, an anion, 

another molecule and even another π system [23]. At elevated temperatures π‐ π associations tend 

to  find  each  other  if  close  enough  and  form  an  intermediate  state  where  all  π  systems  are 

momentarily together before separating with partner’s exchanged. This exchange gives the matrix a 

certain degree of relaxation resulting in some fluidity and thus mobility to deform and repair[24]. 

Sulfur‐sulfur  interaction:  In  terms  of  strength,  non‐covalent  bonds  like  hydrogen  bonds  are  the 

weakest  in  the supramolecular chemistry, even when  they have good  repairing properties  for self‐

healing  the  strength  obtained  between  the  repaired  crack  surfaces might  be  insufficient  for  the 

desired application. On the other hand there is i.e. the DA reaction bonding, these reactions generate 

strong bonds that need an amount of heat to break and reverse, in other words, to heal. This amount 

of heat or the needed duration for the healing might be too high for the surrounding structure. If the 

end  properties  allow  it,  there  are  intermediate  strength  bonds  that  can  be  used  for  healing  that 

require  less amount of heat for the reaction to take place. This type of self‐healing was chosen for 

our experiments. Sulfur to sulfur in the form of disulfide to tetra‐sulfide bonds are such intermediate 

bonds [25].Sulfur‐sulfur mechanism is shown in Figure 1.12  

   

Figure 1.12 Mechanism of disulphide bond exchanges [25] 

Sulfur bonds have the tendency to cleave under stress [26] they cleave and reattach as in Figure 1.13. 

But  after  reaching  a  certain  amount  of  stress  there  is  more  cleaving  than  re‐bonding  creating 

scissions in the material, stimulating degradation in its properties, it is also mentioned that disulfides 

are  more  stable  than  other  kind  of  sulfides  having  less  problems  from  the  sulphide  scission 

phenomena. 

 

 

Figure 1.13 Sulfur bonds reattaching while under stress 

 

Polymers  containing  sulfur‐sulfur  bonds  as  the  healing mechanism were  chosen  for  the  graduate 

research project described in this thesis. 

Page 24: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

12 

 

1.3 Particlealignmentincompositeusingdielectrophoresis

As polymers and polymer adhesives have a  low  thermal  conductivity by  themselves,  they are not 

attractive candidate materials as TIMs. 

To combine the good adhesive and thermo mechanical properties of the self‐healing polymer, with 

adequate  thermal  conductivity values, granular materials with good  intrinsic  thermal  conductivity, 

such as Copper, Diamond or Boron Nitride, are mixed into the polymer matrix to obtain a functional 

composite material. 

It will be  clear  that  the  thermal  conductivity will  increase with  the  volume  fraction of  conductive 

material.  However  high  volume  fractions  of  inert  conductive  material  are  likely  to  reduce  the 

adhesion and the attractive mechanical properties of the composite material. 

However, in case of the granular particles are to be aligned in the direction of the leak flow, the heat 

conduction is likely to go up, while the loss in other (mechanical) properties is likely to be small. 

Recently, dielectrophoresis  (DEP) was presented as an alternative and cheap method  to align  inert 

functional  particles  into  thread  like  structures  in  a  low  viscosity matrix,  such  as  a  polymer  at  an 

elevated temperature [27].  

In this chapter the physical principle of the DEP process is explained. 

When an external electric field   is applied across a particle suspended in a fluid medium, both the 

particle  and  the  suspending medium  are being polarized.  The  result  is  the  formation of unpaired 

surface  charges    cumulated  at  the  interface between  the particle  and  the  fluid medium.  These 

surface charges generate another electric field and distort the original electric field as represented in 

Figure 1.14. The amount of charges at the interface depends on the field’s strength and the electrical 

properties  of  the  particle  and  the  suspending medium.  The most  important  electrical  properties 

involved are conductivity and permittivity, where conductivity  is a measure of the ease with which 

charges can move through a material, while permittivity is a measure of the energy storage or charge 

accumulation in a system [28]. 

 

Figure 1.14 Dielectrophoresis typical electric field [28] 

Page 25: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

13 

 

 

The surface charges interact with the electric field to produce Coulomb forces. Since the electric field 

distribution is not uniform, drawn in Figure 1.14, the electric field density is higher on the right than 

on the left, resulting in a net force   in the drawn direction.  

Few  methods  have  been  developed  to  find  the  total  electrical  force  on  the  particle,  including 

effective moment method and Maxwell Stress Tensor method. 

Assuming  that  the observation point  is  far enough,  relative  to  the  size of  the particle,  the  surface 

charges on  the particle  in Figure 1.14 can be approximated as a dipole, which  is oriented with  the 

direction of the electric field. 

With this approximation, the total electrical force on the particle is found as in equation (1.1). 

  ∙   (1.1) 

where   is the effective dipole moment specific to the particle‐fluid system and   is a del operator. 

This electrical force is termed as dielectrophoretic (DEP) force [28].   

When the dipole approximation is not accurate, higher order multipoles have to be considered. The 

general solution has been solved by Jones and Washizu. 

One of the most important applications of dielectrophoresis is particle separation as represented in 

Figure 1.15. It relies on the fact that one particular sub‐population of particles has unique frequency‐

dependent  dielectric  properties,  which  is  different  from  any  other  population.  The  relative 

magnitude  and direction of  the dielectrophoretic  force exerted on  a  given population of particles 

depends  on  the  conductivity  and  permittivity  of  the  suspending  medium,  together  with  the 

frequency and magnitude of  the applied  field. Therefore, differences  in  the dielectric properties of 

particles manifest  themselves  as  variations  in  the  dielectrophoretic  force magnitude  or  direction, 

resulting  in  separation  of  particles.    Particle manipulation  is  achieved  by  controlling  the  applied 

frequency, to change the direction of the movement of the particles. The design of the electrodes, 

the  choice  of  the  suspending medium,  and  the  applied  peak  voltage  can  be  pre‐determined  to 

optimize the operation of the device. 

 

Figure 1.15 Representation of the particle distribution   a) Normally distributed   b) Distribution after DEP 

 

Page 26: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

14 

 

Dielectrophoretically aligned composites can be obtained by applying an electric field to a composite 

medium of particles dispersed in a low medium such as an uncured thermoset resin or a intrinsically 

self‐healing polymer heated to a  temperature above the reversible bond dissociation  temperature. 

The  time  averaged DEP  force  acting  upon  a  dielectric  sphere with  a  complex  permittivity  ∗ and 

radius  r,  suspended  in a medium with a complex permittivity  ∗ and  subjected  to an electric  field 

Erms, can be generalized using the previous equation as in equation (1.2) [29], 

 

  2 ′ ∗ ∗   (1.2) 

where  ′ is the real part of the complex permittivity of the matrix and Erms is the applied sinusoidal 

electric  field having magnitudes  , ,  and phases , , . Re[] and  Im[] denote  the  real 

and the imaginary part [30].  ∗ is the complex Clausius–Mossotti factor which is a function, see 

equation (1.3), of the complex permittivities  ′ , ′ and of the direct current conductivities of both 

phases  ,   of  the  ceramic  particles  and  the  polymer matrix,  respectively,  and  of  the  angular 

frequency of the electric field  , where  2 . 

 

 ∗

∗ ∗ /∗ 2 ∗ 2 /

  (1.3) 

Bellow the Clausius–Mossotti factor  is plotted for spherical particles and oblate spheroid models  in 

Figure 1.16. It can be seen how the Clausius–Mossotti factor changes according to the frequency. The 

frequency changes the phase of the electrical field which the Clausius–Mossotti factor. The Clausius–

Mossotti factor has the biggest impact on the force applied on the particles when the phase‐angle is 

closest to 900. The Clausius–Mossotti factor directly affects the force exerted on the particle by the 

electric field. This force will try to move the particle resulting in a translation, a rotation or a rotation 

by cause of the translation. The real and  imaginary parts of the Clausius–Mossotti factor affect the 

translation and the rotation of the particle respectively. With this, translation only or rotation only of 

the particles can be achieved by tuning the Clausius–Mossotti factor.  

The  translational motion of particles due  to DEP  is  strongest  for particles with diameters  ranging 

from approximately 1 to 1000 µm, since above 1000 µm, gravity overwhelms DEP, while below 1 µm 

the Brownian motion becomes the dominant force [30]. 

The sign on the Clausius–Mossotti also have significance  in the movement of the particles. It seems 

that the positive Clausius–Mossotti factor will force the particles to orientate parallel to the electrical 

field while negative will orientate then perpendicular to the electrical field.   

Page 27: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

15 

 

   

Figure 1.16 Clausius–Mossotti factors plotted  for spherical particles and  oblate spheroid models for  . ⁄  , Left the real part Right the imaginary part [29] 

As stated the Another important parameter affecting the alignment of the particles is the viscosity of 

the polymer matrix. An increase in viscosity results in a higher drag force acting on the particles. The 

drag force can be approximated using Stokes’s law for flow at low Reynolds numbers, equation (1.4). 

6 (1.4)

Where  is  the viscosity of  the medium, r is  the radius of  the particle, and v is  the velocity of  the 

particle. A high drag force leads to minimal alignment, but the high viscosity will be beneficial for the 

final mechanical properties. 

With this it can be said that the factors affecting the dielectrophoresis are: 

The viscosity of the medium 

The frequency of the electrical field. 

The voltage of the electrical field 

The phase of the electrical field 

The size of the particle 

The electrical conductivity of the medium and the particles 

   

Page 28: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

16 

 

2 Materials and test methods  

In  this chapter  the structure and properties of  the  two polymers used are presented. Furthermore 

the processing of the unstructured and DEP structured composites is described. 

Finally the test methods used to determine the cohesive and adhesive self‐healing ability as well as 

the thermal conductivity and other physical properties are presented. 

2.1 Compositesynthesis

For our experiment a self‐healing material based on sulphur‐sulphur supramolecular chemistry has 

been  chosen  as  the matrix  for  the  composite matrix while  several  inert,  granular materials with 

different conductive properties were chosen as filler. 

The matrix  is  prepared mixing  epoxidized  polysulfide,  Thioplast  EPS25  or  EPS70  as  the  primary 

material together with a thiol based cross‐linker , pentaerythritol tetrakis (3‐mercaptopropionate) or 

4‐SH, together they form the self‐healing polymer. 1 weight percentage of 4‐Dimethylamino pyridine 

(DMAP) was added to the mixture as catalyst for the curing reaction.  

Figure 2.1 EPS Chemistry  Figure 2.2 Crosslinker 

 

With the Thioplast as start point the amount of cross‐linker is calculated by equation (2.1). 

     (2.1) 

where m is the mass of the material [g], ‘eps’ for the Thioplast and ‘cl’ for the cross‐linker, and   the 

gram‐equivalent value [g/eq]. Examples of some values can be seen in Table 2.1. 

Table 2.1 Typical synthesis of the pristine matrix 

Precursors EPS25[g] EPS70[g] 4SH[g] Catalyst[g]

Matrix1 10 ‐ 1.9088 0.11908

Matrix2 ‐ 10 3.9408 0.13940

Page 29: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

 

Gram‐eq

reaction

linker ha

giving th

 

 

Before m

composi

are put t

is expres

mixer. T

were mi

and the 

 

where m

 

quivalent is c

. The Thiopl

as a molar m

he values of 

mixing  the T

ite compoun

together ins

ssed  in  volu

he amount o

ixed  for  test

filler materia

m is the mass

calculated di

ast EPS25 ha

mass of 488.

640

Figure 2.3 Co

Thioplast and

nd. The Thiop

ide a special

ume percent

of filler is det

ting. For  this

al has to be k

s,   the dens

Figure 2

ividing the m

as a molar m

66 g/mol wi

0 and 

ombination of T

d  the 4‐SH a

plast EPS25 

l container a

age. This  co

termined by 

s calculation

known and is

ity and  % th

.4 Mixing  cont

molar mass b

mass of 1280

ith 4 active r

122.165. 

Thioplast EPS25

a  filler mate

or EPS70, th

as seen in Fig

ontainer  is d

its volume p

n  the densiti

s calculated 

he desired vo

 

tainer  Fig

by the numb

0 g/mol with 

radicals as s

5 or EPS70  + cr

erial  is added

he crosslinke

gure 2.4. In a

designed  to b

percentage a

es of  the m

by equation

% 100⁄

1 % 10⁄

olume perce

gure 2.5 Speed

ber of radica

2 active rad

een  in Figur

rosslinker 4SH 

d  to  the mo

r 4‐SH, the c

all this work 

be used  in a

and different

atrix, Thiopl

(2.2). 

entage of fille

 

 Mixer 

ls taking pla

dicals while t

re 2.1 and Fi

 

onomers  to 

catalyst and 

 the filler pe

a  speed mix

t volume per

last plus cro

er. 

17 

ace in the 

he cross‐

gure 2.2, 

form  the 

the filler 

ercentage 

xer  speed 

rcentages 

oss‐linker, 

(2.2) 

Page 30: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

18 

 

The composite compound was mixed using the Speed Mixer DAC 150.1 shown in Figure 2.5, at 2110 

rpm for 80 s. After that they are set on a 1 mm thick Teflon mould as arranged as shown  in Figure 

2.6.   

The  mould  contains  six  rectangular  cavities  of  78x30x1  mm  for  six  specimens  in  case  multiple 

specimens are made at the same time.  

 

Figure 2.6 Mould set‐up  Figure 2.7 Oven  

After the material Is placed into the Teflon mould, two big aluminium plates holds the mould and the 

material fixed. This setup is taken into de oven shown in Figure 2.7 to cure for 2 hours at 650C. In the 

oven a weight is used to inflict pressure and obtain good specimen surfaces.  

Many  kinds  of  fillers were  used  to manufacture  several  kinds  on  specimens. What  is  left  of  the 

samples  after  testing  shows  the  variety  of  the  fabricated  specimens  in  Figure  2.8.    The  types  of 

composites produced are listed in Table 2.2. 

 

 

Figure 2.8 Examples of prepared specimens containing the following fillers‐Silver colour: Aluminium‐ Grey colour: Aluminium Nitride ‐ Brown: Copper – Transparent: No filler – White: Boron Nitride – Black: Graphite  

 

The samples in Figure 2.8 were all synthesised using EPS25. At 10% they were prone to retain some 

bubbles form mixing. Surfaces were smooth on  low values of fillers and very flexible. This flexibility 

was reduced significantly with the increase of filler content.  

