CN102482092A - 具有不为金属的添加剂的含碳基质 - Google Patents

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CN102482092A
CN102482092A CN2010800250168A CN201080025016A CN102482092A CN 102482092 A CN102482092 A CN 102482092A CN 2010800250168 A CN2010800250168 A CN 2010800250168A CN 201080025016 A CN201080025016 A CN 201080025016A CN 102482092 A CN102482092 A CN 102482092A
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Z·雅尼弗
江南
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Abstract

本发明提供了一种物质组合物，其包含含碳基质。所述含碳基质可包含选自石墨晶碳材料、碳粉、碳纤维、人造石墨粉、或其组合的至少一种类型的碳材料。此外，所述含碳基质包含多个孔隙。所述物质组合物还包含压力布置在所述多个孔隙的至少一部分内的不为金属的添加剂。

Description

具有不为金属的添加剂的含碳基质
优先权要求和相关申请的交叉引用
本申请要求2010年6月3日提交的美国非临时申请序列号12/793,656的优先权并与之相关，其通过引用并入本文中。
于2010年6月3日提交的美国非临时申请序列号12/793,656要求2009年6月5日提交的美国临时申请序列号61/184,549的优先权并与之相关，其通过引用并入本文中。
背景技术
本申请涉及用不为金属的添加剂填充含碳基质的孔隙以增强所得碳添加剂复合材料的物理性能和热性能。
发明内容
本发明的物质组合物包含含碳基质。含碳基质可包含至少一种类型的碳材料，例如石墨晶碳材料、碳粉、和人造石墨粉、碳纤维、或其组合。含碳基质可形成为块、布、片或板。含碳基质还可以是无定形的。此外，含碳基质具有多个孔隙。所述物质组合物还具有压力布置在多个孔隙的至少一部分内的不为金属的添加剂。添加剂可包括材料如聚氨酯、环氧树脂、尼龙、Si、SiC、C、及其组合。此外，布置在含碳基质的孔隙内的不为金属的添加剂将改善碳添加剂复合材料的柔性和强度。例如，所述物质组合物的弯曲强度可在3.5MPa到10.0MPa范围内。
添加剂可通过化学反应布置在含碳基质的孔隙中。例如，可在所述孔隙内布置一种或多种前体，所述一种或多种前体将与含碳基质的碳反应以形成所述不为金属的添加剂。可施加压力和/或热以引发一个或多个基于所述一种或多种前体在含碳基质的孔隙内布置添加剂的反应。
在一些情况下，所述一种或多种前体不为金属。此外，前体可以是聚合物，例如聚硅氧烷、聚氨酯、环氧树脂、尼龙、或其混合物。前体还可以是SiH4气。当前体为含Si材料时，布置在含碳基质的孔隙内的添加剂可包括SiC。布置在含碳基质的孔隙内的SiC可改善碳添加剂复合材料的强度、柔性和热导性。前体还可包括热导性添加剂如碳纳米管、微粒石墨、石墨烯片、C60(巴克明斯特富勒烯)、及其组合以提高所述不为金属的添加剂的热导率。在一些情况下，前体可包括金属性的热导性添加剂如纳米微粒金属、碳-金属复合材料粉末、或其组合。
附图说明
以下结合附图描述具体实施方式。在附图中，附图标记的最左边的数字标识该附图标记在其中首次出现的附图。在整个附图中，同样的特征和要素使用相同的标记。
图1A和1B示出了较高质量针状焦炭和较低质量焦炭的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图2示出了粗石墨颗粒结构和细石墨颗粒结构的SEM图像。
图3为示出了示例性含碳基质的制备方法的流程图。
图4示出了含碳基质的透射电子显微镜(TEM)图像。
图5A和5B示出了含碳基质的纳米石墨板的其他TEM图像。
图6A和6B示出了含碳基质的TEM衍射图和图像。
图7示出了在含碳基质的孔隙内布置不为金属的添加剂的方法的流程图。
图8A-8C示出了在含碳基质的孔隙内布置硅脂前后含碳基质的显微镜照片。
图9A和9B示出了可采用碳添加剂复合材料的传热装置。
图10示出了含热导性添加剂的聚合物的应用。
图11示出了通过含热导性添加剂的聚合物的传热。
具体实施方式
