CN102634212A - 一种导热硅脂组合物 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导热硅脂组合物，主要由碳纳米管、石墨烯、相变胶囊颗粒物以及硅油组成。其中碳纳米管能够进一步加速热量的传导；相变胶囊颗粒物用于提高热端的初始温度吸收速率；相变胶囊、碳纳米管以及石墨烯在流体内部形成最终在流体内部形成颗粒(相变胶囊)+线(碳纳米管)+平面(石墨烯)的全三维网络分布。本发明所述导热硅脂组合物具有高导热率和低热阻值，大大提高了导热硅脂的散热效率和使用寿命，具有较强的实用价值。

Description

一种导热硅脂组合物

技术领域

本发明属于热界面材料领域，特别提供一种导热硅脂组合物。

背景技术

随着计算机技术的飞速发展，作为计算机系统核心的中央处理器(Central Processing Unit，CPU)的运算速度越来越快，其发热量也随之增大。如果CPU散热不好，温度过高，很容易导致计算机在运行过程中出现热启动，死机等问题。因此，为CPU提供良好的散热系统是保证计算机正常工作的重要条件之一。LED是一种新型的注入电致发光器件，其优越性在于节能。目前，单个LED器件的功率已经从最初的毫瓦级跃至现在的数十瓦级。据测试，单个LED器件的电光转换效率仅为15％，其余约85％的电能则转化为热能。当多个LED密集排列组成照明系统时，电能转换为热能更加严重。因此，解决大功率LED的散热问题也已成为其广泛应用的先决条件。

针对CPU芯片以及大功率LED照明系统等发热源的散热问题，常用的方法是在发热源上安装散热片。而在CPU等热源和散热片之间即使是很光滑的面-面接触也不可避免地存在一定空隙，空隙的存在将严重地影响散热效果。

热界面材料因为能有效降低热源和散热器之间的界面热阻而得到广泛应用。导热硅脂就是其中一种最为常用的导热介质，它是用来填充发热源与散热片之间空隙的材料，将热源散发出来的热量传导给散热片，使热源温度保持在一个可以稳定工作的水平，延长器件的使用寿命，防止热源因散热不良而受损。

导热硅脂为硅油加填料混合而成，主要分为两大类：一类是最为常见的白色导热硅脂，这类导热硅脂在常温下是粘稠的液体状态，其填料主要为氧化铝、氮化硼、碳化硅、铝粉；另一类是灰色导热硅脂。这类导热硅脂是在白色导热硅酯中添加了一定量的石墨，以增强其导热性能，灰色导热硅脂的填料一般为石墨、银粉或高导热性纳米金属氧化物。

在现有高端导热硅脂中，添加物一般为银粉和石墨材料。石墨粉的导热率一般在150-300W/(M·K)，银粉的导热率也仅为429W/(M·K)，且价格昂贵，对硅脂整体导热率的提高帮助有限。而单层石墨烯的导热率为3080-5150W/(M·K)，多层石墨烯的导热率一般也在1500W/(M·K)以上，远高于石墨粉以及银粉的导热率，作为导热硅脂的添加物方面的应用，目前尚未见报道。

此外，在长期使用过程中，经常出现硅油与导热填料发生分离的现象，导致导热硅脂涂层分化、碎裂，导热性能变差等现象；而若采用高粘度的基础油，则难以添加高固含量的导热填料，产品导热性能比较差。多壁碳纳米管(Multi-walled nanotubes，MWNTs)与导热硅脂的主要成分硅油有着良好的结合界面，有利于其在导热硅脂中的分散，能够提高两者的相容性和亲和力，从而降低二者界面之间的接触热阻，提高导热系数。

最后，本发明通过添加相变胶囊颗粒，进一步降低导热硅脂的热阻，加快导热硅脂对热源的热量吸收速率，最终形成了一个“点-线-面”的三维大网络导热体系。

综上分析，传统导热硅脂中材料对导热性能提升的空间有限，热端初始温度吸收速率较低。因此，对添加物组分的改进很大可能将成为进一步提高导热硅脂导热率以及其他性能的有效途径。

发明内容

本发明目的在于提供一种导热效率更高，散热效果更好的导热硅脂组合物。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种导热硅脂组合物，其组成成分及其体积百分比为：

添加物50％～70％，

硅油30％～50％，

所述添加物的组成成分为碳纳米管、石墨烯和颗粒物。

其中，所述的硅油是指二甲基硅油、乙烯基硅油、含氢硅油、苯甲基硅油、羟基硅油、甲基长链烷基硅油或季铵盐烃基改性硅油等有机硅油中的一种或其组合物。

其中，所述的硅油在25℃时粘度为50000～500000cSt。

其中，所述的添加物中各成分的质量比为：

碳纳米管    5％～15％，

石墨烯      50％～65％，

颗粒物      20％～45％。

其中，所述的碳纳米管的纯度≥95wt％，灰分≤0.2wt％，比表面积约为40～300m²/g。

其中，所述的颗粒物为包裹石蜡的相变胶囊。

其中，所述的相变胶囊的包裹石蜡的材料为无机金属及其氧化物等.