Page 31: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

19 

 

 

 

Table 2.2 shows all the materials prepared for testing. 

 

   Graphite  Aluminum  Copper  AlN  BN  Diamond 

EPS25‐4SH‐2,5%  X                

EPS70‐4SH‐2,5%  X                

EPS25‐4SH‐4%  X                

EPS70‐4SH‐4%  X                

EPS25‐4SH‐5%  XA                

EPS70‐4SH‐5%  XA                

EPS25‐4SH‐7,5%  X                

EPS70‐4SH‐7,5%  X                

EPS25‐4SH‐10%  XA  X  X  X  XA    

EPS70‐4SH‐10%  X  X  X  X  X    

EPS25‐4SH‐20%  XA  X  X  X  XA    

EPS70‐4SH‐20%  X  X  X  X  X    

EPS25‐4SH‐30%  XA  X     X  XA  X 

EPS70‐4SH‐30%  X  X     X  X    

EPS25‐4SH‐40%  XA  X     X  XA    

EPS70‐4SH‐40%  X  X     X  X    

Table 2.2 Prepared materials. X: normal; A: Aligned 

   

Page 32: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

20 

 

2.2 Compositesynthesisusingdielectrophoresis

After the compound has being mixed it is poured into the DEP mould Figure 2.10, a Teflon sheet with 

a form of 25x25x1 mm. Two aluminium sheets are placed under and on top of the material where 

the current will be applied. The material  is strongly pressed using two heavy plates to  improve the 

contact  of  the  aluminium  sheets.  This  set  up  is  represented  in  Figure  2.10.  The  heavy  plates  are 

fastened using several bolts for an uniform pressure distribution. The set‐up is then placed in a safety 

box where a function generator coupled with an high voltage amplifier is used to apply the electrical 

field  for  the  DEP  alignment.  The  voltage  for  each  specimen  was  chosen  beforehand  and  the 

frequency was set according to the phase‐angle between the voltage‐ current before and after going 

through the set‐up.  

 

Figure  2.9      Equipment  for  DEP    a)  Function  generator   b) Amplifier  c) Oscilloscope  d) Heater 

 

Figure 2.10 DEP test Set‐up 

 

The oscilloscope seen in Figure 2.9 gives the representative output voltage across the composite. The 

sinusoidal voltage‐currents applied on  the  specimen and,  the phase‐angle difference  is graphically 

given as seen in Figure 2.11 and Figure 2.12. The phase‐angle, determined by the frequency, affects 

the  Clausius–Mossotti  factor  witch  directly  affect  the  strength  of  the  force  the  electrical  field, 

generated by the sinusoidal voltage‐current, exerts on the particles as mentioned in section 1.3. The 

higher the force the better the alignment and that  is achieve by applying a phase angle as close to 

900 as possible [30].The set‐up was placed on top of a heater at 500C and left for 2 hours while under 

current. 

 

Figure 2.11 View of the sinusoidal electrical currents  

 

Figure 2.12 Phase‐angle between the electrical currents 

 

Page 33: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

21 

 

2.3 Cohesionhealingtest

A small piece of material, 10x15 mm, is prepared by inflicting two cuts of around 5 mm using a razor 

blade. The cuts inflicted forms a cross with one of its ends meeting an edge of the sample. The first 

part of the test consists on monitoring the state of the cut as function of the temperature and time. 

An oven is set to simulate two different operating environments, 65oC or 100oC. Both are below the 

decomposition temperature of the material.  

For monitoring a microscope was used to observe the changes using a 2.5x zooming lens. 

 

 

Figure 2.13 Microscope  Figure 2.14 Setup 

 

For the test Procedure 

Cut small piece of the specimen 

Cut a cross form incision to monitor during healing 

Take an image of the incision  

Sandwich the specimen using two microscope slides  

Fix it with to clamps to simulate operating situations 

Introduce the specimens into the oven to simulate operating environment 

Wait a predetermined amount of time  

Remove the specimen from the oven  

Remove clamps and one crystal to expose the incision 

Take an image operating the microscope to record the healing progress 

This procedure keeps monitoring the progress of the healing until the cut disappears or a maximum 

time is exceeded. 

The  cohesive  test was  realized  by  recording  images  of  the  healing  progress.  To  translate  al  the 

analogue data  to digital data  the surface separation of  the cut was measured and compared  to  its 

original aperture at 0 min. With this the healing efficiency  is defined and 100% healing means that 

the cut has closed completely. 

Page 34: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

22 

 

2.4 Adhesionrecovery:lapsheartest

Lap shear test was conducted to measure the adhesion properties of the material as  it may change 

with the volume percentage of the filler added. The test took ASTM D1002 “Apparent Shear Strength 

of  Single‐Lap‐Joint  Adhesively  Bonded  Metal  Specimens  by  Tension  Loading”  as  a  model  for 

preparation and conduction of the test. 

The prepared lap shear specimen consists of two plates of aluminium 6082 T6 that have been joined 

by using a current specimen on each end where the two plates overlap, Figure 2.16.  The Aluminium 

plates  were  cleaned  using  acetone.  From  a  synthesised  TIM,  3  pieces  were  cut,  while  avoiding 

surface  imperfections  like air bubbles. The obtained pieces were around 25x12x1 mm. To  initially 

hold  the aluminium plates  in place, clamps were used. The specimens where placed  in an oven at 

65oC for 2 hours to simulate working conditions and promote adhesion. 

During  the  lap  shear  test,  the  aluminium  plates  are  pulled  in  opposite  directions  at  a  rate  of  1 

mm/min to produce a shearing stress on the adhesive. An overlap of around 12 ±3 mm is used since 

the yield point of the aluminium plate is not expected to be exceeded during the test. The distance 

between the jaws was kept constant for all tests.  

While careful consideration should be given to the grips used to hold the  lap shear specimen, since 

improper  grips  and  setting  alignment  can  lead  to  grip  slippage  and  cleavage  stresses,  for  our 

specimens vice grips were chosen while looking at the maximum expected force.  

Vice  grips with  serrated  inserts were  used  for  the  lap  shear  tests.  The  serrated  grip  inserts  are 

designed to dig into the material and prevent it from slipping. If slippage occurs with a vice grip, self‐

tightening grips of pneumatic or wedge design may have been used. The specimen was mounted in 

the  tensile  bench  shown  in  Figure  2.15  Tensile  bench,  so  that  the  centre  line  of  the  adhesive  is 

aligned with the centreline of the force exerted by the machine. 

For the test procedure, all these steps represent 1 healing cycle; 

Measure the contact area where both aluminium plates overlap. 

Load  each  end  of  the  specimen  in  the  tensile  grips  and  fasten  them.  The  starting  grip 

distances was 90 mm. The grip area was around 25x43 mm per grip.  

Apply a force that causes a displacement of 1mm/min between the plates until the specimen 

breaks and, record the force history during the displacement and the type of joint failure. 

After the test the specimens were prepared again by joining those using clamps with enough 

force  to keep  the setup  in place and prevent misalignment between  the aluminium plates. 

They were then placed in an oven for 2 hours at 65oC.  

From each TIM created, 3 specimens for lap shear testing were prepared and, this procedure was 

conducted seven times per specimen. 

 

Page 35: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

23 

 

 

2.5 Thermalconductivitytest

Thermal conductivity testing was performed using the C‐Therm TCi thermal sensor, Figure 2.17. 

This  sensor  is  based  on  the Modified  Transient  Plane  Source Method  to  determine  the  thermal 

resistivity and effusivity of the material. 

 

Figure 2.17 C‐Therm TCi [32] 

 

Figure 2.18 Experiment set up [32] 

The prepared  specimen  for  this  test must have  a diameter of  around 17 mm  to  cover  the  entire 

sensor. The  sensor works by being heated up by a  small current and monitoring how  it  responses 

while  being  in  contact with  the  specimen.  The  resistivity  and  the  effusivity  of  the  specimen  are 

measured and obtained directly from the sensor. From the inverse of the resistivity the conductivity 

is obtained. Using  the effusivity concept other  thermal properties  like heat capacity and diffusivity 

can be derived. The effusivity is given by equation (2.3). 

  kρc .  (2.3) 

where  k  is  the  thermal  conductivity / ∙ ,  ρ  is  the  density  /   and  is  the  heat 

capacity / ∙ . 

 

Figure 2.15 Tensile bench  Figure 2.16 Specimen set up [31] 

Page 36: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

24 

 

This heating, reading and cooling will be repeated 6‐10 times per specimen to obtain an average of 

the readings. 

For the test procedure; 

Set up the sensor 

Wet the sensor with distilled water to improve contact 

Apply de specimen on the sensor and a weight above it to press the specimen on the sensor, 

Figure 2.18 

Commence  the sensing by heating up  the sensor several  times  for several data points and 

obtain an average 

 

2.6 Othercharacterizationtechniquesused

To better understand the prepared specimens, their characteristics and parameters, the next set of 

tests were conducted.  

Differential scanning calorimetric (DSC) techniques were conducted using the PerkinElmer Sapphire 

DSC shown in Figure 2.19 from ‐80 to 100°C at 3°C /min. This was conducted on a pristine specimen, 

no filler added, and on a specimen with 30% volume of graphite to determine if there was a change 

in the value of the glass transition temperature.  

 

 

Figure 2.19 DSC 

 

Figure 2.20 TEM  Figure 2.21 SEM 

 

Transmission  electron  microscopy  (TEM)  was  performed  using  the  FEI  Tecnai  TF20  electron 

microscope seen in Figure 2.20, operated at 200 kV. Samples were mounted on Quantifoil® microgrid 

carbon polymer  supported on a  copper grid by dropping  sample  suspension on  the grid. This was 

done to determine particle morphology of the added filler. 

 

Page 37: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

25 

 

Scanning electron microscope (SEM) was used by the JEOL JSM‐7500F scanning electron micrograph 

seen in Figure 2.21.  Since our specimens are soft the specimens prepared for SEM were first frozen 

by  submerging  them  into  liquid  nitrogen  and  then  breaking  them.  Since  these  specimens where 

prepared with  electrically  conductive  fillers  they were  directly mounted  on  the  SEM  for  surface 

observation. 

 

 

Figure 2.22 Gold sputter 

 

Figure 2.23 Set up 

Later  specimens were  prepared  differently.  The material was  first  embedded  in  a  polymer  base 

holder polished and covered by gold using the gold sputter seen Figure 2.22  for sputtering gold  to 

make the surface. This makes the surface conductive and more responsive for the image processing. 

This is done because some specimens are not electric conductive. 

 

 

   

Page 38: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

26 

 

3 Experimental results 

In  this chapter  the  results obtained by  the  tests explained on  the previous chapter are presented. 

First  the materials  characteristics  are  presented  followed  by  the  cohesion  recovery  results,  the 

adhesion recovery results and the thermal conduction results of the made specimens. 

3.1 Materialcharacterization

All  the data  given by  the DSC was plotted  and presented below. Two  cycles were performed per 

sample. 

In Figure 3.1  the plotted  results of EPS25‐4SH  for both cycles are given. The Tg  for EPS25‐4SH was 

determined, from both graphs, to be around ‐460 C.  

Figure 3.1 DSC results for EPS25‐4SH 1st and 2nd cycle respectively  

In Figure 3.2  the plotted  results of EPS70‐4SH  for both cycles are given. The Tg  for EPS25‐4SH was 

determined, from both graphs, to be around ‐3.50C.  

 

Figure 3.2 DSC results for EPS70‐4SH 1st and 2nd cycle respectively 

‐700

‐200

300

800

1300

1800

‐140 ‐120 ‐100 ‐80 ‐60 ‐40 ‐20 0 20

DSC

   ‐DDSC

Temperature [0C]

EPS25‐4SH 1st cycle

DSC [uW]DDSC [uW/min]

‐700

‐200

300

800

1300

1800

‐140 ‐120 ‐100 ‐80 ‐60 ‐40 ‐20 0 20

DSC

   ‐DDSC

Temperature [0C]

EPS25‐4SH 2nd cycle

DSC [uW]DDSC [uW/min]

‐700

‐200

300

800

1300

1800

‐130 ‐110 ‐90 ‐70 ‐50 ‐30 ‐10 10

DSC

   ‐DDSC

Temperature [0C]

EPS70‐4SH 1st cycle

DSC [uW]DDSC [uW/min]

‐700

‐200

300

800

1300

1800

‐130 ‐110 ‐90 ‐70 ‐50 ‐30 ‐10 10

DSC

   ‐DDSC

Temperature [0C]

EPS70‐4SH 2nd cycle

DSC [uW]DDSC [uW/min]

Page 39: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

27 

 

In Figure 3.3 the plotted results of EPS25‐4SH with 40% Graphite for both cycles are given. The Tg for 

EPS25‐4SH‐40% Graphite was determined, from both graphs, to be around ‐430C. 

 

 

Figure 3.3 DSC results for EPS25‐4SH‐40%Graphite 1st and 2nd cycle respectively 

 

From the DSC around same values  for the glass transition temperature Tg was obtained  for the 0% 

and 40% of graphite content. As expected, the fraction of interfacial material and the possible shift of 

Tg due to molecular confinement at the interface was too small to lead to a measurable shift in glass 

transition temperature. No DSC measurement were conducted for other samples.  

   

‐1500

‐1000

‐500

0

500

1000

1500

2000

‐120 ‐100 ‐80 ‐60 ‐40 ‐20 0 20

DSC

   ‐DDSC

Temperature [0C]

EPS25‐4SH‐40%Gra 1st cycle

DSC…DDSC…

‐1500

‐1000

‐500

0

500

1000

1500

2000

‐120 ‐100 ‐80 ‐60 ‐40 ‐20 0 20DSC

   ‐DDSC

Temperature [0C]

EPS25‐4SH‐40%Gra 2nd cycle

DSC [uW]DDSC [uW/min]

Page 40: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

28 

 

From the TEM the next pictures were obtained, shown in Figure 3.4. These TEM pictures were taken 

to characterize the powders and to know about morphology of the crystal agglomeration for several 

of the used fillers. 

 

 

Figure 3.4 TEM micrographs of (a) graphite (b) hBN and (c) Al  (d) AlN particles used in the composites 

 

From the images above it was observed that the particles of graphite and Aluminium are flakes and 

that  they heavily  clustered  together. Boron Nitride particles are more  spherical and don’t  tend  to 

cluster that much. Aluminium Nitride seems to have similar characteristics as Boron Nitride.  