热导率可基于三大贡献：电子、声子和磁。总的热导率(式1)可写作各个贡献项的和：
k总＝k电子+k声子+k磁        式1
第一贡献k电子归因于材料间的电子-电子相互作用。经由电子-电子相互作用的能量转移是晶体结构内共用电子的直接效果。第二术语k声子与声子耦合有关。声子是晶体结构内的晶格振动。这些晶格振动可通过材料传播而转移热能。具有规则的晶格结构的高度有序材料将比区域规则性的或非晶的材料更高效地转移能量。对热导率的第三贡献k磁依赖于磁相互作用。通过磁相互作用增加的能量转移可归因于排成直线的电子自旋和所产生的自旋间耦合。
复合材料(例如材料A和材料B的复合材料)的热特性可能受到材料A的晶粒和材料B的晶粒间的界面的质量和性质的影响。特别地，形成复合材料的界面的质量可能受到如下因素的影响：材料A和材料B的晶粒间声子耦合和声子传播的质量；改变界面性质并改变界面处热阻抗的预期值的AxBy化合物的产生；和A和B的晶粒的界面处的粘合强度，其中所述粘合强度可不仅影响复合材料的热性能而且影响复合材料的最终机械强度。
可使用热管理材料自产热装置散热。特别地，当暴露于某些热量时，一些装置可能不能正确发挥作用或者可能被破坏。因此，可使用热管理材料作为装置如计算机芯片、发光二极管(LED)封装、太阳能电池板、高负荷电容器和高负荷半导体的散热器和均热器。
一些具有高热导率的热管理材料自具有高结晶有序度的含碳基质形成。所述含碳基质可通过在高压和高温下压缩碳质材料而产生。所述含碳基质可以是刚性的并多孔，具有大表面积。所述含碳基质的孔隙尺寸可在数毫米到数纳米范围内。除具有高热导率外，所述含碳基质还可以是导电的。
在一些情况下，含碳基质的孔隙可通过于高压下向孔隙中注入熔融金属如Al、Mg、Cu和Ni加以填充。所得碳-金属复合材料是刚性的。此外，注入孔隙中的金属可能不具有良好的被含碳基质的碳所润湿的可润湿性。因此，含碳基质和金属间的界面可能有大量断裂面，从而产生脆性的碳-金属复合材料。因此，碳-金属复合材料的实用性在需要可适形于非规则和非平面表面的柔性热管理材料的应用中受到限制。此外，碳-金属复合材料在热管理材料暴露于可能使碳-金属复合材料开裂的振动的应用中受到限制。
本发明的碳添加剂复合材料包括在至少一部分孔隙内布置了不为金属的添加剂的多孔含碳基质。基于布置在含碳基质的孔隙内的添加剂的性质，本发明的碳添加剂复合材料具有改进的物理性能和提高的柔性。例如，一些添加剂可比其他添加剂更多地提高弯曲强度。此外，布置在含碳基质的孔隙内的添加剂可改善碳添加剂复合材料的热性能。本发明的碳添加剂复合材料还可以是导电的以提供一些静电放电防护并还提供射频(RF)噪声的接地。
可在布置在含碳基质的孔隙内的前体与含碳基质的碳之间引发化学反应。在一些情况下，化学反应可通过提高含碳基质和前体的压力和/或温度来起动。特别地，可使用高压浸渍反应(HPIR)方法来在含碳基质的孔隙内布置不为金属的添加剂。HPIR方法的温度低于向含碳基质的孔隙中注入金属所用的温度。因此，填充含碳基质的孔隙的成本降低。
此外，可使用低熔点前体来产生所需的对含碳基质具有提高的亲和性的不为金属的添加剂，从而因添加剂/碳界面处提高的声子耦合和传播而使得热导率提高。此外，含碳基质的孔隙可被填充自低熔点前体的化学反应形成的不为金属的高熔点添加剂。因此，通过经由化学反应在含碳基质的孔隙中布置添加剂，能量得以保存、成本得以降低，这与用液体形式的添加剂填充含碳基质的孔隙不同，因为反应可在低于添加剂熔点的温度下进行。
含碳基质的石墨碳可基于工业焦炭产品。该残碳可源自天然来源或源自例如煤和石油工业中的炼制工艺。在一些示例性的实施方案中，可采用源自石油产品的较高质量针状焦炭来形成含碳基质。图1A示出了较高质量针状焦炭的扫描电子显微镜(SEM)图像，图1B示出了较低质量焦炭的SEM图像，二者构成对比。还可向针状焦炭中加入沥青/焦油以主要起到粘结剂的作用，其将在2600℃或更高、通常3200℃到3600℃的温度下加热的过程中变为石墨碳。石墨原材料可包括平均粒度在0.2mm到2mm范围内的粗石墨颗粒和细石墨颗粒。在一些情况下，约10％的颗粒具有椭圆样形状。图2在标记为“a”的图中示出了粗颗粒结构的SEM图像，在标记为“b”的图中示出了细颗粒结构的SEM图像，其中椭圆样颗粒以箭头表示。
