CN102485688B

CN102485688B - 一种石墨材料

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Publication number: CN102485688B
Application number: CN200910192974.3A
Authority: CN
Inventors: 黄柱联
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2029-09-29
Also published as: CN102485688A

Abstract

本发明公开了一种石墨材料。石墨材料包括质量百分含量为40～60％的石墨粉、37.6～59.4％的水溶性硅酸盐、0.3～1.2％的硅烷偶联剂、0.3～1.2％的钛酸酯偶联剂，加入纯水混合均匀，在存在定向运动和/或在定向外力条件下定向定形固化后干燥而成。制备过程中存在定向定形固化，石墨颗粒在一定程度上有序排列，形成纳米级管道，产生烟囱效应，散热性能良好，传热系数高于纯铜等金属材料，最高可达2156W/(K·m²)，适用于制作各种散热件，特别是电子高速运动产生热能的散失。

Description

一种石墨材料

技术领域

本发明涉及一种石墨材料。

背景技术

随着科技的发展和人们的需求，越来越多产品的小型化。随着产品的小型化，特别是高功率产品的小型化，如CPU、大功率LED灯等，产品单位面积上的平均功率也越来越大，发热量也随之增加。为了保证产品的可靠运行，需要及时将产品上累积的热量排出，这对散热材料的要求越来越高。

为了避免散热对产品内其他部件的不利影响，在散热的同时还需要控制散热方向，将热传导至远离热敏元件的地方释放，以免影响其他元件的性能。

传统的金属散热器，需要通过复杂的结构来实现定向散热，这种设计是非常复杂的，效果也是有限的，存在很大的不足。

石墨材料具有极好的化学和热稳定性，优良的导电性，能够有效的屏蔽电磁辐射和核辐射，还具有一定物理强度，被广泛应用于化工、冶金、航空航天、核物理等领域。

现有的石墨材料，尤其是导热石墨材料，一般通过高温高压过程制备，反应条件苛刻，生产周期长。如中国专利ZL：200410012433.5所述，产品需要“于2600～3000℃、20～40MPa压力下热压成型”；又如中国专利ZL：200510073394.4所述，产品需要“将所得沥青炭泡沫体再在氩气保护下，以不大于1℃/min的升温速率升温至2600-3000℃。这些方法过程复杂，对设备要求高，生产周期长。生产过程中能耗高、会产生大量的污染物，生产成本高。受限于反应条件和生产设备，生产出来的产品，尺寸有限，难以根据需要调整产品的大小，特别难以生产大尺寸产品。

发明内容

本发明的目的在于提供一种散热性能良好的石墨材料。

本发明采取的技术方案是：一种石墨材料，包括质量百分含量为40～60％的石墨粉、59.4～37.6％的水溶性硅酸盐、0.3～1.2％的硅烷偶联剂、0.3～1.2％的钛酸酯偶联剂，加入纯水混合均匀、在存在定向运动和/或在定向外力条件下定向定形固化后干燥而成。

优选的，一种石墨材料，包括质量百分含量为50～60％的石墨粉、37.6～49.2％的水溶性硅酸盐、0.9～1.2％的硅烷偶联剂、0.9～1.2％的钛酸酯偶联剂，加入纯水混合均匀、在存在定向运动和/或在定向外力条件下定向定形固化后干燥而成。

优选的，石墨粉目数在200目以上。

优选的，干燥过程的温度为10℃～60℃。

优选的，干燥过程的温度为20℃～40℃。

优选的，定向运动包括定向旋转、重力作用下的自流或其结合。

本发明的有益效果是：本发明产品在制备过程中存在定向定形固化，石墨颗粒在一定程度上有序排列，形成纳米级管道，产生烟囱效应，散热性能良好，传热系数高于纯铜等金属材料，最高可达2156W/(K·m²)，适用于制作各种散热件，特别是电子高速运动产生热能的散失。

本发明的石墨材料密度低，有利于散热件的轻质化。

由于石墨颗粒在一定程度上有序排列，本发明产品的导电性仅次于金属，好于单一石墨材质。

本发明的制备方法简单，使用的设备简单，在常温常压下即可完成产品的制备，生产周期短，适用于大批量产品的制备。

通过选用不同的模具和调节加入原料的量，可以非常容易地获得不同尺寸的产品，特别适用于大尺寸散热件的制作。

附图说明

图1～5是本发明石墨材料内石墨颗粒的排列示意图；

图6～11是本发明实施例6制备的散热件的工作时的热成像图；

图12～23是本发明部分实施例制备的石墨片的检测结果图。

具体实施方式

下面结合实例，进一步说明本发明。

以下各实施例中用到的石墨粉由青岛华泰润滑密封科技有限公司生产；硅酸锂由山东邦德化工有限责任公司生产；硅酸钠由宜兴市凯利达化学有限公司生产，硅酸钾由浙江省嘉善县助剂一厂生产。