 

Page 41: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

29 

 

3.2 Cohesionrecoveryresults

The values obtained are plotted according to the time they were  in the oven. The dots plotted are 

the experimental data while the  lines are calculated trend  lines to simulate the healing progress of 

that specimen. This section  is arranged by  the  filler used  to  fabricate  the TIM composite and ends 

with section 3.2.6 comparing the filler used. Typical uncertainty in the healing fraction is ± 10 % and 

an accuracy of 2.2 µm. 

3.2.1 Aluminiumasfiller

The following graphs represent the results obtained using Aluminium as filler content. 

Cohesion recovery at 65oC 

Below it shows in Figure 3.5 the results for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined with a) 10%, b) 20%,       

c) 30% and d) 40% of Aluminium for a temperature of 65oC.  

a) Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined with 10 vol% Al at 65

oC 

 

b) Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined with 20 vol% Al at 65

oC 

c) Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined with 30 vol% Al at 65

oC 

 

d) Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined with 40 vol% Al at 65oC 

Figure 3.5 Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH with Aluminium at 650C. Typical uncertainty in the healing fraction is ± 10 %. 

 

0102030405060708090100

0 50 100 150 200 250

Healing %

Time [min]

10% Aluminium at 65o C

EPS25 + 10 vol% Al

EPS70 + 10 vol% Al

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250

Healing %

Time [min]

20% Aluminium at 65o C

EPS25 + 20 vol% Al

EPS70 + 20 vol% Al

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250

Healing %

Time [min]

30% Aluminium at 65o C

EPS25 + 30 vol% Al

EPS70 + 30 vol% Al0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250

Healing %

Time [min]

40% Aluminium at 65o C

EPS25 + 40 vol% Al

EPS70 + 40 vol% Al

Page 42: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

30 

 

Cohesion recovery at 100oC 

Below it shows in Figure 3.6 the results for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined with a) 10%, b) 20%,       

c) 30% and d) 40% of Aluminium for a temperature of 1000C.  

 

 

a) Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined with 10 vol% Al at 100oC 

 

b) Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined with 20 vol% Al at 100oC 

 

c) Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH  combined with 30 vol% Al at 100

oC 

 

d) Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined with 40 vol% Al at 100

oC 

Figure 3.6 Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH with Aluminium at 1000 C. Typical uncertainty in the healing fraction is ± 10 %. 

 

   

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200

Healing %

Time [min]

10% Aluminium at 100o C

EPS25 + 10 vol% Al

EPS70 + 10 vol% Al

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200Healing %

Time [min]

20% Aluminium at 100o C

EPS25 + 20 vol% Al

EPS70 + 20 vol% Al

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200

Healing %

Time [min]

30% Aluminium at 100oC

EPS25 + 30 vol% Al

EPS70 + 30 vol% Al

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200

Healing %

Time [min]

40% Aluminium at 100oC

EPS25 + 40 vol% Al

EPS70 + 40 vol% Al

Page 43: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

31 

 

In  Figure  3.7  the  results  are  given  for Aluminium  based  EPS70‐4SH  composite. All  the  specimens 

experience high recovery rate at the start. Only the specimens of 30% and 40% at 1000C do not reach 

80% of healing recovery. 

 

Figure 3.7 Healing performance for EPS70‐4SH with different concentration of Aluminium. Typical uncertainty in the healing fraction is ± 10 %. 

In Figure 3.8 the results are given for Aluminium based EPS70‐4SH composite. Specimens show a high 

recovery  rate  stopping  at  much  lower  healing  values  than  for  EPS25‐4SH.  Only    the  specimen 

containing 10% of Aluminium at 1000C shows healing percentage  values higher than 50%. 

 

Figure 3.8 Healing performance for EPS70‐4SH with different concentration of Aluminium. Typical uncertainty in the healing fraction is ± 10 %. 

 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250

Healing %

Time [min]

EPS25‐4SH with  Aluminum

EPS25 + 10vol% Al 65CEPS25 + 20vol% Al 65CEPS25 + 30vol% Al 65CEPS25 + 40vol% Al 65CEPS25 + 10vol% Al 100CEPS25 + 20vol% Al 100CEPS25 + 30vol% Al 100CEPS25 + 40vol% Al 100C

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250

Healing %

Time [min]

EPS70‐4SH with  Aluminum

EPS70 + 10vol% Al 65CEPS70 + 20vol% Al 65CEPS70 + 30vol% Al 65CEPS70 + 40vol% Al 65CEPS70 + 10vol% Al 100CEPS70 + 20vol% Al 100CEPS70 + 30vol% Al 100CEPS70 + 40vol% Al 100C

Page 44: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

32 

 

3.2.2 AluminiumNitrideasfiller

The following graphs represent the results obtained using Aluminium Nitride as filler. 

Cohesion recovery at 65oC 

Below it shows in Figure 3.9 the results for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined a) 10%, b) 20% and       

c) 30% of Aluminium Nitride for a temperature of 65oC.  

 

a) Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined with 10 vol% AlN at 65

oC 

 

b) Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined with 20 vol% AlN at 65

oC 

 

c) Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐ 

4SH combined with 30 vol% AlN at 65oC 

Figure 3.9 Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH with Aluminium Nitride at 650C. Typical uncertainty in the healing fraction is ± 10 %. 

   

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200

Healing %

Time [min]

10% Aluminum Nitride at 65oC

EPS25 + 10 vol% AlN

EPS70 + 10 vol% AlN

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200

Healing %

Time [min]

20% Aluminum Nitride at 65o C

EPS25 + 20 vol% AlN

EPS70 + 20 vol% AlN

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200

Healing %

Time [min]

30% Aluminum Nitride at 65o C

EPS25 + 30 vol% AlN

EPS70 + 30 vol% AlN

Page 45: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

33 

 

Cohesion recovery at 100oC 

Below it shows in Figure 3.10 the results for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined a) 10%, b) 20% and       

c) 30% of Aluminium Nitride for a temperature of 100oC.  

 

a) Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined with 10 vol% AlN at 100oC 

 

b) Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined with 20 vol% AlN at 100oC 

 

c) Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐ 

4SH combined with 30 vol% AlN at 100°C 

Figure 3.10 Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH with Aluminium Nitride at 1000 C. Typical uncertainty in the healing fraction is ± 10 %. 

 

   

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200

Healing %

Time [min]

10% Aluminum Nitride at 100o C

EPS25 + 10 vol% AlN

EPS70 + 10 vol% AlN0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200Healing %

Time [min]

20% Aluminum Nitride at 100o C

EPS25 + 20 vol% AlN

EPS70 + 20 vol% AlN

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200

Healing %

Time [min]

30% Aluminum Nitride at 100o C

EPS25 + 30 vol% AlN

EPS70 + 30 vol% AlN

Page 46: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

34 

 

In Figure 3.11 the results are given for Aluminium Nitride based EPS70‐4SH composite. Except for the 

30% specimen at 650C all the specimens experience a high recovery and high recovery rates reaching 

complete or near complete recovery.  

 

Figure 3.11 Healing performance for EPS25‐4SH with all the different filler concentrations 

 

In  Figure  3.12  the  results  are  given  for  Aluminium  Nitride  based  EPS70‐4SH  composite.  All  the 

specimens  experience high  recovery  rate  at  the  start of  the  recovery  except  the  30%  at  650C. At 

1000C all the specimens reach or almost reach complete recovery while at 650C the recovery seems 

to stop before 80% for all the specimens. 

 

Figure 3.12 Healing performance for EPS70‐4SH with all the different filler concentrations 

 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200

Healing  %

Time [min]

EPS25‐4SH with Aluminium Nitride 

EPS25 + 10 vol% AlN 65C

EPS25 + 20 vol% AlN 65C

EPS25 + 30 vol% AlN 65C

EPS25 + 10 vol% AlN 100C

EPS25 + 20 vol% AlN 100C

EPS25 + 30 vol% AlN 100C

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200

Healing %

Time [min]

EPS70‐4SH with Aluminium Nitride 

EPS70 + 10 vol% AlN 65C

EPS70 + 20 vol% AlN 65C

EPS70 + 30 vol% AlN 65C

EPS70 + 10 vol% AlN 100C

EPS70 + 20 vol% AlN 100C

EPS70 + 30 vol% AlN 100C

Page 47: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

35 

 

3.2.3 BoronNitrideasfiller

The following graphs represent the results obtained using Boron Nitride as filler content. 

Cohesion recovery at 65oC 

Below  it shows  in Figure 3.13  the  results  for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined a) 10%, b) 20%,       

c) 30% and d) 40% of Boron Nitride for a temperature of 65oC.  

 

a) Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined with 10 vol% BN at 65

oC b) Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined 

with 20 vol% BN at 65oC 

c) Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined with 30 vol% BN at 65oC 

d) Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined with 40 vol% BN at 65oC 

Figure 3.13 Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH with Boron Nitride at 650 C. Typical uncertainty in the healing fraction is ± 10 %. 

   

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200

Healing %

Time [min]

10% Boron Nitride at 65o C

EPS25 + 10 vol% BN

EPS70 + 10 vol% BN0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200

Healing %

Time [min]

20% Boron Nitride at 65o C

EPS25 + 20 vol% BN

EPS70 + 20 vol% BN

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200

Healing %

Time [min]

30% Boron Nitride at 65o C

EPS25 + 30 vol% BN

EPS70 + 30 vol% BN0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200

Healing %

Time [min]

40% Boron Nitride at 65o C

EPS25 + 40 vol% BN

EPS70 + 40 vol% BN

Page 48: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

36 

 

Cohesion recovery at 100oC 

Below  it shows  in Figure 3.14  the  results  for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined a) 10%, b) 20%,       

c) 30% and d) 40% of Boron Nitride for a temperature of 100oC.  

 

a) Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined with 10 vol% BN at 100oC  

 

b) Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined with 20 vol% BN at 100oC 

c) Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined with 30 vol% BN at 100

oC 

 

d) Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined with 40 vol% BN at 100

oC 

Figure 3.14 Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH with Boron Nitride at 1000C. Typical uncertainty in the healing fraction is ± 10 %. 

 

   

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200

Healing %

Time [min]

10% Boron Nitride at 100o C

EPS25 + 10 vol% BN

EPS70 + 10 vol% BN

EPS70 + 10 vol% BN H20

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200Healing %

Time [min]

20% Boron Nitride at 100o C

EPS25 + 20 vol% BN

EPS25 + 20 vol% BN H2

EPS70 + 20 vol% BN

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200

Healing %

Time [min]

30% Boron Nitride at 100o C

EPS25 + 30 vol% BN

EPS70 + 30 vol% BN0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200

Healing %

Time [min]

40% Boron Nitride at 100o C

EPS25 + 40 vol% BN

EPS70 + 40 vol% BN

Page 49: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

37 

 

In  Figure  3.15  the  results  are  given  for  Boron  Nitride  based  EPS25‐4SH  composite. Most  of  the 

samples experience a high recovery rate at the start, clearly higher for those at 1000C. Most of them 

reach healing values higher than 90% within 80 min. The specimen containing 40% at 65oC recovers 

very slow after a recovery of 30%. 

 

Figure 3.15 Healing performance for EPS25‐4SH with all the different filler concentrations. Typical uncertainty in the healing fraction is ± 10 %. 

In Figure 3.16  the  results are given  for Boron Nitride based EPS25‐4SH composite. All  the samples 

experience  a  right  healing  rate  before  30 min.  The  specimen  of  40%  at  65oC  switches  to  slow 

recovery after 20 min and cannot get higher than 20% of recovery. The other specimens reach 70% 

or higher after 150 min    

 

Figure 3.16 Healing performance for EPS70‐4SH with all the different filler concentrations. Typical uncertainty in the healing fraction is ± 10 %. 

   

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280

Healing %

Time [min]

EPS25‐4SH with Boron Nitride

EPS25 + 10 vol% BN 65C

EPS25 + 20 vol% BN 65C

EPS25 + 30 vol% BN 65C

EPS25 + 40 vol% BN 65C

EPS25 + 10 vol% BN 100C

EPS25 + 20 vol% BN 100C

EPS25 + 30 vol% BN 100C

EPS25 + 40 vol% BN 100C

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280

Healing %

Time [min]

EPS70‐4SH with Boron Nitride

EPS70 + 10 vol% BN 65C

EPS70 + 20 vol% BN 65C

EPS70 + 30 vol% BN 65C

EPS70 + 40 vol% BN 65C

EPS70 + 10 vol% BN 100C

EPS70 + 20 vol% BN 100C

EPS70 + 30 vol% BN 100C

EPS70 + 40 vol% BN 100C

Page 50: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

38 

 

 

3.2.4 Copperasfiller

The  following  graphs  represent  the  results obtained  for  applying Copper  as  the  filler  content  and 

healing under an environment of 65oC or 100oC 

Cohesion recovery at 65oC 

Below  it shows  in Figure 3.17  the results  for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined a) 10%, b) 20 of 

Copper for a temperature of 65oC.  

a) Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined with 10 vol% Cu at 65oC 

 

b) Healing performance for EPS70‐4SH combined with 20 vol% Cu at 65oC 

Figure 3.17 Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH with Copper at 650 C. Typical uncertainty in the healing fraction is ± 10 %. 

Cohesion recovery at 100oC 

Below  it shows  in Figure 3.18  the results  for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined a) 10%, b) 20 of 

Copper for a temperature of 100oC.  

a) Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined with 10 vol% Cu at 100oC 

 

b) Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined with 20 vol% Cu at 100oC 

Figure 3.18 Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH with Copper at 1000 C. Typical uncertainty in the healing fraction is ± 10 %.   

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200

Healing %

Time [min]

10% Copper at 65o C

EPS25 + 10 vol% Cu

EPS70 + 10 vol% Cu0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200

Healing %

Time [min]

20% Copper at 65o C

EPS70 + 20 vol% Cu

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200

Healing %

Time [min]

10% Copper at 100o C

EPS25 + 10 vol% Cu

EPS70 + 10 vol% Cu0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200

Healing %

Time [min]

20% Copper at 100o C

EPS25 + 20 vol% Cu

EPS70 + 20 vol% Cu

Page 51: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

39 

 

In  Figure  3.19  the  results  are  given  for  all  Copper  based  EPS25‐4SH  composite.  The  healing  rate 

experienced appear to be very linear. They all reach healing values above 50%.  