图3为显示含碳基质的制备方法300的流程图。在310处，将原材料混合在一起。混合过程中可使用三种原材料——石油焦炭、针状焦炭、焦油(液体)或其组合。可使用针状焦炭来控制含碳基质的形状和降低最终含碳基质的电阻率。也可使用液体焦油来控制碳块的形状和填充含碳基质的孔隙。将石油焦炭和针状焦炭以约10∶1的比率破碎并混合，但也可使用不同的比率。然后使混合物在约500℃或更高的温度下经受煅烧过程以蒸发杂质如硫。然后向混合物中计量加入液体焦油。也可使用针状焦炭和焦油而无石油焦炭地制备含碳基质，因为针状焦炭比石油焦炭具有更高的碳含量、更低的硫含量、更低的热膨胀系数、更高的热导率并更易于形成。
在320处，方法300包括确定含碳基质中散热的方向。例如，当含碳基质用挤出工艺制备时，含碳基质可在Z-方向上更快地散热。在另一实例中，当含碳基质用高压模压机制备时，含碳基质可在XY方向上更快地散热。当指定沿XY方向散热时，则方法300移至330，在这里，含碳基质通过将原材料置于压力高于50MPa的高压模压机中形成。另外，当指定沿Z方向散热时，则方法300移至340。
在340处，向挤出工艺中供给石油焦炭、针状焦炭和/或焦油的原材料混合物以形成基于制备含碳基质所用模具的形状和尺寸的碳块。在一个示例性的实施方案中，碳模具可以是圆柱形的，直径约700mm，长度约2700mm，重量至少约1吨。但模具的尺寸可基于加工设施的容量而变。挤出工艺可在500℃到800℃的温度下进行。将混合物压成柱形所用的力为约3500吨，施加约30分钟。在一些情况下，挤出的碳块可用高压模压机加工。然后将碳块转移到冷却水浴中使其冷却以防止开裂。
在350处，烘焙碳块。烘焙工艺可在高温下碳化焦油并消除挥发性组分。在一些情况下，将碳块从冷却浴输送到烘箱并在约1600℃的温度下加热。可将碳块烘焙2-3天的持续时间。烘焙工艺后，碳块的表面可能变得更粗糙和多孔。此外，碳块的直径可减小约10mm。
在360处，通过在3200℃到3600℃的温度下加热碳块进行石墨化。在一些实施方案中，石墨化从约2600℃开始，较高质量的石墨在约3200℃下形成。特别地，在约3000℃下，碳块的石墨板的堆叠可变得平行且湍层无序减少或消除。在一些情况下，如果加热在较高的压力下进行，可将碳块加热至较低的温度以产生结晶石墨。可将碳块加热约2-3天。在加热过程中，碳块的硫和挥发性组分可减少或完全消除。
在370处，检查碳块并机械加工成所需的形状。例如，可在下一生产阶段之前测试碳块的电性能并检查机械开裂或可视觉识别的缺陷。在测试后，然后可按碳块的用途将含碳基质机械加工成特定的形状。
含碳基质可包括各种形式的碳和痕量的其他物质。例如，含碳基质可包括石墨晶碳材料、碳粉、人造石墨粉、碳纤维或其组合。含碳基质块的密度可在1.6g/cm3到1.9g/cm3范围内。此外，碳块的电阻率可在4μΩm到10μΩm范围内。在一些情况下，含碳基质的电阻率为约5μΩm。碳块较低的电阻率可指示更好的含碳基质石墨层排列，其还可提供更高的热导率。
图4示出了含碳基质的透射电子显微镜(TEM)图像。图4的TEM图像说明了尺寸小于约100nm的石墨板的堆叠的形成。图4示出了厚度为约50nm的石墨板的一个具体实例。高热导率方向为沿图4的箭头所示的长轴。
图5A和5B示出了含碳基质的纳米石墨板(标记为“NGP”)的其他TEM图像。所述板大体上在挤出方向上(图5A)和压制方向上(图5B)取向。纳米石墨板的有序堆叠可促进板的长轴方向上的高效传热。图5A和5B还示出了纳米空隙(标记为“NV”)和纳米狭缝(标记为“NS”)，其是使用基于碳的颗粒的制备过程的人为现象。图5A和5B表明纳米空隙的厚度为约70nm、纳米狭缝的厚度为约30nm。
图6A和6B示出了含碳基质的TEM衍射图和图像。图6A的TEM衍射图和图6B的TEM图像表明了挤出过程中形成的含碳基质的结晶性和石墨性质。特别地，图6A示出了当电子与石墨材料的晶格相互作用时产生的衍射图。此外，图6B示出了石墨板的晶格结构。
图7示出了用不为金属的添加剂填充具有大量孔隙704的含碳基质702的方法700的流程图。含碳基质702可形成为块、板、片或布。此外，含碳基质702可以是无定形的。在706处，清洗含碳基质702并测定含碳基质702的物理和热性能。例如，含碳基质702可用N2枪清洗。在一些情况下，含碳基质702可以是通过图3的方法300产生的含碳基质。
在708处，将含碳基质702置于容器710(例如反应器压机的模具)中，在712处，将添加剂前体714置于容器710中。添加剂前体714可以是固体、液体或气体。添加剂前体714也可以是非金属。例如，添加剂前体714可包括聚硅氧烷(例如硅脂、硅油)、环氧树脂、聚氨酯、尼龙和SiH4气。