实施例1

200目的石墨粉400g，硅酸锂380g、硅酸钾214g、硅烷偶联剂3g(道康宁公司Z-6011，氨丙基三乙氧基硅烷)、钛酸酯偶联剂3g(美国杜邦公司TYZORAA-75，乙酰丙酮钛)，上述原料加入400g纯水中，混合均匀，将混合浆转移至圆柱形管道中，带动管道旋转至混合浆定形固化后，停止旋转，取出定形固化的石墨材料，在30℃下自然干燥后，得到成品，成品中的石墨粉大致呈同心环层分布，如图1所示。

实施例2

900目的石墨粉450g，硅酸锂540g、硅烷偶联剂4g(道康宁公司Z-6020，N-(β氨基乙烷)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷)、钛酸酯偶联剂6g(常州市吉耐助剂有限公司JN-AT，醇胺二亚乙基钛酸酯)上述原料加入370g纯水中，混合均匀，将混合浆转移至正方形柱管道中，带动管道旋转至混合浆定形固化后，停止旋转，取出定形固化的石墨材料，在20℃下自然干燥后，得到成品，成品中的石墨粉大致呈“回”字形分布，如图3所示。

实施例3

2000目的石墨粉500g，硅酸锂300g、硅酸钠180g、硅烷偶联剂9g(道康宁公司Z-6030，3-甲基丙烯酰氨基丙基-三甲氧基硅烷)、钛酸酯偶联剂11g(常州市吉耐助剂有限公司JN-198，异丙基烷基苯磺酰钛酸酯)，上述原料加入500g纯水中，混合均匀，将混合浆转移至六棱柱形管道中，带动管道旋转至混合浆定形固化后，停止旋转，取出定形固化的石墨材料，在30℃下自然干燥后，得到成品，成品中石墨粉大致呈同心六棱层分布。

实施例4

3000目的石墨粉500g，硅酸钾200g、硅酸钠291g、硅烷偶联剂5g(道康宁公司Z-6032，乙烯基苯胺甲氨基硅烷)、钛酸酯偶联剂4g(常州市吉耐助剂有限公司JN-117，二(焦磷酸二辛酯)二亚乙基烷氧基钛)，上述原料加入450g纯水中，混合均匀，在存在与管道垂直电场的条件下，电场强度200000V/m，让混合浆沿竖直圆形管道内壁自然流下，待其固化后取出，40℃自然干燥后，得到成品，成品中的石墨粉大致呈锥形分布，如图2所示。

实施例5

4000目的石墨粉550g，磁钠430g、硅烷偶联剂12g(道康宁公司Z-6040，3-甘油氧丙基三甲氧基硅烷)、钛酸酯偶联剂8g(常州市吉耐助剂有限公司JN-36，醇胺型钛酸酯)，上述原料加入500g纯水中，混合均匀，将混合浆转移至倾斜管道中，在重力作用下自流，定形固化后，取出定形固化的石墨材料，在10℃下自然干燥后，得到成品，成品中石墨粉大致“L”形分布，如图5所示。

实施例6

5000目的石墨粉550g，硅酸锂260g、硅酸钠174g、硅烷偶联剂6g(道康宁公司Z-6011，氨丙基三乙氧基硅烷)、钛酸酯偶联剂10g(常州市吉耐助剂有限公司JN-WT，二(焦磷酸二辛酯)羟乙酸钛)，上述原料加入400g纯水中，混合均匀，将混合浆转移至同心圆管道中，带动管道旋转至混合浆定形固化后，停止旋转，取出定形固化的石墨材料，在50℃下自然干燥后，得到成品，成品中石墨粉大致呈同心圆层分布，如图1所示。

实施例7

6000目的石墨粉600g，硅酸锂200g、硅酸钾181g、硅烷偶联剂7g(道康宁公司Z-6030，3-甲基丙烯酰氨基丙基-三甲氧基硅烷)、钛酸酯偶联剂12g(安徽省天长市绿色化工助剂厂TMC-Wt(200S)，多活性基团的螯合型磷酸酯钛偶联剂)，上述原料加入450g纯水中，混合均匀，将混合浆转移至五棱柱同心管道中，带动管道旋转至混合浆定形固化后，停止旋转，取出定形固化的石墨材料，在45℃下自然干燥后，得到成品，成品中石墨粉大致呈同心五棱层分布，如图4所示。

实施例8

8000目的石墨粉600g，硅酸锂100g、硅酸钠276g、硅烷偶联剂12g(深圳市优越昌浩科技有限公司产硅烷偶联剂580)、钛酸酯偶联剂12g(南京裕德恒精细化工有限公司产YDH-201钛酸酯偶联剂)，上述原料加入450g纯水中，混合均匀，将混合浆转移圆柱形管道中，带动管道旋转至混合浆定形固化后，停止旋转，取出定形固化的石墨材料，在30℃下自然干燥后，得到成品，成品中石墨粉大致呈同心圆分布。

实施例9

10000目的石墨粉500g，硅酸钾200g、硅酸钠291g、硅烷偶联剂5g(道康宁公司Z-6032，乙烯基苯胺甲氨基硅烷)、钛酸酯偶联剂4g(常州市吉耐助剂有限公司JN-115A，双(二辛基焦磷酸酯)羟乙酸酯钛酸酯)，上述原料加入450g纯水中，混合均匀，电场强度150000V/m，方向与重力方向一致，待其固化后取消电场力，60℃自然干燥后，得到成品，成品中的石墨粉大致呈层状分布。