 

Figure 3.19 Healing performance for EPS25‐4SH with all the different filler concentrations. Typical uncertainty in the healing fraction is ± 10 %. 

 

In  Figure  3.20  the  results  are  given  for  all Copper based  EPS25‐4SH  composite.  They  show  a  fast 

healing  rate at  the beginning and much slower after at 20 min all  the specimens seem  to stabilize 

between 40 and 70 healing percentage. 

 

 

Figure 3.20 Healing performance for EPS70‐4SH with all the different filler concentrations. Typical uncertainty in the healing fraction is ± 10 %. 

 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Healing %

Time [min]

EPS25 with Copper 

EPS25 + 10 vol% Cu 65C

EPS25 + 10 vol% Cu 100C

EPS25 + 20 vol% Cu 100C

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Healing %

Time [min]

EPS70 with Copper 

EPS70 + 10 vol% Cu 65C

EPS70 + 20 vol% Cu 65C

EPS70 + 10 vol% Cu 100C

EPS70 + 20 vol% Cu 100C

Page 52: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

40 

 

3.2.5 Graphiteasfiller

The  following graphs represent  the results obtained  for applying Graphite as  the  filler content and 

healing under an environment of 65oC or 100oC 

Cohesion recovery at 65oC 

Below  it shows  in Figure 3.21  the  results  for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined a) 10%, b) 20%,       

c) 30% and d) 40% of Graphite for a temperature of 65oC.  

a) Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined with 10 vol% Graphite at 65

oC b) Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined 

with 20 vol% Graphite at 65oC 

c) Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined with 30 vol% Graphite at 65oC 

d) Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined with 40 vol% Graphite at 65oC 

Figure 3.21 Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH with Graphite at 650 C. Typical uncertainty in the healing fraction is ±10 %. 

   

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100

Healing %

Time [min]

10% Graphite at 65o C

EPS25 + 10 vol% Graphite

EPS70 + 10 vol% Graphite0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100

Healing %

Time [min]

20% Graphite at 65o C

EPS25 + 20 vol% Graphite

EPS70 + 20 vol% Graphite

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100

Healing %

Time [min]

30% Graphite at 65o C

EPS25 + 30 vol% Graphite

EPS25 + 30 vol% Graphite H2EPS70 + 30 vol% GraphiteEPS70 + 30 vol% Graphite H2

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100

Healing %

Time [min]

40% Graphite at 65o C

EPS25 + 40 vol% Graphite

EPS25 + 40 vol% Graphite H2

EPS70 + 40 vol% Graphite

EPS70 + 40 vol% Graphite H2

Page 53: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

41 

 

Cohesion recovery at 100oC 

Below  it shows  in Figure 3.22  the  results  for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined a) 10%, b) 20%,       

c) 30% and d) 40% of Graphite for a temperature of 100oC.  

 

a) Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined with 10 vol% Graphite at 100oC 

b) Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined with 20 vol% Graphite at 100oC 

c) Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined with 30 vol% Graphite at 100

oC 

 

d) Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH combined with 40 vol% Graphite at 100

oC 

Figure 3.22 Healing performance for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH with Graphite at 1000C. Typical uncertainty in the healing fraction is ± 10 %. 

 

 

   

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200

Healing %

Time [min]

10% Graphite at 100o C

EPS25 + 10 vol% Graphite

EPS70 + 10 vol% Graphite0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200Healing %

Time [min]

20% Graphite at 100o C

EPS25 + 20 vol% Graphite

EPS70 + 20 vol% Graphite

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200

Healing %

Time [min]

30% Graphite at 100o C

EPS25 + 30 vol% Graphite

EPS70 + 20 vol% Graphite0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200

Healing %

Time [min]

40% Graphite at 100o CEPS25 + 40 vol% Graphite

EPS70 + 40 vol% Graphite

Page 54: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

42 

 

In  Figure  3.23  the  results  are  given  for  all Graphite  based  EPS25‐4SH  composite.  Every  specimen 

show fast healing rate at the start. Only 40% experience an improvement in healing due to the higher 

temperature. Most of the specimens reach healing values higher than 70%. 

 

 

Figure 3.23 Healing performance for EPS25‐4SH with all the different filler concentrations. Typical uncertainty in the healing fraction is ± 10 %. 

 

In  Figure  3.24  the  results  are  given  for  all Graphite  based  EPS25‐4SH.  Every  specimen  show  fast 

healing  rate  at  the  start  as  in EPS25‐4SH. Many  specimens do not experience an  improvement  in 

healing  due  to  the  higher  temperature.  Specimens  containing  less  than  30%  of  Graphite  reach 

healing values higher than 60%. 

 

 

 

Figure 3.24 Healing performance for EPS70‐4SH with all the different filler concentrations. Typical uncertainty in the healing fraction is ± 10 %.   

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

Healing %

Time [min]

EPS25‐4SH with Graphite

EPS25 + 10 vol% Gra 65C

EPS25 + 20 vol% Gra 65C

EPS25 + 30 vol% Gra 65C

EPS25 + 40 vol% Gra 65C

EPS25 + 10 vol% Gra 100C

EPS25 + 20 vol% Gra 100C

EPS25 + 30 vol% Gra 100C

EPS25 + 40 vol% Gra 100C

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

Healing %

Time [min]

EPS70‐4SH with Graphite

EPS70 + 10 vol% Gra 65C

EPS70 + 20 vol% Gra 65C

EPS70 + 30 vol% Gra 65C

EPS70 + 40 vol% Gra 65C

EPS70 + 10 vol% Gra 100C

EPS70 + 20 vol% Gra 100C

EPS70 + 30 vol% Gra 100C

EPS70 + 40 vol% Gra 100C

Page 55: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

43 

 

3.2.6 Datasummaryforcohesiontest

In Figure 3.25 all the fillers tested with a volume percentage of 10% are plotted for EPS25‐4SH. All 

specimens get high values of healing percentage in a short amount of time making their healing 

curve very linear. 

 

Figure 3.25 Healing performance for EPS25‐4SH with all the different fillers at 10 vol% . Typical uncertainty in the healing fraction is ± 10 %. 

 

In Figure 3.26 all the fillers tested with a volume percentage of 20% are plotted for EPS25‐4SH. All 

specimens get high values of healing percentage in a short amount of time but not as good with 10% 

of filler. Already some fillers exit the fast recovery rate period before reaching 90% and stabilizing 

around that value. 

   

Figure 3.26 Healing performance for EPS25‐4SH with all the different fillers at 20 vol%. Typical uncertainty in the healing fraction is ± 10 %. 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

Healing %

Time [min]

EPS25‐4SH with 10% filler

EPS25 + 10 vol% Al 65CEPS25 + 10 vol% AlN 65CEPS25 + 10 vol% BN 65CEPS25 + 10 vol% Cu 65CEPS25 + 10 vol% Gra 65CEPS25 + 10 vol% Al 100CEPS25 + 10 vol% AlN 100CEPS25 + 10 vol% BN 100CEPS25 + 10 vol% Cu 100C

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

Healing %

Time [min]

EPS25‐4SH with 20% filler

EPS25 + 20 vol% Al 65CEPS25 + 20 vol% AlN 65CEPS25 + 20 vol% BN 65CEPS25 + 20 vol% Gra 65CEPS25 + 20 vol% Al 100CEPS25 + 20 vol% AlN 100CEPS25 + 20 vol% BN 100CEPS25 + 20 vol% Cu 100CEPS25 + 20 vol% Gra 100C

Page 56: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

44 

 

In Figure 3.27 all the fillers tested with a volume percentage of 30% are plotted for EPS25‐4SH. Most 

of the specimens lose a great amount of recovery rate at 30% of filler. Specimens containing Nitride 

show better healing than the rest for both temperature settings. Their behaviour for this volume 

percentage seem to widen the differences between fillers.   

 

Figure 3.27 Healing performance for EPS25‐4SH with all the different fillers at 30 vol%. Typical uncertainty in the healing fraction is ± 10 %. 

 

In Figure 3.28 all the fillers tested with a volume percentage of 40% are plotted for EPS25‐4SH. They 

all show a fast recovery rate at the start. Boron Nitride shows a good recovery for its filler content. 

The differences between fillers are more noticeable. 

 

Figure 3.28 Healing performance for EPS25‐4SH with all the different fillers at 40 vol%. Typical uncertainty in the healing fraction is ± 10 %. 

 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

Healing %

Time [min]

EPS25‐4SH with 30% filler

EPS25 + 30 vol% Al 65CEPS25 + 30 vol% AlN 65CEPS25 + 30 vol% BN 65CEPS25 + 30 vol% Gra 65CEPS25 + 30 vol% Al 100CEPS25 + 30 vol% AlN 100CEPS25 + 30 vol% BN 100CEPS25 + 30 vol% Gra 100C

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

Healing %

Time [min]

EPS25‐4SH with 40% filler

EPS25 + 40 vol% Al 65C

EPS25 + 40 vol% BN 65C

EPS25 + 40 vol% Gra 65C

EPS25 + 40 vol% Al 100C

EPS25 + 40 vol% BN 100C

EPS25 + 40 vol% Gra 100C

Page 57: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

45 

 

In Figure 3.29 all the fillers tested with a volume percentage of 10% are plotted for EPS70‐4SH. They 

all show a fast recovery rate at start.  Their healing values are spread between 50% and 100% giving 

already clear differences between fillers.  

 

Figure 3.29 Healing performance for EPS70‐4SH with all the different fillers at 10 vol%. Typical uncertainty in the healing fraction is ± 10 %. 

 

In Figure 3.30 all the fillers tested with a volume percentage of 20% are plotted for EPS70‐4SH. They 

all show a fast recovery rate at start.  Their healing values are spread between 40% and 100%. 

Widening the differences between fillers with respect to 10%. 

 

 

Figure 3.30 Healing performance for EPS70‐4SH with all the different fillers at 20 vol%. Typical uncertainty in the healing fraction is ± 10 %. 

 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

Healing %

Time [min]

EPS70‐4SH with 10% filler

EPS70 + 10 vol% Al 65C EPS70 + 10 vol% AlN 65CEPS70 + 10 vol% BN 65C EPS70 + 10 vol% Cu 65CEPS70 + 10 vol% Gra 65C EPS70 + 10 vol% Al 100CEPS70 + 10 vol% AlN 100C EPS70 + 10 vol% BN 100CEPS70 + 10 vol% Cu 100C EPS70 + 10 vol% Gra 100C

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

Healing %

Time [min]

EPS70‐4SH with 20% filler

EPS70 + 20 vol% Al 65C EPS70 + 20 vol% AlN 65CEPS70 + 20 vol% BN 65C EPS70 + 20 vol% Cu 65CEPS70 + 20 vol% Gra 65C EPS70 + 20 vol% Al 100CEPS70 + 20 vol% AlN 100C EPS70 + 20 vol% BN 100CEPS70 + 20 vol% Cu 100C EPS70 + 20 vol% Gra 100C

Page 58: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

46 

 

In Figure 3.31 all the fillers tested with a volume percentage of 30% are plotted for EPS70‐4SH. They 

all show a fast recovery rate at start but entering the slow rate before reaching a healing percentage 

of 50%.  Their healing values are spread between 20% and 80% for most of them.  

 

Figure 3.31 Healing performance for EPS70‐4SH with all the different fillers at 30 vol%. Typical uncertainty in the healing fraction is ± 10 %. 

 

In Figure 3.32 all the fillers tested with a volume percentage of 40% are plotted for EPS70‐4SH. They 

all show a fast recovery rate at start but entering the slow rate early in the healing. Their healing 

values are spread between 5% and 25% for most of them. 

 

Figure 3.32 Healing performance for EPS70‐4SH with all the different fillers at 40 vol%. Typical uncertainty in the healing fraction is ± 10 %. 

 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

Healing %

Time [min]

EPS70‐4SH with 30% filler

EPS70 + 30 vol%Al 65CEPS70 + 30 vol%AlN 65CEPS70 + 30 vol%BN 65CEPS70 + 30 vol%Gra 65CEPS70 + 30 vol%Al 100CEPS70 + 30 vol%AlN 100CEPS70 + 30 vol%BN 100CEPS70 + 30 vol%Gra 100C

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

Healing %

Time [min]

EPS70‐4SH with 40% filler

EPS70 + 40 vol%Al 65C

EPS70 + 40 vol%BN 65C

EPS70 + 40 vol%Gra 65C

EPS70 + 40 vol%Al 100C

EPS70 + 40 vol%BN 100C

EPS70 + 40 vol%Gra 100C

Page 59: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

47 

 

3.3 Adhesionrecoveryresults

The  results  are  first presented divided by  the  type of  filler used  and  later  a  comparison between 

fillers is given. A typical uncertainty of 15% can be applied. 

3.3.1 Aluminiumasfiller

The adhesion recovery data for the specimens containing Aluminium as filler divided in two graphics 

sorted  by  the  composite  matrix  EPS25‐4SH  and  EPS70‐4SH  with  all  volume  percentages  of 

Aluminium, both shown in Figure 3.33 a) for EPS25‐4SH and b) for EPS70‐4SH.  

a) Shear stress of EPS25‐4SH with Aluminium for several healing events 

b) Shear stress of EPS70‐4SH with Aluminium for several healing events 

Figure 3.33 Shear stress for the matrixes a) EPS25‐4SH and b) EPS70‐4SH with all Aluminium filler content. Typical uncertainty in the healing fraction is ±15 %. 

3.3.2 AluminiumNitrideasfiller

The adhesion recovery data for the specimens containing Aluminium Nitride as filler divided  in two 

graphics sorted by the composite matrix EPS25‐4SH and EPS70‐4SH with all volume percentages of 

Aluminium Nitride, both shown in Figure 3.34, a) for EPS25‐4SH and b) for EPS70‐4SH. 

a) Shear stress of EPS25‐4SH with Aluminium Nitride for several healing events 

 

b) Shear stress of EPS70‐4SH with Aluminium nitride for several healing events 

Figure 3.34 Shear stress for the matrixes a) EPS25‐4SH and b) EPS70‐4SH with all Aluminium Nitride filler percentages. Typical uncertainty in the healing fraction is ±15 %. 