在716处，向添加剂前体714和含碳基质702施加压力和/或热的形式的能量。例如，可向添加剂前体714和含碳基质702应用冲模718。向添加剂前体714和含碳基质702施加的压力可在0psi到22000psi范围内。在一些示例性的实施方案中，当添加剂前体714为液体或固体聚合物时，向添加剂前体714和含碳基质702施加的压力高于500psi。在其他示例性实施方案中，当添加剂前体714为气体时，向添加剂前体714和含碳基质施加的压力可低于500psi，例如部分真空。
此外，通过冲模718施加压力的时间可在5分钟到60分钟范围内。向添加剂前体714和含碳基质702施加的温度可在800℃到1000℃范围内。在一些情况下，添加剂前体714的反应性可影响向容器710中的添加剂前体714和含碳基质702施加的压力和/或温度。例如，当添加剂前体714为短链聚合物或气体时，可施加较低的压力和/或温度，而当添加剂前体714为长链聚合物或固体时，可施加较高的压力和/或温度。
在向含碳基质702和添加剂前体714施加压力和/或温度的同时，添加剂前体714可填充含碳基质702的孔隙704的至少一部分。此外，可发生化学反应并可在含碳基质702的孔隙704内形成一种或多种添加剂终产物(如添加剂722)以产生碳添加剂复合材料720。添加剂722不为金属。含碳基质702的孔隙704的至少一部分被填充添加剂722。此外，含添加剂722的孔隙704的体积可被至少部分填充添加剂722。在一些情况下，添加剂前体714的粘度可影响布置在孔隙704内的添加剂722的量。例如，具有较高粘度的添加剂前体714(如SiH4气或硅油)可在孔隙704上提供添加剂722的薄涂层，从而限制布置在孔隙704中的添加剂722的量。具有较高粘度的其他添加剂前体714(如环氧树脂、尼龙和硅脂)可填充孔隙704的较大体积。此外，向含碳基质702和添加剂前体714施加的压力和/或温度以及施加压力和/或温度的时间的量可影响布置在孔隙704内的添加剂722的量。
当添加剂前体714包括Si时，添加剂前体714的Si与含碳基质702的C反应可形成SiC。在一个特定的实例中，硅油按如下反应与碳反应：
(-SiC2H6O-)n→SiO+2C+3H2→SiC+CO
这在V.G.Pol，S.V.Pol，A.Gedanken，S.H.Lim，Z.Zhong和J.Lin的“ThermalDecomposition of Commercial Silicone Oil to Produce High Yield High SurfaceArea SiC Nanorods”，J.Phys.Chem.B 2006，110，11237-11240中有述，其通过引用并入本文中。这样可在含碳基质702的孔隙704内形成SiC。SiC与含碳基质702的碳具有良好的亲和性。因此，可在SiC和含碳基质702间形成良好的界面，其使得碳添加剂复合材料720具有改进的柔性和强度。特别地，碳添加剂复合材料720的弯曲强度可比含碳基质702的弯曲强度提高20％到275％。此外，通过孔隙704的声子耦合和传热也可因SiC和含碳基质702间的界面而提高。因此，碳添加剂复合材料720的热导率可提高。例如，碳添加剂复合材料720的热导率可比含碳基质702的热导率提高5％到30％。
在724处，清洗并固化碳添加剂复合材料720。例如，可用酒精湿巾擦去过量的添加剂前体714并可空气干燥碳添加剂复合材料720。然后可在100℃到185℃的温度下固化碳添加剂复合材料720，持续时间为1小时到6小时。在726处，测定碳添加剂复合材料720的性质。例如，可通过三点弯曲法测定弯曲强度。此外，可通过激光闪光分析(LFA)法(如ASTME1461)测定热导率。
虽然方法700描述了用不为金属的添加剂722填充含碳基质702的孔隙704，但也可通过化学反应，例如通过高压浸渍反应(HPIR)，在含碳基质702的孔隙704内布置其他材料。例如，可在含碳基质702的孔隙704中形成金属(Li、B、Si、Zn、Ag、Cu、Al、Ni、Pd、Sn、Ga等)、合金(Cu-Zn、Al-Zn、Li-Pd、Al-Mg、Mg-Al-Zn等)、化合物(ITO、SnO2、NaCl、MgO、SiC、AlN、Si3N4、GaN、ZnO、ZnS等)和半导体超晶格或量子点(InGaN、AlGaN、InNAs、GaAsP等)。
图8A-8C示出了在含碳基质的孔隙内布置硅脂前后含碳基质的显微镜照片。特别地，图8A示出了含碳基质的未被填充的孔隙。白色箭头指示了一些未被填充的孔隙。图8B示出了填充了硅脂的含碳基质的孔隙。白色箭头指示了一些被填充了的孔隙。此外，图8C示出了填充了硅脂的含碳基质在固化后的孔隙。白色箭头指示了一些被填充了的孔隙。