通过改变加入石墨混合浆的量及其定形固化件的大小，可以轻易的获得各种尺寸的石墨固体，进而加工成各种尺寸的散热件，特别适用于大散热件的制作。

电磁力作用效果同电场力的作用效果类似，也是引起石墨颗粒的极化，使石墨颗粒在一定程度上定向排列，但是电场力和电磁场力的排列作用效果没有定向运动好，尤其是没有旋转运动的效果好。石墨颗粒目数高，有利于散热性能的提高。

产品干燥时的温度不一定要恒温，只需要在10～60℃之间保持相对稳定即可，各实施例中在固定温度下干燥，只是为了更容易获得可重复的实验数据。

为了获得更好的取向性，可以改变纯水的量和定向运动和/或定向力的作用时间或作用力的大小。

图6～11中的散热件由实施例6中的成品制备而成。

其中图6～8由FLIR公司生产的T-10型热成像仪拍摄得到。

图6是本发明产品制备的片式散热器的热成像图，从图中可以看到温度梯度非常均匀，同一层材料中中央和两端的温度差异不大，没有热岛效应，散热性能良好。

图7是本发明产品制备的片式散热器正向和逆向安装的热成像图对比图，从图中可以清楚的看到正向安装的散热器等温线平坦，温度梯度均衡，能很好的将热传导出去；与之相反，逆向安装的散热器等温线呈半圆形，热量积聚在中央，不能起到很好的散热作用，反而有一定的隔热作用。本同图样证明了本发明的产品具有方向性。

图8是本发明产品制备的片式散热器安装在铝基板上的热成像图，从图中可以看到，铝基板的温度明显低于热源的温度和散热器的温度，这说明本发明的产品具有良好的强制散热能力。

图9～11由Fluke公司的T-400型热成像仪拍摄得到.

图9是本发明产品制备的片式散热器打破散热片，形成丘陵处后的热成像图，从图中可以看到，破损处的温度明显高于完整处的温度，可见本发明的材料能够将周围的热量吸收过来，具有极好的散热性能。

图10，11是本发明产品制备的立柱式散热件的热成像图，从图中可以看出，本发明石墨材料制备的立柱式散热件也有着类似的散热效果。

本发明部分实施例的成品石墨材料切割成片后，送至厦门市半导体照明检测认证中心进行检测。

检测依据：

GB/T4023-1997半导体器件分离器件和集成电路第2部分：整流二极管JESD51-1 1995集成电路热测试方法-电学测量方法(单个半导体器件)CIE 127-2007 Measurement of LEDs

检测仪器

Micred T3ster/Teraled热阻测试仪

测试条件

将石墨板用导热胶固定在LED上，对LED加350.0mA的电流进行加热，通过石墨片的热流即LED产生的热流。在电流5.0mA下通过测试LED的热阻，计算出石墨片的热阻及传热系数。环境温度29.0℃，相对湿度69％。

检测结果如以下2表和图12～23所示。

表1静态空气中传热系数系数测试数据

备注：热阻计算已扣除LED光功率影响，表中热阻为石墨片内表面到空气的热阻

表2控温条件下传热系数测试数据

备注：热阻计算已扣除LED光功率影响，表中热阻为石墨片内表面到外表面的热阻

红外热像仪测试数据：

图12～17依次分别为表1中各石墨片加热到80℃稳定时的红外图片，趋势图18～23依次分别为其以图片中点为中心向外，占总拍摄80％面积内，断开加热源后的平均温度变化趋势。

实验数据表明，本发明的石墨材料传热系数高，热阻小，散热性能良好，优于同等条件下的铝片，有利于散热件的小型化。

本发明的石墨材料密度小，低于铝材，有利于散热件的轻质化。

本发明的石墨材料还具有优良的导电性，实验数据表明其导电性能仅次于金属，优于普通石墨材料。本石墨材料的导电性受材料含水量的影响，含水量越高，电阻也越大。

Claims

1.一种石墨材料，特征在于其组成为质量百分含量为40～60%的石墨粉、37.6～59.4%的水溶性硅酸盐、0.3～1.2%的硅烷偶联剂、0.3～1.2%的钛酸酯偶联剂，加入纯水混合均匀，在存在定向运动和/或在定向外力条件下定向定形固化后干燥而成，所述水溶性硅酸盐选自硅酸锂、硅酸钾和硅酸钠。

2.根据权利要求1所述的一种石墨材料，特征在于选用的石墨粉目数在200目以上。

3.根据权利要求1所述的一种石墨材料，特征在于其干燥过程的温度为10℃～60℃。

4.根据权利要求3所述的一种石墨材料，特征在于其干燥过程的温度为20℃～40℃。

5.根据权利要求1所述的一种石墨材料，特征在于所述定向运动包括定向旋转、重力作用下的自流或其结合。

6.根据权利要求1所述的一种石墨材料，特征在于所述定向外力包括重力、电场力、电磁场力或其结合。