CN102372927A

CN102372927A - 导热性复合材料

Info

Publication number: CN102372927A
Application number: CN2010102541988A
Authority: CN
Inventors: 廖福森; 许仁勇; 章明松
Original assignee: China Steel Corp
Current assignee: China Steel Corp
Priority date: 2010-08-12
Filing date: 2010-08-12
Publication date: 2012-03-14

Abstract

一种导热性复合材料。该导热性复合材料包含一种聚合物基材以及一种导热性无机粉末填充物。导热性无机粉末填充物散布在聚合物基材中。其中，导热性无机粉末填充物包含复数个无机粉末颗粒，且每一个无机粉末颗粒包含至少一个孔洞结构。

Description

导热性复合材料

发明所属之技术领域

本发明涉及一种复合材料，且特别是涉及一种导热性复合材料。

先前技术

随着科技的日新月异，电子与光电产品均朝轻、薄、短、小与高功率的趋势发展。如此的发展将使得电子与光电产品的发热密度随之提高，因而电子与光电产品对于散热的需求也大幅增加。

目前，由于聚合物材料具有易于加工成型的优点，因此广泛地应用来制作电子与光电产品的零部件。然而，聚合物材料的导热性通常不好。因此，采用聚合物材料来制作这些产品的零部件时，一般是将导热性好的粉末掺入聚合物材料中，以熔融混合成具有较好的散热效果的复合材料。

一般而言，所添加的导热性粉末的量需足够，所形成的导热性复合材料才能提供良好的导热效果。然而，一般常用的导热性粉末的价格高。而且，聚合物材料与这些导热性粉末之间通常兼容性低，在外力冲击下，裂缝容易沿着聚合物材料与导热性粉末之间的接口传递。因此，添加的粉末的量越多，不仅会增加导热性复合材料的制作成本，更由于粉末与聚合物材料之间的接口面积增加，而使得导热性复合材料的材料特性越脆，耐冲击强度大幅下降。

发明内容

因此，本发明的一种特定方式是提供一种导热性复合材料，可在不增加导热性粉末的添加量下，提高导热性复合材料的导热性，进而可有效地扩展导热性复合材料的应用性。

本发明的另一特定方式是提供一种导热性复合材料，其导热性粉末填充物的无机粉末颗粒具有孔洞结构，因此其无机粉末颗粒之间具有高接触面积，因而可提高导热性粉末填充物的导热效能，进一步有效地提高导热性复合材料的导热性能。

本发明的又一特定方式是提供一种导热性复合材料，由于其导热性无机粉末颗粒具有孔洞结构，聚合物材料与导热性无机粉末在高温熔融混炼，而在后续的降温期间，受到聚合物材料热收缩程度较大的影响，聚合物材料会渗入导热性无机粉末颗粒的孔洞结构中。因此，聚合物材料与导热性无机粉末可紧密结合，进而可大幅度地提高导热性复合材料的韧性。

根据本发明的上述目的，提出了一种导热性复合材料，其包含一种聚合物基材以及一种导热性无机粉末填充物。该导热性无机粉末填充物散布在聚合物基材中。其中，该导热性无机粉末填充物包含复数个无机粉末颗粒，且每一个无机粉末颗粒包含至少一个孔洞结构。

依据本发明的一个实施例，上述聚合物基材的材料可选自由聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯硫醚、液晶聚合物、上述材料的衍生共聚合物以及上述材料的任意组合所组成的组。

依据本发明的另一实施例，上述聚合物基材的材料可选自由环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯、聚脲酯树脂、硅橡胶、上述材料的化合衍生物以及上述材料的任意组合所组成的组。

依据本发明的又一实施例，上述聚合物基材的含量为5～80体积％，而导热性无机粉末填充物的含量为20～95体积％。

依据本发明的再一实施例，上述导热性无机粉末填充物的材料选自由氧化铝、氮化铝、氮化硼、碳化硅、氧化锌及上述材料的任意组合所组成的组。

依据本发明的再一实施例，上述导热性无机粉末填充物的材料选自由铝粉、铜粉、镍粉、石墨及上述材料的任意组合所组成的组。

依据本发明的再一实施例，上述无机粉末颗粒是由一种原生粉末经预烧结处理所形成的，这些无机粉末颗粒的平均粒径为原生粉末颗粒的平均粒径的2～10倍。

依据本发明的再一实施例，上述导热性无机粉末填充物的材料为氧化铝，且该导热性无机粉末填充物的密度介于2.0与3.5之间。

实施方式

一般而言，导热性复合材料是由聚合物材料与导热性无机粉末经熔融混制而成的。由于聚合物材料通常是热的不良导体，因此导热性无机粉末在聚合物材料中的分散与接触情况是影响导热性复合材料的导热性的主要因素。本发明人发现，在导热性复合材料中，导热性无机粉末颗粒之间的接触点越多，甚至彼此之间形成网络，导热性复合材料的热传导性则越好。但散布在聚合物材料中的导热性无机粉末颗粒之间的接触大多属于单点接触，因此热传导效果普遍不好。