图9A和9B示出了可采用填充了不为金属的添加剂的含碳基质的传热装置。在一个实例中，可采用碳添加剂复合材料作为均热器，例如图9A中所示的均热器910。特别地，可将碳添加剂复合材料机械加工成从与基底930相连的计算机芯片920散热的均热器910。此外，可使用碳添加剂复合材料作为与发光二极管(LED)相连的均热器。在图9B所示的另一实例中，可经由隔离层970将碳添加剂复合材料940与和计算机芯片960(例如绝缘栅双极型晶体管(IGBT))相连的散热器950相连。
图10示出了含热导性添加剂1004的聚合物1002的应用。特别地，在1006处，将热导性添加剂1004与聚合物1002混合。热导性添加剂1004的量应不超过确保聚合物1002可仍保持足够的粘合强度和介电强度以满足实际应用需要的极限。聚合物1002可以是基于聚硅氧烷的聚合物。此外，聚合物1002在肖氏A型硬度计上的硬度可在约5到约100之间。
热导性添加剂1004可以是有机材料或无机材料。有机热导性添加剂1004的实例包括石墨微粒、碳纳米管、石墨烯片、C60(巴克明斯特富勒烯)或其组合。此外，无机热导性添加剂1004的实例包括纳米微粒金属、涂覆了碳的纳米微粒金属、涂覆了Si的纳米微粒金属、微粒金属氧化物、微粒金属氮化物、微粒金属碳化物或其组合。热导性添加剂1004还可包括来自碳-金属复合材料(如C-Al复合材料或C-Al-Si复合材料)的粉末或薄片。在一些情况下，C-Al复合材料和C-Al-Si复合材料可通过用Al或含Si的Al合金注入多孔含碳基质而形成。
热导性添加剂1004提高聚合物1002的热导率。在一些情况下，热导性添加剂1004还改善聚合物1002的机械强度。与聚合物1002混合的热导性添加剂1004的类型和量可取决于加入热导性添加剂1004后聚合物1004的预期热导率。含热导性添加剂1004的聚合物1002在本文中可称为“热增强聚合物”1010。
热增强聚合物1010可用于广泛的应用中。例如，在1008处，可将热增强聚合物1010置于模具1012中。可通过注塑、铸塑、压塑、压力注塑或其组合将热增强聚合物1010模塑成特定的形状。在一些情况下，可将热增强聚合物1010模塑成计算机芯片的盖(lid)。
在1014处，可在适宜的条件下从模具中取出热增强聚合物1010并固化，具体条件取决于热增强聚合物1010的组成。例如，可向热增强聚合物1010施加热并持续特定功能量(functional amount)的时间。此外，可通过暴露于紫外辐射来固化热增强聚合物1010。
在1016处，热增强聚合物1010被用作粘合剂并施加于基底1018。这样，将装置1020如计算机芯片置于热增强聚合物1010上并与基底1018粘结。热增强聚合物1010可然后用作热管理材料以帮助将热从装置1020传向基底1018。
此外，在1022处，热增强聚合物1010被用作装置1020和基底1018的涂层。当用作涂层时，热增强聚合物1010可从装置1020将热均走。
在1024处，将热增强聚合物1010置于容器1026中。此外，可将基底1018和装置1020置于容器1026中。还可将含碳基质1028置于容器1026中。在一些情况下，含碳基质1028可含未被填充的孔隙，而在其他情况下，含碳基质1028可含被填充或被部分填充的孔隙。可将含碳基质1028置于基底1018和装置1020之间。
在1030处，向热增强聚合物1010、基底1018、装置1020和含碳基质1028施加压力和/或热。所施加的压力的量可在500psi到11,000psi范围内。此外，所施加的温度可在800℃到1000℃范围内。随着向热增强聚合物1010、基底1018、装置1020和含碳基质1028施加压力和/或温度，热增强聚合物1010可布置在含碳基质1028和基底1018之间以及含碳基质1028和装置1020之间。因此，热增强聚合物1010可以是粘合剂以粘结基底1018、装置1020和含碳基质1028。热增强聚合物1010还可向基底1010、装置1020和含碳基质1028提供涂层以促进从装置1020传走热。
此外，热增强聚合物1010可被布置在含碳基质1028的孔隙内。在一些情况下，热增强聚合物1010可以这样的前体，该前体与含碳基质1028的碳反应以在含碳基质1028的孔隙内形成一种或多种终产物。例如，当向基底1018、装置1020、含碳基质1028和热增强聚合物1010施加压力和/或温度时可发生高压浸渍反应。当热增强聚合物1010含Si时，终产物可包括SiC。