‐0,5

0,5

1,5

2,5

3,5

0

0,1

0,2

0,3

0 2 4 6 8

Shear strength [Kg/cm

2]

Shear strength [MPa]

Healing events

EPS25‐4SH with Aluminium10%

20%

30%

‐0,5

0,5

1,5

2,5

3,5

0

0,1

0,2

0,3

0 2 4 6 8

Shear strength [Kg/cm

2]

Shear strength [MPa]

Healing events

EPS70‐4SH with Aluminum

10%20%30%40%

0

1

2

3

4

5

6

7

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0 2 4 6 8

Shear strength [Kg/cm

2]

Shear strength [MPa]

Healing events

EPS25‐4SH with Aluminum Nitride

10 vol% Al

20 vol% Al

30 vol% Al

0

1

2

3

4

5

6

7

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0 2 4 6 8

Shear strength [Kg/cm

2]

Shear strength [MPa]

Healing events

EPS70‐4SH with Aluminum Nitride

10 vol% Al20 vol% Al30 vol% Al

Page 60: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

48 

 

 

3.3.3 BoronNitrideasfiller

The  adhesion  recovery  data  for  the  specimens  containing  Boron  Nitride  as  filler  divided  in  two 

graphics sorted by the composite matrix EPS25‐4SH and EPS70‐4SH with all volume percentages of 

Boron Nitride, both shown in Figure 3.35, a) for EPS25‐4SH and b) for EPS70‐4SH. 

 

a) Shear stress of EPS25‐4SH with Boron Nitride for several healing events  

b) Shear stress of EPS70‐4SH with Boron Nitride for several healing events 

Figure 3.35 Shear stress for the matrixes a) EPS25‐4SH and b) EPS70‐4SH with all Boron Nitride filler content. Typical uncertainty in the healing fraction is ±15 %. 

 

3.3.4 Copperasfiller

The  adhesion  recovery data  for  the  specimens  containing Copper  as  filler divided  in  two  graphics 

sorted by  the composite matrix EPS25‐4SH and EPS70‐4SH with all volume percentages of Copper, 

both shown in Figure 3.36, a) for EPS25‐4SH and b) for EPS70‐4SH. 

 

0

1

2

3

4

5

6

7

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0 2 4 6 8

Shear strength [Kg/cm

2]

Shear strength [MPa]

Healing events

EPS25‐4SH with Boron Nitride

10%

20%

30%

40%

0

1

2

3

4

5

6

7

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0 2 4 6 8

Shear strength [Kg/cm

2]

Shear strength [MPa]

Healing events

EPS70‐4SH with Boron Nitride

10%

20%

30%

40%

Page 61: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

49 

 

a) Shear stress of EPS25‐4SH with Copper for several healing events 

b) Shear stress of EPS70‐4SH with Copper for several healing events 

Figure 3.36 Shear stress for the matrixes a) EPS25‐4SH and b) EPS70‐4SH with all Copper filler content. Typical uncertainty in the healing fraction is ±15 %. 

3.3.5 Graphiteasfiller

The adhesion recovery data  for  the specimens containing Graphite as  filler divided  in  two graphics 

sorted by the composite matrix EPS25‐4SH and EPS70‐4SH with all volume percentages of Graphite, 

both shown in Figure 3.37, a) for EPS25‐4SH and b) for EPS70‐4SH. 

 

 

a) Shear stress of EPS25‐4SH with Graphite for several healing events  

b) Shear stress of EPS70‐4SH with Graphite for several healing events 

Figure 3.37 Shear stress for the matrixes a) EPS25‐4SH and b) EPS70‐4SH with all Graphite filler content. Typical uncertainty in the healing fraction is ±15 %. 

   

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0 2 4 6 8

Shear strength [Kg/cm

2]

Shear strength [MPa]

Healing events

EPS25‐4SH with Copper

10%

20%0

0,5

1

1,5

2

2,5

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0 2 4 6 8

Shear strength [Kg/cm

2]

Shear strength [MPa]

Healing events

EPS70‐4SH with Copper

10%l

20%

0

1

2

3

4

5

6

7

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0 2 4 6 8 10

Shear strength [Kg/cm

2]

Shear strength [MPa]

Adhesion Cycle

EPS25‐4SH with Graphite

2.5%

3.5%

5%

7.5%

10%

20%

30%

40%

0

1

2

3

4

5

6

7

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0 2 4 6 8 10

Shear strength [Kg/cm

2]

Shear strength [MPa]

Adhesion Cycle

EPS70‐4SH with Graphite

2.5%

3.55%

5%

7.5%

10%

20%

30%

40%

Page 62: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

50 

 

 

3.3.6 Datasummaryforadhesiontest

In Figure 3.38 the adhesion shear strength of fillers tested are plotted for EPS25‐4SH. It shows how 

the values for metallic fillers go down  linearly while the other fillers experience an  improvement at 

start resulting on a maximum.  

 

Figure 3.38 Shear strength of EPS25‐4SH with several fillers 

In Figure 3.39 the adhesion shear strength of fillers tested are plotted for EPS70‐4SH. It shows how 

the values for metallic fillers go down  linearly while the other fillers experience an  improvement at 

start  resulting  on  a maximum.  The  position  of  this maximum  is  spread  in  a  larger  range  than  in 

EPS25‐4SH. 

 

 

Figure 3.39 Shear strength of EPS70‐4SH with several fillers

0

1

2

3

4

5

6

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45%

Shear strength [Kg/cm

2]

Shear strength [Mpa]

Filler volume precentage

EPS25‐4SH with FillerAluminiumAlNBNCopperDiamond

0

1

2

3

4

5

6

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45%

Shear strength [Kg/cm

2]

Shear strength [Mpa]

Filler  volume percentage

EPS70‐4SH with fillerAluminium

AlN

BN

Copper

Page 63: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

51 

 

3.4 Thermalconductionresults

The next results were found for the thermal test. First the data for the specimens prepared without 

alignment are presented. Then the aligned specimens are presented together with the results of the 

not aligned specimens for comparison. Typical uncertainty is ± 1%. 

3.4.1 Specimenwithnon—alignedparticles

In Figure 3.40  the  thermal conductivity  is given  for EPS25‐4SH and EPS70‐4SH with all  the volume 

percentages for the fillers: a) Aluminium b).Aluminium Nitride c) Boron Nitride d) Copper .e) Graphite  

a) Thermal conductivity for EPS25‐4SH containing Aluminium  b) Thermal conductivity for EPS25‐4SH containing Aluminium Nitride 

c) Thermal conductivity for EPS25‐4SH containing Boron Nitride  

 

d) Thermal conductivity for EPS25‐4SH containing Copper 

 

e) Thermal conductivity for EPS25‐4SH containing Graphite 

Figure 3.40 Thermal conductivity for EPS25‐4SH and EPS0‐4SH with the fillers: a) Aluminium b).Aluminium Nitride c) Boron Nitride d) Copper e) Graphite. Typical uncertainty is ± 1%. 

 

 

‐0,5

0,5

1,5

2,5

0 10 20 30 40

Therm

al conductivity  

[W/m

K]

Volume percentage of filler

Aluminium

EPS25

EPS70

‐0,5

0,5

1,5

2,5

0 10 20 30 40Th

erm

al conductivity  

[W/m

K]

Volume percentage of filler

Aluminium Nitride

EPS25

EPS70

‐0,5

0,5

1,5

2,5

0 10 20 30 40

Therm

al conductivity 

[W/m

K] 

Volume percentage of filler

Boron Nitride

EPS25

EPS70

‐0,5

0,5

1,5

2,5

0 10 20 30 40Therm

al conductivity  

[W/m

K]

Volume percentage of filler

Copper

EPS25

EPS70

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 10 20 30 40Therm

al conductivity  

[W/m

K]

Volume percentage of graphite

Graphite

EPS25

EPS70

Page 64: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

52 

 

In Figure 3.41 the thermal conductivity for EPS25‐4SH is plotted for all the different filler used. All the 

specimens experience a  linear  increase  in thermal conduction The different between  filler seem to 

remain  constant  under  40%.  At  40%  Graphite  experiences  a  major  improvement  compared  to 

previous volume fractions. 

 

Figure 3.41 Thermal conductivity for EPS25‐4SH and filler. Typical uncertainty is ± 1%. 

 

In Figure 3.42 the thermal conductivity for EPS70‐4SH is plotted for all the different filler used. All the 

specimens experience a linear increase in thermal conduction. For this matrix the difference between 

fillers increase after 20% where Graphite improves faster than the other fillers.   

 

Figure 3.42 Thermal conductivity for EPS70‐4SH and filler. Typical uncertainty is ± 1%. 

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 10 20 30 40

Therm

al conductivity  [W/m

K]

Volume percentage of Filler

Thioplast EPS25

Graphite

Boron Nitride

Copper

Aluminium Nitride

Aluminium

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Therm

al conductivity  [W/m

K]

Volume percentage of Filler

Thioplast EPS70

Graphite

Boron Nitride

Copper

Aluminium Nitride

Aluminium

Page 65: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

53 

 

 

3.4.2 Comparisonbetweenalignedandnon‐alignedsamples

The data for the aligned specimens, processed using DEP, are plotted below together with their not‐

aligned  version  for  comparison.  In  Figure  3.43  he  thermal  conductivity  for  EPS25  is  plotted  for:          

a) Graphite aligned and not aligned and b) Boron nitride aligned and non‐aligned.  

From both graphs  the difference between alignment gets noticeable after a high amount of  filler. 

Larger amount that 20% for Graphite and 30% for Boron Nitride. 

 

a) Thermal conductivity for EPS25‐4SH and Graphite, aligned and not‐aligned 

b) Thermal conductivity for EPS25‐4SH and Boron Nitride, aligned and not‐aligned 

Figure 3.43 Thermal conductivity for EPS25‐4SH with the fillers: a) Graphite b)) Boron Nitride. Typical uncertainty is ± 1%. 

 

 

   

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 10 20 30 40

Therm

al conductivity  

[W/m

K]

Volume percentage of filler

Aligning Graphite

EPS25

EPS25 aligned

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 10 20 30 40

Therm

al conductivity  

[W/m

K]

Volume percentage of filler

Aligning Boron Nitride

EPS25

EPS25 aligned

Page 66: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

54 

 

3.4.3 SEManalysisofparticulatecomposites/particles

The  results, obtained using  the Scanning Electron Microscope, are presented below. These  results 

consist  on  surface  images,  Energy  dispersion  spectroscopy  data  and  images  and, weight  analysis 

using the atom count from the energy dispersion spectroscopy. 

In  Figure  3.44  the  surface  images  for  EPS25‐4SH  containing  not  aligned Graphite  for  40%  of  the 

specimen volume is presented. 

 

 

Figure 3.44 SEM for EPS25‐4SH with 40vol% Graphite‐Not Aligned. a) 60x  b)200x  c) 500x 

 

In Figure 3.45    the energy dispersion spectroscopy electron count and surface mapping  images  for 

EPS25‐4SH containing not aligned Graphite for 40% of the specimen volume is presented. 

 

Figure 3.45 Energy Dispersion Spectroscopy for EPS25‐4SH with 40vol% Graphite‐Not Aligned. Left: element detection. Right: element mapping (Grey picture, CK Carbon, OK Oxygen, SK sulphur). 

 

 

 

 

Page 67: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

55 

 

 

In Table 3.1 the weight analysis using the atom count from the energy dispersion spectroscopy SEM 

for EPS25‐4SH with 40vol% Graphite, not aligned, is presented. 

 

Element 

  Line 

      Net 

   Counts 

Net Counts 

       Error 

Weight % 

 

Weight % 

  Error 

Atom % 

 

Atom % 

  Error 

   C K       69879  +/‐    323    84.12  +/‐ 0.39    90.66  +/‐ 0.42 

   O K         7143  +/‐    185      7.22  +/‐ 0.19      5.85  +/‐ 0.15 

   S K       73169  +/‐    452      8.66  +/‐ 0.05      3.50  +/‐ 0.02 

   S L              0  +/‐      58        ‐‐‐        ‐‐‐        ‐‐‐        ‐‐‐ 

Total       100.00    100.00   

Table 3.1 Energy Dispersion Spectroscopy weight analysis for EPS25‐4SH containing not aligned 40 vol% Graphite  

 

In Figure 3.46 and Figure 3.47 the surface images for EPS25‐4SH containing Graphite for 40% of the 

specimen volume is presented. 

 

 

Figure 3.46 SEM for EPS25‐4SH with 40 vol% of Graphite‐Aligned.  a) 500x  b) 2500x  c) 10000x 

 

 

(c) 

Page 68: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

56 

 

Figure 3.47 SEM for EPS25‐4SH with 40 vol% of Graphite‐Aligned.  a) 500x  b) 2500x  c) 2500x 

In Figure 3.48  the energy dispersion  spectroscopy electron  count and  surface mapping  images  for 

EPS25‐4SH containing aligned Graphite for 40% of the specimen volume is presented. 

 

Figure 3.48 Energy Dispersion Spectroscopy for EPS25‐4SH with 40 vol% Graphite aligned‐Aligned. Left: element detection. Right: element mapping (Grey: picture, SK: Sulphur, CK: Carbon, Au M: Gold, OK: Oxygen) 

 

In Table 3.2the weight analysis using the atom count from the energy dispersion spectroscopy SEM 

for EPS25‐4SH with 40 vol% Graphite, aligned, is presented. 

 

Element 

  Line 

      Net 

   Counts 

Net Counts 

       Error 

Weight % 

 

Weight % 

  Error 

Atom % 

 

Atom % 

  Error 

   C K       12658  +/‐    118    67.05  +/‐ 0.63    94.28  +/‐ 0.88 

   O K           388  +/‐      77      1.40  +/‐ 0.28      1.48  +/‐ 0.29 

   S K           676  +/‐    131      3.48  +/‐ 0.67      1.83  +/‐ 0.36 

   S L              0  +/‐      13        ‐‐‐        ‐‐‐        ‐‐‐        ‐‐‐ 

  Au M         3975  +/‐    188    28.07  +/‐ 1.33      2.41  +/‐ 0.11 

Total      100.00    100.00   

Table 3.2 Energy Dispersion Spectroscopy weight analysis for EPS25‐4SH containing 40 vol% Graphite‐Aligned 

 

 

 

 

Page 69: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

57 

 

In Figure 3.49   the surface  images for EPS25‐4SH containing Boron Nitride for 20% of the specimen 

volume is presented. 