有鉴于此，本发明的一种实施方式采用融合多个导热性无机粉末的方式，使原生颗粒融接在一起，藉此提高原生颗粒之间的接触面积。如此一来，可在不增加导热性无机粉末的添加重量的情况下达到提高导热性无机粉末的效用的目的。

请参照图1，其描绘示出了依照本发明的一种实施方式的一种导热性复合材料的剖面示意图。在本发明的一种实施方式中，在制作导热性复合材料100的导热性无机粉末填充物108的无机粉末颗粒104时，可先提供一般市售的导热性无机粉末。再于高温下对这些导热性无机粉末进行预烧结处理，使导热性无机粉末内的原生颗粒有部分区域与其它原生颗粒融接在一起，而形成具有孔洞结构的块状材料。将该具有孔洞结构的块状结构进行破碎与研磨，即可得到无机粉末颗粒104。

因此，经预烧结作业后所形成的无机粉末颗粒104的尺寸大于原生粉末颗粒的尺寸。在一实施例中，无机粉末颗粒104的平均粒径可为原生粉末颗粒的平均粒径的2～10倍。

在一实施例中，构成导热性无机粉末填充物108的无机粉末颗粒104的导热性无机粉末，其材料可为绝缘材料。此时，导热性无机粉末的材料可例如选自由氧化铝、氮化铝、氮化硼、碳化硅、氧化锌及上述材料的任意组合所组成的组。藉由采用绝缘导热性无机粉末，所制作而成的导热性复合材料100可应用在光电与电子产品上，例如马达线圈的绕线架、散热鳍片等。如此，可有效地扩展导热性复合材料100的应用范围。

在另一实施例中，构成导热性无机粉末填充物108的无机粉末颗粒104的导热性无机粉末，其材料可为非绝缘性材料。此时，导热性无机粉末的材料可例如选自由铝粉、铜粉、镍粉、石墨及上述材料的任意组合所组成的组。

在又一实施例中，构成导热性无机粉末填充物108的无机粉末颗粒104的导热性无机粉末，其可为由非绝缘性的金属粉末与绝缘性粉末所组成的复合粉末。此时，导热性无机粉末填充物108的无机粉末颗粒104是由金属粉末与绝缘性粉末共同经预烧结过程所融接而成的。在一例子中，金属粉末的材料可例如选自由铝粉、铜粉、镍粉及上述材料的任意组合所组成的组；而绝缘性粉末的材料可例如选自由氧化铝、氮化铝、氮化硼、碳化硅、氧化锌及上述材料的任意组合所组成的组。

由于无机粉末颗粒104是在预烧结过程中由原生粉末颗粒融接而成的，因此无机粉末颗粒104包含一个或多个孔洞结构106。在原生粉末颗粒经预烧结处理形成无机粉末颗粒104后，可增加无机粉末颗粒104内的原生粉末颗粒之间的接触面积，进一步可提高无机粉末颗粒104的导热效能。因此，可在不增加导热性粉末的添加量下，提高导热性复合材料的导热性。

由于无机粉末颗粒104经烧结后，包含至少一个孔洞结构106，因此无机粉末颗粒104的密度较原生粉末颗粒的密度低。例如，当导热性无机粉末填充物108的无机粉末颗粒104的材料为氧化铝时，导热性无机粉末填充物108的密度可例如介于2.0与3.5之间。

接着，提供聚合物基材102的材料。其中，该聚合物基材102包含一种或多种聚合物材料。在一实施例中，聚合物基材102的材料可以是塑料。该塑料材料可例如选自由聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯硫醚(PPS)、液晶聚合物(LCP)、上述材料之衍生共聚合物、及上述材料的任意组合所组成的组。

在另一实施例中，聚合物基材102的材料可以是低分子量的聚合物组分，例如聚合物的单体或低聚物。此低分子量的聚合物组分可例如选自由环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯、聚脲酯树脂、硅橡胶、上述材料的化合衍生物以及上述材料的任意组合所组成的组。

接下来，将导热性无机粉末填充物108的无机粉末颗粒104与聚合物基材102的材料熔融混炼。在一实施例中，导热性复合材料100中的聚合物基材102的含量可为5～80体积％，而导热性无机粉末填充物108的含量则可为20～95体积％。

在一例子中，当聚合物基材102的材料为塑料时，使导热性无机粉末填充物108散布于聚合物基材102中时，先将无机粉末颗粒104与塑料材料在高温下进行熔融混炼，再将聚合物基材102的材料与无机粉末颗粒104混炼而成的混合物降温至室温，即完成导热性复合材料100的制作。

在另一例子中，当聚合物基材102的材料为低分子量的聚合物组分时，可根据聚合物材料的熔化温度的高低，在一适当温度下进行聚合物基材102的材料与导热性无机粉末填充物108的混合。再于较混合时温度更高的温度下，使该混合物中的低分子量的聚合物组分进行交联反应。或者，以电子束、伽马射线、紫外(UV)光或其它方式，来使聚合物组分进行交联反应。如此，即可形成热固性聚合物导热材料或橡胶导热材料，而完成导热性复合材料100的制作。