通过使用热增强聚合物1010作为含碳基质1028和基底1018之间以及含碳基质1028和装置1020之间的粘合剂，可改善热从装置1020的传走。通过用热增强聚合物1010填充含碳基质1028的孔隙，含碳基质1028的强度和柔性以及热导率也可得到提高。
在1032处，在约100℃到200℃之间的温度下固化热增强聚合物1010、基底1018、装置1020和含碳基质1028以产生热管理系统1034。
图11示出了通过含热导性添加剂1104的聚合物1102的传热。特别地，聚合物1102布置在产热装置1106和基底1108之间。产热装置1106可以是电子装置例如计算机芯片。
图11的箭头1110-1114示出了热从产热装置1106向基底1108的流动。箭头1110-1114的厚度代表较高的传热量。如图11可见，当热导性添加剂1104在热的路径中时，通过聚合物1102的热流动较高。特别地，热导性添加剂1104改善从产热装置1106向基底1108的传热，因为热导性添加剂1104的热导率比聚合物1102的高。
在图11所示的实例中，箭头1110-1114的厚度随箭头从装置1106通过聚合物1102行进到基底1108而减小，表明较少的热从装置1106传到基底1108。箭头1110和1114示出了将与热导性添加剂1104接触的热，而箭头1102示出了仅穿行过聚合物1102的热。因此，与箭头1112相比，箭头1110和1114表示更多的热从装置1106传到基底1108。
在一些情况下，热导性添加剂1104和聚合物间的界面的性质可影响从装置1106到基底1108的传热。例如，当聚合物1104为聚硅氧烷聚合物且热导性添加剂1104包括碳时，可在聚合物1102和热导性添加剂1104间形成SiC界面。SiC界面具有高热导率，其允许更高量的热传过热导性添加剂1104。在另一实例中，聚合物1102可以是聚硅氧烷聚合物而热导性添加剂1104可以是金属的。金属性的热导性添加剂1104与聚硅氧烷聚合物的亲和性常比基于碳的热导性添加剂1104低。因此，金属性的热导性添加剂1104和聚硅氧烷聚合物1102间的界面可能中断聚合物1102和热导性添加剂1104间的传热并减少通过热导性添加剂1104的传热。在一些情况下，向金属性的热导性添加剂1104施加基于碳的涂层可改善聚合物1102和金属性的热导性添加剂1104间的界面。
下面给出了根据方法700在含碳基质的孔隙中布置不为金属的添加剂的若干实例。
实施例
实施例1
将形成为薄板的POCO高温碳(HTC)含碳基质和Dow Corning 3-6751硅脂置于高压模具中。POCO HTC含碳基质的密度为约0.9g/cm3，总孔隙率为约61％，开孔孔隙率为约57.9％，z-方向上的热导率为约245W/mK，x/y方向上的热导率为约70W/mK。Dow Corning 3-6751硅脂的密度为约2.3g/cm3，粘度为约10000cp，热导率为约1.1W/mK。用N2枪清洗POCOHTC含碳基质的样品并测定初始重量。将POCO HTC含碳基质和DowCorning 3-6751硅脂置于高压模具中并向不同的样品多次施加约22000psi的压力，持续时间5分钟到60分钟。释放压力后，用酒精湿巾揩擦样品并空气干燥。测定样品重量，然后在约100℃下将样品固化约一小时。测定固化后的样品重量。工艺条件及含碳基质和碳添加剂的性质的测定示于表1中。
表1
Figure BPA00001479887300121
实施例2
将形成为薄板的POCO HTC含碳基质和Dow Corning 3-6751硅脂置于高压模具中。POCO HTC含碳基质的密度为约0.9g/cm3，总孔隙率为约61％，开孔孔隙率为约57.9％，z-方向上的热导率为约245W/mK，x/y方向上的热导率为约70W/mK。Dow Corning 3-6751硅脂的密度为约2.3g/cm3，粘度为约10000cp，热导率为约1.1W/mK。用N2枪清洗POCOHTC含碳基质的样品并测定初始重量。将POCO HTC含碳基质和DowCorning 3-6751硅脂置于高压模具中并向不同的样品施加0psi到22000psi之间的不同压力，持续时间约15分钟。释放压力后，用酒精湿巾揩擦样品并空气干燥。测定样品重量，然后在约100℃下将样品固化约一小时。然后测定固化后的样品重量。工艺条件及含碳基质和碳添加剂复合材料的性质的测定示于表2中。
表2
实施例3