 

 

Figure 3.49 SEM for EPS25‐4SH with 20 vol% of Boron Nitride.  a) 60x  b) 500x  c) 3000x d) 10000x e) 30000x f) 50000x  

In Figure 3.50  the surface images for EPS25‐4SH containing Boron Nitride for 300% of the specimen 

volume is presented. 

 

 

Figure 3.50 SEM for EPS25‐4SH with 30 vol% of Boron Nitride‐Aligned.  a) 1000x  b) 2000x  c) 2000x  

 

 

 

 

Page 70: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

58 

 

In Figure 3.51  the energy dispersion  spectroscopy electron  count and  surface mapping  images  for 

EPS25‐4SH containing aligned Boron Nitride for 40% of the specimen volume is presented. 

 

Figure 3.51 Energy Dispersion Spectroscopy for EPS25‐4SH with 40% Boron Nitride‐Aligned. Left: element detection. Right: element mapping (Grey: picture, NK: Nitrogen, BK: Boron, CK: Carbon, OK: Oxygen, SK: Sulphur, Au M: Gold). 

 

 

In Table 3.3 the weight analysis using the atom count from the energy dispersion spectroscopy SEM 

for EPS25‐4SH with 40vol% Boron Nitride, aligned, is presented. 

 

Element 

  Line 

      Net 

   Counts 

Net Counts 

       Error 

Weight % 

 

Weight % 

  Error 

Atom % 

 

Atom % 

  Error 

   B K         2858  +/‐    116    15.79  +/‐ 0.64    20.80  +/‐ 0.84 

   C K       16359  +/‐    243    31.85  +/‐ 0.47    37.75  +/‐ 0.56 

   N K       14934  +/‐    240    30.69  +/‐ 0.49    31.20  +/‐ 0.50 

   O K         8084  +/‐    259      6.73  +/‐ 0.22      5.99  +/‐ 0.19 

   S K       44198  +/‐    480      8.54  +/‐ 0.09      3.80  +/‐ 0.04 

   S L              0  +/‐      68        ‐‐‐        ‐‐‐        ‐‐‐        ‐‐‐ 

  Au L              0              0        ‐‐‐        ‐‐‐        ‐‐‐        ‐‐‐ 

  Au M       21718  +/‐    600      6.40  +/‐ 0.18      0.46  +/‐ 0.01 

Total      100.00    100.00   

Table 3.3 Energy Dispersion Spectroscopy weight analysis for EPS25‐4SH containing 40 vol% Boron Nitride 

Page 71: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

59 

 

4 Discussion 

In this chapter the results given  in chapter 3 are treated and discussed. First the results concerning 

the cohesion ability of the specimens are discussed followed by the adhesion ability and the thermal 

conductivity of the composed materials. The chapter ends with a valorisation and characterization of 

the  different  types  of  composites  tested  giving  a  tool with  the  purpose  of  identifying  the most 

suitable composite for the engineering needs of the application. 

4.1 Cohesionrecovery

In  this  subsection  the  results of  the cohesion  recovery  from  section 3.1 are  treated. The cohesion 

recovery is directly related to healing of the damage by reconnecting the surfaces forming the crack. 

In this section first the reproducibility of the test is discussed, and then the theories concerning the 

cohesion recovery are presented, starting by discussing the influence of the matrix, the influence  of 

the filler and finishing with a discussion of the temperature dependence during healing. 

Reproducibility 

As explained in section 2.3, the data of the cohesion results were obtained from images taken using a 

microscope  equipped  with  a  digital  camera.  To  translate  al  the  analog  data  to  digital  data  the 

distance between surfaces was measured and compared to  its original aperture at 0 min. With this 

100% healing means that the cut has closed completely. The values obtained are plotted according to 

the healing time: the time they were in the oven. 

There are several points that should be mentioned before discussing the results which may affect the 

reliability of the data obtained. These points may affect the reproducibility of the tests. 

‐ The  thickness of  the  samples: All  the  samples do  start with an approximate  thickness of 1 

mm.  During  the  test,  pressure  was  applied  to  the  samples  by  the  clamps  in  thickness 

direction  reducing  this  thickness  during  the  test,  the  lower  the  viscosity  the  thinner  the 

thickness of the specimen at the end. This  increase of flow helps to seal the damaged area 

before healing can take place. 

‐ The  removal  of  the  microscope  slide:  To  successfully  take  an  image  of  the  sample  the 

microscope slide  from  the  top side was  removed, since  the microscope  light was  reflected 

disturbing the imaging. While removing the slide stresses are applied to the specimen. While 

this procedure was  carefully made  it may produce  separation of  the healing  surfaces as  it 

bonded on the slide. Separation of the surfaces by removing the microscope slide negatively 

affects  in sample performance. Saying this, the sample of copper for 20 volume percentage 

was lost this way several times as it bonded too well on the slide to be removed. 

‐ Sharpness and light of the image: While recording the image the image should be sharp and 

well  lit  to  distinguish  the  scission  and  its  edges.  Shadows make  it  difficult  to  locate  the 

scission edge. The sharpness of the image was also found to be a variable for the location of 

the  surface  edges.  Focusing  the  image was  done  by moving  the  sample  closer  or  further 

away from the camera. The edge of the scission has to be at the exact same distance from 

the camera for every sample since the further the sample the smaller the perceived damage. 

Page 72: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

60 

 

‐ Damage of samples: The  initial damage of  the samples was all  reproduced using  the same 

cutting edge but the cuts procedure yielded samples containing more or less damage to heal 

with  respect  to each other. This difference  in damage  is not  reflected  in  the  results.  Two 

samples  completely healed after  the  same amount of  time are  seeing as having  the  same 

healing properties.  

‐ Surface contact: The contact of the surface is a must for self‐healing, especially if the material 

has poor flow properties. Surfaces that were found to separate during test and not coming 

into  contact where  not  count  in  the  results.  The  cut  inflicted  into  the material was  cross 

formed counting 4 pair of surfaces that can move and heal at their own individual rate. This 

can be seen as 4 healing reading per sample.  

‐ The number of tests: Due to the short time to do all the tests, each test was performed only 

once  for most  of  the  samples. Normally  a  number  of  tests of  the  same  sample  is  always 

desired to filter errors as much as possible. 

Influence of the matrix 

From the figures  in section 3.2  it can be deduced that the healing depends on the matrix, the filler 

content, the temperature of the environment, the type of filler and the time spent in the oven. 

‐  In  sections  3.2.1‐3.2.5  it  can  be  observed  that  EPS25‐4SH  has  generally  better  healing  recovery 

properties than EPS70‐4SH. Many of the EPS25‐4SH samples manage to completely heal, as shown in 

Figure  4.1. On  the  other  hand many  of  the  EPS70‐4SH  do  not  completely  heal  leaving  a  scar,  as 

shown in Figure 4.2, or not heal at all if there was no connection between surfaces. There is healing, 

but not enough flow for the material to move and seal the damage completely in most of the EPS70 

cases.  

 

Figure 4.1 EPS25‐4SH‐10%BN‐130min  Figure 4.2 EPS70‐4SH‐10%BN‐190min 

 

From the molecular architecture of the Thioplast [33, 34] EPS25‐4SH and EPS70, as shown  in Figure 

2.1, it is expected that EPS25‐4SH, to have better self‐healing properties than EPS70‐4SH. This can be 

explained by two factors concerning their chemistry; their chain flexibility and their glass transition 

temperature Tg. 

Page 73: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

61 

 

Chain flexibility factor: Looking at the chemistry of the EPS25 [33] and EPS70 [34], shown Figure 2.1, 

it  can be  seen  that EPS70  is  composed of molecules with a high aromatic  content while EPS25  is 

compose by  aliphatic molecules.  The  aromatic  rings of  the  EPS70  increases  the  chain  rigidity  and 

reduces the flexibility of the chains and subsequently of the entire material, as compared to EPS25.  

The molecular rigidity and flexibility will affect the viscosity of the compound [35]. The healing of the 

material  will  happen  when  surfaces  meet  giving  the  chance  to  the  molecules  to  entangle  or 

reconnect as shown in Figure 1.8 [12]. The less flexible the chains are the more difficult it will be for 

the healing to take place since viscosity is a key parameter in healing. These factors make the EPS25 

more favourable for self‐healing than EPS70. 

Glass  transition  temperature  factor: Viscosity deals with  the  relative displacement of entire chains 

along each other and only occurs at high temperatures and in no‐crosslinked systems. 

For the slightly crosslinked systems explored here, the glass transition temperature, which gives the 

minimum temperature for substantial motion of molecular segments may be more relevant [26, 36]. 

The  DSC measurements  yielded  Tg  of  ‐400  C  and  ‐100  C  for  EPS25‐4SH  and  EPS70‐4SH materials 

respectively. See section 3.1. Clearly The EPS70 has  the higher Tg. Heat  temperatures of 650 C and 

1000 C are well above the respective Tg values. 

The difference for EPS25, being lower than for EPS70, contributes to the faster healing for EPS25 at 

the fixed healing temperatures.  

Influence of the filler 

It  is  also  expected  that  the  rigidity of  the  compound  to be  significantly  affected by  the  type  and 

volume  fraction. Fillers are basically  impurities added  into a compound, making the compound the 

matrix and the  impurity the filler. A filler particle, or conglomerate, will obstruct a matrix molecule 

from moving and making bonds to other molecules that are in the other side. If it happens that the 

other side forms part of the damage surface, it will prevent healing to take place on that part of the 

surface. Hanneman et al. [37] studied the influence of alumina fillers on unsaturated polyester resin 

polymer matrix with results increasing viscously along with the amount of filler. 

It  should  be  pointed  out  that  the  filler  particles  themselves  have  no  healing  ability,  given  their 

covalent  or  metallic  bond  structure  and  the  healing  temperatures  well  below  the  particulate 

materials melting temperatures. 

Environment influence 

‐ From section 3.2.6 the differences between tested fillers can be observed  in Figure 3.25 to Figure 

3.28  It  can be  seen  that  graphite  tends  to be  the best  in  EPS25  for  650C. While  for  1000C Boron 

Nitride and Aluminum Nitride performances increases substantially compared to the rest.  

Graphite and Aluminum Nitride seem  to be negatively affected by  the  increase of  temperature  for 

less than 30 volume percentage. 

‐ From Figure 3.29 to Figure 3.32  it can be observed that graphite is a good choice for a temperature 

of 650C. Aluminum Nitride has  a  good performance  compared  to 10  and 20  volume percentages. 

Increasing  the  temperature  to 1000C seems  to  increase  the  recovery of Boron Nitride significantly, 

especially at 30 volume percentage.   Graphite  is  in EPS70 also negatively affected under 30 volume 

percentage. 

Page 74: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

62 

 

It  can be  concluded  that  from  this  section  that EPS25‐4SH  is  the best  choice when  looking at  the 

cohesion  recovery,  this was  found when  looking at  the matrix,  the  type of  filler and environment 

applied. It was also found that the results obtained are not completely reproducible, especially when 

only one sample per material configuration was tested. More tests should be made with  the same 

material configuration to filter errors and increase its reliability. 

4.2 Adhesionrecovery

The results of the adhesion test shown in section 3.3 were conducted using the procedure explained 

in section 2.4.  

In this section, the influence of amount of filler on adhesion will be discussed first. The reliability of 

the bond will be next mentioned followed by the influence of time and the type of filler. 

It  can  be  seen  from  all  figures  from  section  3.3,  Figure  3.33  to  Figure  3.39  that  the  adhesion 

properties of the composite does change with the amount of filler used. As a compound gets more 

filler  inside, decreasing  the  amount of matrix per  volume percentage,  a decrease of  the  adhesive 

properties was expected for all the specimens 

In Table 4.1  lap  shear  strength of  several materials  is given  to  compare how well  the  synthesized 

materials perform with respect to commercial TIM’s.   

 

LapshearStrength[MPa]

ThermallyConductiveAdhesives(TechFilm®) 7‐28

EPS70‐4SH10%Al 0.1142

EPS70‐4SH20%AlN 0.544

EPS70‐4SH30%BN 0.517

EPS70‐4SH20%Cu 0.138

EPS70‐4SH20%Graphite 0.51

EPS25‐4SH10%Al 0.2078

EPS25‐4SH20%AlN 0.276

EPS25‐4SH30%BN 0.484

EPS25‐4SH10%Cu 0.199

EPS25‐4SH30%Graphite 0.39

Pads(Chomerics®) 0.3‐1.1

Tapes(Chomerics®) 0.1‐1.1

Table 4.1 Lap shear strength of several commercial TIM’s and best synthesized specimens per filler 

 

Page 75: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

63 

 

‐  It  can  be  observed  that  for  some  of  the  fillers  that  the  adhesive  property  of  the  compound 

increased with the volume percentage of the material up to an optimum where  it decreased again, 

best seen in Figure 3.38 and Figure 3.39.  

To explain why this phenomenon occurs, two possible approaches are exposed for discussion.  

Stiffness approach: The fillers used for the experiments are stiff and hard compared to the polymer 

matrix. These are metals, semimetals or ceramic particles. Filler particles move within the matrix and 

along with the flow of the matrix but they do not deform. Clusters of particle do deform but not the 

particles. Fillers and clusters made of the filler material do block and impede the matrix to flow and 

interact with the material at the other side, reducing the kinetic energy of the material. This means 

increasing the viscosity. The matrix responds to the fillers positively increasing the viscosity [38] and 

sequentially the rigidity of the overall compound. Rigidity of the material can  increase the adhesive 

property of  the composite until a maximum optimum  is  reached and  it decreases  from  that point 

downwards.  The  form  of  the  particle,  their  cluster  formation  affinity  and  the  bonding  strength 

between filler and matrix can explain to understand why some filler did get better while  increasing 

the amount of fillers while other fillers were weaken from the start.  

With  this  said  it  should be noted  that  from  the  fillers used only  the non‐metallic  fillers did get an 

improvement and a maximum in their adhesive properties. 

   

Figure 4.3 Effect of stiffness on adhesive bonds 

 

More  rigidity  to  a  soft material  can mean  that  the  stresses  going  thru  the material  are  better 

distributed within  the material becoming  less  concentrated at  the edges where adhesives are  the 

weakest as represented in Figure 4.3. From Figure 4.3 it can be deduced that the deformation caused 

by  the  soft material  approaches mode  I  seen  in  Figure  4.4. Mode  I  is  the weakest mode  of  the 

material  increasing  the  chances  for  failure  of  the  bond  between  the  adhesive  and  the  adherent. 