由于无机粉末颗粒104包含至少一个孔洞结构106，受聚合物基材102的材料热收缩程度较大的影响，聚合物基材102的材料会渗入无机粉末颗粒104的孔洞结构106中。如此一来，可使得聚合物基材102与无机粉末颗粒104紧密结合，因而可大幅度地提高导热性复合材料100的韧性。

下表1为本发明的三个实施例与四个比较实施例的实施情形与导热和耐冲击强度的结果。

表1

从表1的实施例1与比较实施例1、实施例3与比较实施例4可发现，如果将一般市售的导热粉末经过预烧结与粉碎处理后，可制作出粒径较大且具有孔洞结构的导热性粉末。利用具有孔洞结构的导热性粉末所制作的导热性复合材料，导热效果较好，如实施例1与实施例3的导热性复合材料。如实施例1与实施例3的结果更可知，当导热性无机粉末的添加量较高时，使用具有孔洞结构的导热性无机粉末对于提高导热性复合材料的热传导效果更加显著。

此外，由表1的实施例2、比较实施例2与比较实施例3可知，当具有孔洞结构的导热性无机粉末的粒径太大时，导热性复合材料的导热效果反而不明显。因此，在利用具有孔洞结构的导热性无机粉末来制作导热性复合材料时，需适当选择导热性无机粉末的粒径。

由上述本发明的实施方式可知，本发明的一个优点是本发明的导热性复合材料可在不增加导热性粉末的添加量下，提高导热性复合材料的导热性，进而可有效地扩展导热性复合材料的应用性。

由上述本发明的实施方式可知，本发明的另一优点是本发明的导热性复合材料的导热性粉末填充物的无机粉末颗粒具有孔洞结构，因此无机粉末颗粒之间具有高接触面积，因而可提高导热性粉末填充物的导热效能，进一步有效提高导热性复合材料的导热性能。

由上述本发明的实施方式可知，本发明的又一优点是导热性复合材料的导热性无机粉末颗粒具有孔洞结构，聚合物材料与导热性无机粉末在高温熔融混炼，而在后续的降温期间，受到聚合物材料热收缩程度较大的影响，聚合物材料会渗入导热性无机粉末颗粒的孔洞结构中。因此，聚合物材料与导热性无机粉末可紧密结合，进而可大幅度地提高导热性复合材料的韧性。

虽然如上已以实施例举例说明了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何在此技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种改变与修饰，因此本发明的保护范围应当以后附的权利要求书所界定的范围为准。

附图的简要说明

为了让本发明的上述和其它目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，列附图说明如下：

图1是描绘示出依照本发明的一种实施方式的一种导热性复合材料的剖面示意图。其中主要组件与图中符号对应如下：

100：导热性复合材料 102：聚合物基材

104：无机粉末颗粒 106：孔洞结构

108：导热性无机粉末填充物

Claims

1.一种导热性复合材料，包含：

一种聚合物基材；以及

一种导热性无机粉末填充物，其散布在该聚合物基材中，其中所述的导热性无机粉末填充物包含复数个无机粉末颗粒，且每一个无机粉末颗粒包含至少一个孔洞结构。

2.如权利要求1所述的导热性复合材料，其中所述的聚合物基材包含至少一种聚合物材料。

3.如权利要求1所述的导热性复合材料，其中所述的聚合物基材的材料选自由聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲醇乙二醇酯、聚苯硫醚、液晶聚合物、上述材料的衍生共聚合物以及上述材料的任意组合所组成的组。

4.如权利要求1所述的导热性复合材料，其中所述的聚合物基材的材料选自由环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯、聚脲酯树脂、硅橡胶、上述材料的化合衍生物及上述材料的任意组合所组成的组。

5.如权利要求1所述的导热性复合材料，其中所述的聚合物基材的含量为5～80体积％，所述导热性无机粉末填充物的含量为20～95体积％。

6.如权利要求1所述的导热性复合材料，其中所述的导热性无机粉末填充物的材料选自由氧化铝、氮化铝、氮化硼、碳化硅、氧化锌及上述材料的任意组合所组成的组。

7.如权利要求1所述的导热性复合材料，其中所述的导热性无机粉末填充物的材料选自由铝粉、铜粉、镍粉、石墨及上述材料的任意组合所组成的组。

8.如权利要求1所述的导热性复合材料，其中所述的无机粉末颗粒是由一种原生粉末经预烧结处理所形成的，所述的无机粉末颗粒的平均粒径是该原生粉末的颗粒的平均粒径的2～10倍。

9.如权利要求1所述的导热性复合材料，其中所述的导热性无机粉末填充物的材料是氧化铝，并且所述导热性无机粉末填充物的密度介于2.0与3.5之间。

10.如权利要求1所述的导热性复合材料，其中所述的导热性无机粉末填充物的材料是由一种金属粉末与一种绝缘性粉末所组成的一种复合粉末，其中所述的金属粉末的材料选自由铝粉、铜粉、镍粉及上述材料的任意组合所组成的组，且该绝缘性粉末的材料选自由氧化铝、氮化铝、氮化硼、碳化硅、氧化锌及上述材料的任意组合所组成的组。