将形成为薄板的POCO HTC含碳基质和Dow Corning 3-6751硅脂置于高压模具中。POCO HTC含碳基质的密度为约0.9g/cm3，总孔隙率为约61％，开孔孔隙率为约57.9％，z-方向上的热导率为约245W/mK，x/y方向上的热导率为约70W/mK。Dow Corning 3-6751硅脂的密度为约2.3g/cm3，粘度为约10000cp，热导率为约1.1W/mK。用N2枪清洗POCOHTC含碳基质的样品并测定初始重量。将POCO HTC含碳基质和DowCorning 3-6751硅脂置于高压模具中并施加约550psi的压力，持续时间约15分钟。释放压力后，用酒精湿巾揩擦样品并空气干燥。测定样品重量，然后在约100℃下将样品固化约一小时。然后测定固化后的样品重量。含碳基质和碳添加剂复合材料的性质的测定示于表3中。
表3
Figure BPA00001479887300131
实施例4
将形成为薄板的POCO HTC含碳基质和Dow Corning 3-6751硅脂置于高压模具中。POCO HTC含碳基质的密度为约0.9g/cm3，总孔隙率为约61％，开孔孔隙率为约57.9％，z-方向上的热导率为约245W/mK，x/y方向上的热导率为约70W/mK。Dow Corning 3-6751硅脂的密度为约2.3g/cm3，粘度为约10000cp，热导率为约1.1W/mK。用N2枪清洗POCOHTC含碳基质的样品并测定初始重量。将POCO HTC含碳基质和DowCorning 3-6751硅脂置于高压模具中并施加约550psi的压力，持续时间约15分钟。释放压力后，用酒精湿巾揩擦样品并空气干燥。测定样品重量，然后在约100℃下将样品固化约一小时。测定样品重量并通过三点弯曲法测试弯曲强度。还通过三点弯曲法测定未浸渍Dow Corning 3-6751硅脂的裸碳块的弯曲强度。通过ASTM E1461闪光法测试样品的热导率。含碳基质和碳添加剂复合材料的性质的测定示于表4和5中。
表4
Figure BPA00001479887300132
Figure BPA00001479887300141
表5
Figure BPA00001479887300142
实施例5
将形成为薄板的POCO HTC含碳基质和Master Bond EP112环氧树脂置于高压模具中。POCO HTC含碳基质的密度为约0.9g/cm3，总孔隙率为约61％，开孔孔隙率为约57.9％，z-方向上的热导率为约245W/mK，x/y方向上的热导率为约70W/mK。Master Bond EP112环氧树脂的密度为约1.0g/cm3，粘度为约300-400cp。用N2枪清洗POCO HTC含碳基质的样品并测定初始重量。将POCO HTC含碳基质和Master Bond EP112环氧树脂置于高压模具中并施加约550psi的压力，持续时间约15分钟。释放压力后，用酒精湿巾揩擦样品并空气干燥。测定样品重量，然后在约185℃下将样品固化约六小时。测定样品重量，通过三点弯曲法测试弯曲强度，并通过ASTM E1461闪光法测定热导率。含碳基质和碳添加剂复合材料的性质的测定示于表6、7和8中。
表6
Figure BPA00001479887300143
表7
  样品编号   裸碳块   弯曲强度(MPa)   弯曲强度增强(％)
  20X   是   2.70
  38X   否   9.82   264
  24Y   是   2.86
  40Y   否   9.91   247
  28Z   是   3.06
  42Z   否   9.60   213
表8
实施例6
将形成为薄板的POCO HTC含碳基质和聚硅氧烷密封胶置于高压模具中。POCO HTC含碳基质的密度为约0.9g/cm3，总孔隙率为约61％，开孔孔隙率为约57.9％，z-方向上的热导率为约245W/mK，x/y方向上的热导率为约70W/mK。聚硅氧烷密封胶的密度为约1.0g/cm3。用N2枪清洗POCO HTC含碳基质的样品并测定初始重量。将POCO HTC含碳基质和聚硅氧烷密封胶置于高压模具中并施加约550psi的压力，持续时间约15分钟。对于一个样品，压力为约2750psi。释放压力后，用酒精湿巾揩擦样品并空气干燥。测定样品重量，然后在约100℃下将样品固化约六小时。测定样品重量并通过三点弯曲法测试弯曲强度。含碳基质和碳添加剂复合材料的性质的测定示于表9和10中。
表9
Figure BPA00001479887300152
表10
  样品编号   裸碳块   弯曲强度(MPa)   弯曲强度增强(％)
  28Z   是   3.06
  50Z   否   4.92   60.8
实施例7