Different forms of failure between adhesive and adherent are presented in Figure 4.5. After a certain 

amount of filler the adhesion of the specimen fails because it is too stiff and the stresses concentrate 

again  at  the  edges  instead  of  evenly  distributed  through  the  entire  adhesive  causing  a Mode  II 

failure. This could explain the maximum in the shear strength. 

It was  noted  that  the  failures  of  the  specimens where Adhesive  or  interfacial  failures  as  seen  in 

Figure 4.5 in the right‐up corner and adhesive or interfacial failure with jumping fractures as seen in 

Figure  4.5  in  the  button‐center  position.  This makes  the  bonding  between  the  adhesive  and  the 

adherent surface the weakness in the specimen.  

Page 76: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

64 

 

 

Figure 4.4 Stress modes on a adhesive juncture 

 

Figure 4.5 Failure modes of adhesives 

 

Filler interaction approach: For this approach we look at the fact how the filler added into the matrix 

will bond with  the matrix and how  this may affect  the macroscopic adhesion. The  strength of  the 

bonds, the type of bonds and the amount of bonds depend on the type of filler added. When looking 

at the surface of the specimen to be bonded to the adherent it can be found that the surface has a 

population of filler in it. This filler has an effect on the matrix in contact with him and the adherent as 

schematized in Figure 4.6. Different cases could be resulting from the presence of the filler. 

Case where the filler has a good bonding affinity with the matrix taking all the free radical of 

the  matrix  around  him  for  itself  leaving  none  near  him  to  interact  with  the  adherent 

surface. 

Case where the matrix does have poor affinity with the matrix. The filler only takes a few 

bonds and the rest are free to interact with the adherent surface. 

Case where the filler does have good bonding affinity with the adherent surface and make 

some  kind  of  non‐covalent  bonding with  it,  h‐bonding,  ionic  bonding,  etc.,  reducing  the 

bonds that the matrix can make with the adherent around the filler. This can have positive 

or  negative  effect  depending  on  the  strength  of  the  bonds  between  the  filler  and  the 

adherent surface compared to the bonds between the matrix and the adherent surface as. 

Case where the filler has bad bonding affinity, or even experiencing repulsion, giving more 

chances for the matrix to create more bonds in the area directly around the filler.  

 

 

Figure 4.6 Filler‐surface iteration representation 

 

Page 77: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

65 

 

These  theoretical  cases  may  help  understand  why  the  metallic  fillers  were  significantly  worse 

compared to the non‐metallic and semi‐metallic fillers. Metallic materials do not really like to make 

bonds with new surfaces unless greatly heated up or being affected by a magnetic field.  

 

‐ From the results exposed in Figure 3.33 to Figure 3.37 it can be seen that there is a good recovery of 

the adhesion strength  for all  the  fillers.  In other words,  the adhesion strength  remains around  the 

same value for every made cycle. This behavior  in favorable  is cases where the adhesive separates 

from  the surfaces and has  the opportunity  to re‐bond with  the surface, as  long as  there  is contact 

and  sufficient  time.  This means  that  the  adhesion  recovery  can  heal  up  to  a  100%  of  its  original 

strength. From this observation  it follows that there  is no need to  increase the temperature of the 

recovery periods to values above 650 C, unless healing time is critical.  

‐ From  the  same  figures  last mentioned  it  can observed  that most  specimens experiences peak  in 

their 4th testing period. This is caused by a longer resting period between tests since not all the tests 

were  able  to  be  performed  at  the  same  day.  This  demonstrate  that  time  is  a  variable  affecting 

adhesion.  When  the  adhesive  and  the  adherent  surface  have  contact  bonds  between  both 

substances  start  to  create.  When  they  first  meet  there  is  a  fixating  time  where  adhesive  and 

adherent sticks to each other but then time  is needed to strengthen the bonding by  increasing the 

number of bonds during  time. Akabori et al.  [39] researched  the effect  time on  the strength of an 

adhesive concluding that times is indeed a variable for bonding strength. 

‐ From section 3.3.6 looking at Figure 3.38 and Figure 3.39 the difference between fillers in bonding 

strength can be observed. Graphite can be seen as the best filler overall. Boron‐Nitride exposed very 

good  results  for  its 30%  compound. A big difference between  these  two  fillers  is  that  graphite  is 

electric conductor while Boron Nitride acts as an  insulator. This makes both fillers a good choice to 

make depending on  the  desired  electrical  conductivity of  the  TIM. Aluminum Nitride  also  yielded 

good values when combined with EPS25 at 20 volume percentage.  

It can be concluded when looking at these results that the EPS70‐4SH matrix is the best choice when 

comparing the adhesive strengths, both from a relative and absolute perspective. 

 

 

 

   

Page 78: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

66 

 

4.3 Thermalconduction

In  section  2.5  the  test  for  thermal  conductivity  is  explained  and  in  section  3.4.1  the  thermal 

conduction can be observed.  

In Table 4.2 thermal conductivity of several materials  is given to compare how well the synthesized 

materials perform with respect to commercial TIM’s.   

 

TIM’s(Source) Thermalconductivity[W/mK]

ThermallyConductiveAdhesives(TechFilm®) 0.31‐2.63

EPS70‐4SH‐40%Al 1.447

EPS70‐4SH‐30%AlN 0.952

EPS70‐4SH‐40%BN 1.191

EPS70‐4SH‐20%Copper 0.883

EPS70‐4SH‐40%Graphite 2.215

EPS25‐4SH‐40%Al 1.456

EPS25‐4SH‐30%AlN 0.919

EPS25‐4SH‐40%BN(aligned) 1.318

EPS25‐4SH‐20%Copper 0.793

EPS25‐4SHGraphite(aligned) 2.35

Pads(Chonerics®) 0.6‐0.7

Tapes(Chomerics®) 0.35‐0.4

Table 4.2  Thermal conductivity of several commercial TIM’s and best synthesized specimens per filler 

 

First, the results for the specimens that were not aligned are discussed followed by the discussion of 

the aligned specimens together with the SEM discussion 

 

Discussion about the specimens not aligned 

‐  As  the  value  of  the  volume  percentage  of  the  filler  increases  it  is  expected  to  obtain  higher 

conductivity  as  seen  in  Figure  3.40.  This  is  because  the  filler  is  a  thermal  conductor.  Thermal 

conduction  refers  to  the  easy  of  which  the  heat  is  transferred  through  the material.  The more 

Page 79: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

67 

 

material  is present  in  the specimens  that make  the heat  transfers easier, compared  to a specimen 

composed to only of Thioplast and a Crosslinker, the higher the thermal conductivity.  

‐ Also from Figure 3.41 and Figure 3.42  it can be seen that EPS70‐4SH performs better than EPS25‐

4SH for all the fillers and their volume percentages. 

‐ The difference  in  thermal conductivity between  filler used can be seen  in Figure 3.41 and Figure 

3.42, from these graph  it can be said that graphite  is the best filler for thermal conductivity at high 

volume  percentages.  Looking  at  Table  4.3  it  can  be  seen  that  graphite  has  superior  thermal 

conductivity compared to the other fillers.  

 

Material(Source) Thermalconductivity[W/mk]

Aluminum 237 (120‐180 alloys)

AluminumNitride 285

BoronNitride 600║; 30 ┴

Copper 401

Graphite 200–2000║; 2–800┴

Table 4.3 Thermal conductivity of the used fillers [40] 

 

Discussion about the aligned specimens 

To  test  if  the  filler  particles  could  be  aligned  and  if  they would  improve  the  conductivity  of  the 

material materials where synthesized using dielectrophoresis. See section 1.3  

From Figure 3.43  it can be seen that the dielectrophoresis did make a difference but only at higher 

volume  fractions.  At  low  volume  fractions  the  effect  of  the  redistribution  in  average  particle 

separation distance in the direction of heat flow is too small to have a measurable effect. 

Dielectrophoresis was used with  the  intention  to not only orientate  the particles  to  facilitate  the 

conductivity but also to try and cluster the particles  in a way to facilitate the conduction as seen  in 

Figure 4.7.  

Figure 4.7 Particle distribution   a) Normally distributed   b) Distribution after DEP 

Page 80: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

68 

 

To  find  out  if  there was  an  alignment  SEM  pictures were  conducted  to  see  if  there was  cluster 

formations. 

‐ In section 3.4.3 the results from the SEM are given. First the results of a not aligned graphite sample 

were  given  for  comparison  against  aligned  samples. A  normal  surface  scanning  image  is  given  in 

Figure  3.44.  Disperse  spectroscopy  was  performed  to  try  to  differentiate  the  different  regions 

composed by the matrix polymer and the filler, in this case graphite. Figure 3.45 gives the number of 

hits obtaining for each element on the left side while the right side plots the founded elements in the 

scanned surface.  

It can be deduced form these images that the graphite is well dispersed through the matrix. Knowing 

the amount of molecules  in the surface the SEM gives as an approximation of the amount of each 

founded elements. This can be found  in Table 3.1. These values give an  idea of the composition of 

the surface in that particular area. 

The next results given are from another graphite sample, the surface was polished to facilitate the 

detection of particles and their alignment  if any. This was done since the previous results were not 

clear  to  differentiate what was  polymer  and what  the  graphite.  Figure  3.46  and  Figure  3.47  give 

images  for  Graphite  with  40%.  Looking  at  then  no  clear  particle  alignment  is  spotted.  Energy 

Dispersion X‐Ray Spectroscopy was performed using  low energy, up to around 5eV shown  in Figure 

3.48  left  side. This was done  to not  to penetrate  the  surface much during  the  scanning as  it. The 

element distribution  found can be seen  from Figure 3.48  right side. No clear alignment was  found 

from  the  images  taken and  the data obtained. The volume percentage obtained  from  the SEM  for 

this specimen was given on Table 3.2. 

Next  the  results  for Boron Nitride were given. First  images  for 20% and 30% of Boron Nitride are 

given followed by the Dispersion Spectroscopy for the 40%. A table of the volume percentages found 

for the 40 volume percentage of Boron is also given, Table 3.3. 

From the above results no alignment was spotted for Boron Nitride same as with graphite. 

No particle  separation or  clusters were  spotted. While  looking  for particles  it was  clear  that  they 

were smaller  than 1 µm, maybe  in  the nanometer  range, when  they were supposed  to be around 

5µm. This makes DEP difficult as mentioned in section 1.3. 

Even so  it was found that DEP worked and the results show an  increase of thermal conductivity as 

seen in Figure 3.43. Two theories could be applied here.  

Particle rotation: It could be that the particles were not able to translate through the medium, in our 

case the polymer matrix. Either the DEP force was too weak to produce translation or the viscosity 

was too high. The increased effect can be explained in this situation by the rotation of the particles. 

Some particles might have been rotated in line with the current [30]. 

Alignment  in the surface:  It has been observed that the surface of the specimens may contain  less 

filler  content  that  the  rest of  the material. DEP might  just affect  the alignment on  the  surface by 

bringing more filler content to the surface area. This facilitates the entrance and exit of the thermal 

energy. 

Various models have been tried and tested on different researches for thermal conductivity for best 

fitting on their results i.e. Wattanakul et al. [41].For future work it would be a good idea to try model 

Page 81: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

69 

 

the results obtained for our specimens.  It was found that the Lewis–Nielsen model, equation (4.1), 

has good predictability  for  thermal  conductivity models  [41]. This model however does utilize  the 

size of the particles. After looking at the SEM results it was concluded that the graphite morphology 

differenced  from  the  TEM  results.  Its  particle  size  was  greatly  reduced  during  the  specimen 

preparation. Investigation is necessary on the mixed particle sizes. This is for modelling preparation. 

 

  11

  (4.1) 

where A and B are geometry  factors,    is  the volume  fraction of  filler,    is  the maximum packing 

density of filler,   is the thermal conductivity of the polymer and k the thermal conductivity of the 

compound. 

It  can  be  concluded  that  the  Graphite  makes  the  best  filler  when  focusing  on  the  thermal 

conductivity. It can also be said that the alignment was favorable for amounts of 30% and higher. It is 

recommended  to model  the  thermal  conductivity  of  aligned  particulate  composites  to  determine 

requested degrees of alignment for substantial improvements in thermal conduction. 

4.4 Valorizationstrategy

In this chapter a strategy is proposed to help choosing a compound between the many tested. To this 

end  all  the  results  are  handled  to  try  to  find  an  acceptable  formula  for  their  efficiency  to 

accommodate all  the variations and give an  idea of how well  that material will perform compared 

between the self‐made specimens.   

The experiments conducted in the material were those that heals find out the characteristics of the 

material according to the goal of the experiment. The goal of the experiment was to create a good 

composite  adhesive  material  to  be  used  a  thermal  interface  material  while  at  the  same  time 

containing self–healing and  thermal conductivity properties. This means that the three major factors 

involve to choose our material is their performance in: 

Self‐sealing for their self‐healing property 

Thermal conduction for their thermal conductivity property 

The adhesive strength for their adhesive functionality. 

The variations on the specimens will determine the variables for the quantification of the different 

materials. These are: 

The type of filler used: Aluminium, Aluminium Nitride, Boron Nitride, Copper and Graphite 

The type of Matrix: EPS70‐4SH and EPS25‐4SH. 

The volume percentage of filler present in the matrix 

The alignment of the particles 

These variables determine Table 4.4 shown below. 

Page 82: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

70 

 

Form  the  results  the  efficiency determination of each  specimen  according  to  their  three  required 

functionalities are explained. 

Cohesion recovery efficiency: To obtain the efficiency of for the cohesion recovery, which represents 

the self‐healing of the material, the next formula was used, see equation (4.2) 

  %  (4.2) 

     

Where H% is the healing recovery founded at the maximum exposed time te and tmin is the minimum 

time a specimen was healed or the time the best specimen was healed.  

Something  to  note  is  that  this  particular  efficiency  is  not  the  real  efficiency  for  all  the materials 

were % 100%. Since the healing is not linear, but is forms a curve when plotted see section 3.2, 

it greatly depends on the   when the test was stopped before complete healing. If the healing of a 

specimen  shows  a  healing  recovery  curve  similar  to  a  logarithmic  function  the  end  value  of  the 

efficiency will become really low at  % of 100 while the efficiency found will be much bigger.  

Because of the above mentioned this efficiency should be taken as a soft referential value. 

 

Adhesion recovery efficiency: To obtain this efficiency from the results the adhesive strength of all 

the specimens was normalized against the largest value found. This was the case for EPS70‐4 SH with 

20%  volume  percentage  of  Aluminium  Nitride,  its  value  will  be  called  ∗ .  The  next  formula, 

equation (4.3)   was used to calculate the efficiency for all the specimens: 

 ∗       (4.3) 

 

Where   is the maximum adhesion strength for the current specimen. 

 

Thermal recovery efficiency: To obtain these efficiency their founded conductivity values, k, where 

normalized  against  the  best  value  found,    .  This  value  belongs  to  EPS25‐4HS  +  40vol%  of 

Graphite. This makes the formula: 

      (4.4) 

 

   

Page 83: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

71 

 

All these efficiencies are separately shown on Table 4.4. 

 

EPS25  EPS70 

10%  20%  30%  40%  10%  20%  30%  40% 

Aluminum 

17  12  6  5  9  4  3  2 

21  16  4  2  38  25  2  0 

24  34  44  62  32  37  45  61 

Aluminum Nitride 

58  52  12     11  11  11    

37  51  50  ‐‐  72  100  73  ‐‐ 

20  28  40     21  30  39    

Boron Nitride 

92  42  11  8  35  15  9  7 

24  43  90  53  26  49  95  60 

18 (17)  25 (27)  37(40)  47 (56)  19  29  40  51 

Copper 

92  40        6  5       

37  22  ‐‐  ‐‐  23  26  ‐‐  ‐‐ 

29  34        31  37       

Graphite 

100  46  9  8  19  19  11  4 

35  64  72  63  91  94  33  4 

25 (25)  38 (41)  44 (75)  84 (100)  96 (86)  44 (44)  67  94 

Table 4.4 Material valorisation – Cohesion (dark grey), Adhesion (light gray) and Thermal Conductivity empirical efficiencies‐ (Aligned) 

This table only miss one detail, the desired properties a specific engineer or customer may want or 

need for the material. 

To  further  reduce  these  values  to  a  single  value  per  filler  vs.  their  volume  percentage  the  next 

equation can be used on Table 4.4. 

  ∗ ∗ ∗   (4.5) 

 

Where  a,  b  and  c  are  factors  representing  the  importance  of  their  corresponding  efficiency  for 

choosing a specimen. The next should hold: 

0 , , , 1  1 

 

   

Page 84: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

72 

 

An example of the reduction of Table 4.4  using equation (4.5) is given in Table 4.5, taking a=b=c=1/3.  

EPS25  EPS70 

0  0  0  0  0  0  0  0 

Aluminum 

                       

21  21  18  23  26  22  17  21 

                       

Aluminum Nitride 

                       

39  44  34  ‐‐  35  47  41  ‐‐ 

                       

Boron Nitride 

45  (44)  36 (37)  46 (47)  36 (39) 

           

26  31  48  39 

           

Copper  53 

                    

32  ‐‐  ‐‐  20  23  ‐‐  ‐‐ 

                    

Graphite  53 (35)  49(50)  42 (52)  52 (57)  69 (65)  52 (52) 

     

37  34 

     

Table 4.5 Example for factors a=b=c=1/3 

 

Looking at the above table EPS70 + 10%Graphite would be taken as the best choice. 

A valorisation technique was found that can be used as an indication for the most suitable material 

depending  on  the  engineering  needs  for  a  given  application.  The  accuracy  of  this  valorisation 

technique will improve with the reliability of the cohesion results.    

Page 85: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

73 

 

5 Conclusions  

Throughout  this  research  the  results  of  this  project  have  indicated  that  competitive  TIM’s  with 

adhesive properties can be synthesized to have self‐healing properties. The cohesion, adhesion and 

thermal conductivity experiments support this result. 

The  two polymer matrices used  in  this work, deriving  their  self‐healing ability  from  the  reversible 

sulfur‐sulfur  bond  formation,  both  showed  attractive  and  fast  cohesive  and  adhesive  self‐healing 

behaviour  upon  healing  to  65‐1000C.  Furthermore,  the  polymers  had  good  processability 

characteristics making it possible to create sound composite materials with loading fraction of up to 

40% inert granular particle loadings. 

From the cohesion experiments it can be concluded that Graphite and Boron Nitride both impact the 

efficiency of the self‐healing effect the  least, and are therefore the best suited fillers to be used for 

the manufacturing self‐healing TIM’s. In order to confirm these results, it is recommended to conduct 

more  test with  the  same material  configuration.  The best material  for  cohesion was  found  to be 

EPS25‐4SH‐10% Graphite  completely  recovering within  10 min  at  650C  and  EPS25‐4SH‐10% Boron 

Nitride completely recovering within 10 min at 1000C. 

There  is a maximum of adhesive strength, for non‐metallic fillers, between a volume percentage of 

15% and 30%. The adhesion  tests have  shown  that  the amount of  filler necessary  to  increase  the 

adhesive strength depends on the type of filler used. For Aluminium Nitride and Boron Nitride a filler 

content of 20% and 30% respectively have been shown to facilitate this increase. EPS70‐4SH‐20% AlN 

was the best composite with 5.44 MPa  lap hear strength followed by EPS70‐4SH‐30% BN with 5.17 

MPa lap hear strength. 

The thermal conductivity of the manufactured TIM’s  increases with the filler content. At these high 

volume contents of filler, the thermal conductivity increases even more by structuring with DEP. The 

increase in thermal conductivity, as compared to the non‐aligned samples, only occurs above 20% for 

Graphite and 30% for Boron Nitride. This makes DEP a recommended process to increase the thermal 

conductivity without having to increase the filler content of the compound. EPS25‐4SH‐40% Graphite 

had an increase of 19.1% in thermal conductivity using DEP process, while EPS25‐4SH‐40% BN had an 

increase of 19.5%. Construction of  a model of  the  thermal  conductivity  as  a  function of  the  filler 

content is recommended. The best synthesized specimen was EPS70‐4SH‐40% Graphite aligned with 

a thermal conductivity of 2.35 W/mK. 

Both  Graphite  and  Boron  Nitride  favourably  affect  the  thermal  conductivity,  self‐healing  and 

adhesive properties as TIM’s as compared to all the other investigated fillers. From the results it can 

be said  that Graphite  is  the most  favourable  filler material  to  increase  the  thermal conductivity of 

TIM’s  up  to  20%.  Higher  values  of  volume  percentages  show  that  Boron  Nitride  becomes more 

favourable. This should be corroborated with more empirical results.  

The engineering application itself should be the deciding factor on which filler to use since Graphite 

is an electrical conductor while Boron Nitride is an insulator. 

 

Page 86: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

74 

 

References 

1.  Lafont, U., H.v. Zeijl, and S.v.d. Zwaag, Increasing the reliability of Solid State Lighting systems via self‐healing approaches: a review. 

2.  Chung,  D.D.L.,  Thermal  Interface  MAterials.  Journal  of  Materials  Engineerin  and Performance, 2000. 10(1): p. 4. 

3.  deSorgo, M.  Thermal  Interface Materials.    1996;  Available  from:  http://www.electronics‐cooling.com/1996/09/thermal‐interface‐materials‐2/. 

4.  Narumanchi, S., et al., Thermal Interface Materials for Power Electronics Applications. 2008. 

5.  Kaveh, A., Advances in Thermal Interface Materials (TIMs). Qpedia, 2011. V(III). 

6.  Eisenberg, A., B. Hird, and R.B. Moore, A New Multiplet‐Cluster Model for the Morphology of Random Ionomers. Macromolecules, 1990. 23: p. 18. 

7.  Hager, M.D., et al., Self‐Healing Materials. Advanced Materials, 2010. 22(47): p. 5424–5430. 

8.  Zwaag, S.v.d., Self Healing materials  : An alternative Approach to 20 Centuries of Materials Science, ed. J.H.W. Robert Hull; Jüegen Parisi; R.M.Osgood. 2007: Springer. 

9.  Moreno  Belle,  C.,  Literature  research:  Self‐healing  on micro‐  and  optoelectronic  interface materials with conductive properties. 2012. 

10.  Brochu,  A.B.W.,  S.L.  Craig,  and  W.M.  Reichert,  Self‐healing  biomaterials.  Journal  of Biomedical Materials Research Part A, 2011. 96A(2): p. 492‐506. 

11.  White,  S.R.,  et  al., Autonomic healing of polymer  composites. Nature, 2001. 409(6822): p. 794‐797. 

12.  Blaiszik, B.J., et al., Self‐Healing Polymers and Composites. The Annual Review of Materials Research, 2010. 40: p. 33. 

13.  Yoshie, N., et al., Thermo‐responsive mending of polymers crosslinked by thermally reversible covalent  bond:  Polymers  from  bisfuranic  terminated  poly(ethylene  adipate)  and  tris‐maleimide. Polymer Degradation and Stability, 2010. 95(5): p. 826‐829. 

14.  Pasparakis, G. and M. Vamvakaki, Multiresponsive polymers: nano‐sized assemblies, stimuli‐sensitive gels and smart surfaces. Polymer Chemistry, 2011. 2(6): p. 1234‐1248. 

15.  Friese,  V.A.  and  D.G.  Kurth,  Soluble  dynamic  coordination  polymers  as  a  paradigm  for materials science. Coordination Chemistry Reviews, 2008. 252(1–2): p. 199‐211. 

16.  Park, J.S., et al., Multiple healing effect of thermally activated self‐healing composites based on Diels‐Alder reaction. Composites Science and Technology, 2010. 70(15): p. 2154‐2159. 

17.  He, Y., B. Zhu, and Y. Inoue, Hydrogen bonds in polymer blends. Progress in Polymer Science, 2004. 29(10): p. 1021‐1051. 

18.  Dumé, B.  Law‐breaking  liquid  defies  the  rules.    2004;  Available  from: http://physicsworld.com/cws/article/news/20325. 

19.  Varley,  R.J.  and  S.  van  der  Zwaag,  Towards  an  understanding  of  thermally  activated  self‐healing of an  ionomer system during ballistic penetration. Acta Materialia, 2008. 56(19): p. 5737‐5750. 

Page 87: Self‐Healing in Thermal Interface Materialsexperta-benelux.com/Application Notes/Self‐Healing in Thermal... · Self‐healing polymers based on reversible chemistry may offer

75 

 

20.  Kalista,  S.J.,  T.C. Ward,  and  Z. Oyetunji,  Self‐Healing  of  Poly(Ethylene‐co‐Methacrylic Acid) Copolymers Following Projectile Puncture. Mechanics of Advanced Materials and Structures, 2007. 14(5): p. 391‐397. 

21.  Multiplet, Virginia Polytechnic Institute and State University. 

22.  Chen, J.C., H.-I. Lee, and D. Visioli. Soft and Flexible Ionomer with Good Scratch Resistance. Available from: http://www.spe‐stx.org/Newsletters/SPEApr11ExtruderNews/index.htm. 

23.  Anslyn,  E.V.  and  D.A.  Dougherty,  Modern  Physical  Organic  Chemistry.  2005:  University Science Books. 

24.  Montarnal,  D.,  et  al.,  Silica‐Like Malleabble materials  from  Permanent  organic  Networks. Science, 2011. 334. 

25.  Canadell,  J.,  H.  Goossens,  and  B.  Klumperman,  Self‐Healing Materials  Based  on  Disulfide Links. Macromolecules, 2011. 44(8): p. 2536‐2541. 

26.  PARKER, A.J. and N. KHARASCH, THE SCISSION OF THE SULFUR‐SULFUR BOND. 1959. 

27.  Ende, D.A.v.d., et al.,  Improving  the d[sub 33] and g[sub 33] properties of 0‐3 piezoelectric composites by dielectrophoresis. Journal of Applied Physics, 2010. 107(2): p. 024107. 

28.  Kua, C.H., et al., Review of bio‐particle manipulation using dielectrophoresis. 2004. 

29.  Lei, U. and Y.J. Lo, Review of the theory of generalised dielectrophoresis. IET Nanobiotechnol, 2011. 5(3): p. 86. 

30.  Ende, D.v.d., Structured Piezoelectrtic Composites: Materials and Aplplications. 2012. 

31.  Ltd, S.C.D.P. Finite Element Analysis of Adhesive Bondlines Using Spring Elements. Available from: http://www.structuralcd.com.au/past‐projects/fea‐of‐adhesive‐bondlines.php. 

32.  Technologies,  C.‐T.  C‐Therm  TCi  Available  from: http://www.ctherm.com/products/tci_thermal_conductivity/. 

33.  Chemicals, A.N.F., Product Data Sheet Thioplast™ EPS 25. 2009. 

34.  Chemicals, A.N.F., Product Data Sheet Thioplast™ EPS 70. 2010. 

35.  Biceranoa,  J.,  J.F. Douglasb,  and D.A. Brunea, Polymer Reviews: Model  for  the Viscosity  of Particle Dispersions. J.M.S.—REV. MACROMOL. CHEM. PHYS., 1999. C39(4). 

36.  Moran, M.J., Engineering Thermodynamics. 1999: CRC Press LLC. 

37.  Hanemann,  T.,  Influence  of  particle  properties  on  the  viscosity  of  polymer–alumina composites. Ceramics International, 2008. 34(8): p. 2099‐2105. 

38.  Huveners, E.M.P., et al., Mechanical shear properties of adhesives. Glass performance days, 2007. 

39.  Akabori,  K.‐I.,  et  al.,  Relation  between  the  adhesion  strength  and  interfacial  width  for symmetric polystyrene bilayers.  Journal of Polymer  Science Part B: Polymer Physics, 2006. 44(24): p. 3598‐3604. 

40.  Knor,  G.,  Experimental  values  of  thermal  conductivity,  T.  conductivity.svg,  Editor.  2010, wikipedia. 

41.  Wattanakul,  K.,  H.  Manuspiya,  and  N.  Yanumet,  Thermal  conductivity  and  mechanical properties of BN‐filled epoxy composite: effects of  filler content, mixing conditions, and BN agglomerate size. Journal of Composite Materials. 45(19): p. 1967‐1980.