将形成为薄板的POCO HTC含碳基质和尼龙11置于高压模具中。POCO HTC含碳基质的密度为约0.9g/cm3，总孔隙率为约61％，开孔孔隙率为约57.9％，z-方向上的热导率为约245W/mK，x/y方向上的热导率为约70W/mK。尼龙11的密度为约1.0g/cm3。用N2枪清洗POCO HTC含碳基质的样品并测定初始重量。将POCO HTC含碳基质和尼龙11置于高压模具中并在约260℃的温度下施加约550psi的压力，持续时间约15分钟。释放压力后，用酒精湿巾揩擦样品并空气干燥。测定样品重量并通过三点弯曲法测试弯曲强度。含碳基质和碳添加剂复合材料的性质的测定示于表11和12中。
表11
Figure BPA00001479887300161
表12
  样品编号   裸碳块   弯曲强度(MPa)   弯曲强度增强(％)
  28Z   是   3.06
  53Z   否   9.84   221.6

Claims (20)

1.一种物质组合物，所述物质组合物包含：
包含多个孔隙的含碳基质；和
压力布置在所述多个孔隙的至少一部分内的不为金属的添加剂。
2.根据权利要求1所述的物质组合物，其中所述含碳基质由至少一种类型的碳材料构成，所述碳材料选自石墨晶碳材料、碳粉、人造石墨粉、碳纤维、及其组合。
3.根据权利要求1所述的物质组合物，其中所述添加剂为含Si添加剂。
4.根据权利要求1所述的物质组合物，所述物质组合物的弯曲强度在3.50MPa到10.00MPa范围内。
5.根据权利要求1所述的物质组合物，其中所述添加剂作为涂层布置在所述多个孔隙的至少一部分内。
6.根据权利要求1所述的物质组合物，所述物质组合物的开孔填充率在5％到90％范围内。
7.根据权利要求1所述的物质组合物，其中所述添加剂通过高压浸渍反应形成。
8.根据权利要求1所述的物质组合物，所述物质组合物还包含一种或多种热导性添加剂。
9.根据权利要求1所述的物质组合物，其中所述热导性添加剂选自碳纳米管、纳米微粒金属、涂覆了碳的纳米微粒金属、涂覆了Si的纳米微粒金属、微粒金属氮化物、微粒金属碳化物、微粒石墨、石墨烯片、C60、碳-金属复合材料粉末、及其组合。
10.根据权利要求1所述的物质组合物，所述物质组合物形成为板，所述板在x-方向上的热导率高于约65W/mK，在y-方向上的热导率高于约70W/mK，在z-方向上的热导率高于约275W/mK。
11.根据权利要求1所述的物质组合物，所述物质组合物在固化后的质量密度在1.20g/cm3到1.90g/cm3范围内。
12.根据权利要求1所述的物质组合物，其中固化后所述添加剂的体积比在3％到50％范围内。
13.根据权利要求1所述的物质组合物，其中固化后所述添加剂的重量比在5％到60％范围内。
14.一种制备根据权利要求1所述的物质组合物的方法，所述方法包括：
提供含碳基质和添加剂前体，所述添加剂前体选自聚硅氧烷聚合物、硅油、硅脂、尼龙、环氧树脂、聚氨酯、SiH4气、及其组合；和
引发所述碳和所述添加剂前体间的反应以形成布置在所述含碳基质的所述多个孔隙的所述至少一部分内的所述不为金属的添加剂。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述反应通过对所述含碳基质和所述添加剂前体加压至高于约500psi的压力并持续15分钟到60分钟而引发。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述反应通过将所述含碳基质和所述添加剂前体加热至800℃到1000℃的温度而引发。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述添加剂前体的粘度在300-10,000cp范围内。
18.根据权利要求14所述的方法，所述方法还包括在100℃到185℃的温度下固化根据权利要求1所述的物质组合物并持续1小时到6小时。
19.一种通过将根据权利要求1所述的物质组合物机械加工成传热装置所制得的制品。
20.一种物质组合物，所述物质组合物通过包括如下步骤的方法制得：
提供包括多个孔隙的含碳基质和添加剂前体，所述含碳基质包含一种或多种选自石墨晶碳材料、碳粉、人造石墨粉、碳纤维、及其组合的材料，所述添加剂前体选自聚硅氧烷聚合物、硅油、硅脂、SiH4气、及其组合；
使所述碳和所述添加剂前体反应而在所述多个孔隙的至少一部分内形成不为金属的添加剂，所述添加剂包含一种或多种选自C、SiC、Si、及其组合的材料。
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