其中，所述无机金属及其氧化物中的金属元素为锡、稀土元素、锌、铝、钙、铂、银等。

其中，所述的相变胶囊的粒径在1～100um之间。

其中，所述导热硅脂组合物还包括任选的稳定剂、阻燃剂、着色剂、触变剂等其他添加剂成分。

与现有技术相比，本发明所述导热硅脂的有益效果是：

(1)作为添加物之一的单层石墨烯的导热率为3080-5150W/(M·K)，多层石墨烯的导热率一般也在1500W/(M·K)以上，远高于石墨粉的150-300W/(M·K)以及银粉的429W/(M·K)。石墨烯的加入使得系统整体的导热系数有了较大的提高。

(2)碳纳米管的加入有利于其在导热硅脂中的分散，并可由此在导热硅脂中形成一个有效的导热网络，降低界面之间的接触热阻，达到提高导热硅脂导热性能和延长其使用寿命的目的。

(3)选用包裹石蜡的相变胶囊作为无机颗粒，增大了材料的比表面积，显著地提高热端初始温度的吸收速率，起到快速吸热的功效。

(4)本发明将碳纳米管、石墨烯以及金属无机氧化物包覆的相变胶囊作为添加物的基本组成，最终在流体内部形成了点-线-面的全三维网络分布，具有高导热率和良好的流动性，大大提高了导热硅脂的散热效率和使用寿命，具有较强的实用价值。

具体实施方式：

本发明提供了一种导热硅脂组合物，其组成成分及其体积百分比为：

添加物    50％～70％，

硅油      30％～50％，

所述添加物的组成成分为碳纳米管、石墨烯和颗粒物。

本发明采用的添加物成分的质量百分比如下：

碳纳米管  5％～15％，

石墨烯    50％～65％，

颗粒物    20％～45％

上述组合物中所述碳纳米管的纯度≥95wt％，灰分≤0.2wt％，比表面积约为40～300m²/g。

上述组合物中所述颗粒为包裹石蜡的相变胶囊。

上述相变胶囊为含有相变材料的微小容器，粒径在1～100um之间。包裹石蜡的材料为纳米级的无机金属及其氧化物等，具体元素包括锡、稀土元素、锌、铝、钙、铂、银等。

上述组合物中所述的硅油粘度在25℃时为50000～500000cSt，具体为二甲基硅油、乙烯基硅油、含氢硅油、苯甲基硅油、羟基硅油、甲基长链烷基硅油或季铵盐烃基改性硅油等有机硅油中的一种或其组合物。

作为任选组分，一些常用的添加剂或填料也可以加入到本发明的导热硅脂组合物中，前提是这些任选组分的加入不会削弱本发明的目的。这些任选组分包括：稳定剂、阻燃剂、着色剂、触变剂等。

本发明还提供了一种导热硅脂，其是采用上述材料制备而成的。

本发明还提供了一种导热硅脂组合物，其组成成分及体积百分比为：

添加物    50％～70％，

硅油      30％～50％，

所述添加物的组成成分为碳纳米管、石墨烯和颗粒物，

所述的添加物中各成分的质量比为，

碳纳米管  5％～15％，

石墨烯    50％～65％，

颗粒物    20％～45％，

所述的硅油是指二甲基硅油、乙烯基硅油、含氢硅油、苯甲基硅油、羟基硅油、甲基长链烷基硅油或季铵盐烃基改性硅油等有机硅油中的一种或其组合物，

所述的硅油在25℃时粘度为50000～500000cSt，

所述的碳纳米管的纯度≥95wt％，灰分≤0.2wt％，比表面积约为40～300m²/g，

所述的颗粒物为包裹石蜡的相变胶囊，

所述包裹石蜡的材料为无机金属及其氧化物等，

所述无机金属及其氧化物中的金属元素为锡、稀土元素、锌、铝、钙、铂、银等，

所述的相变胶囊的粒径在1～100um之间。

其中，所述导热硅脂组合物还包括任选的稳定剂、阻燃剂、着色剂、触变剂等其他添加剂成分。

以下结合实施例，就物料组成方面对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对本发明做任何限制的依据，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

最佳实施例1

采用的添加物成分及其质量比如下：碳纳米管、石墨烯、颗粒物的质量比为1∶6∶3，添加物整体与硅油的体积比为6∶4。

上述最佳实施例中所述碳纳米管的纯度≥95wt％，灰分≤0.2wt％。

上述最佳实施例中所述颗粒物为包裹石蜡的相变胶囊，包括石蜡的材料为氧化铝，相变温度为29℃，平均粒径为60um。

上述最佳实施例中所述的硅油选择粘度在25℃时为500000cSt的二甲基硅油和含氢硅油的混合物。

制备方法

将质量比为6∶3的石墨烯与颗粒物倒入少量硅油中进行预混，在机械搅拌的条件下，缓慢加入所需质量的碳纳米管，同时随时补充硅油直至所需硅油含量。继续机械搅拌半小时后，用对辊研磨机对混合物继续研磨一小时，即得最终硅脂。

比较例2

采用的添加物成分及其质量比如下：石墨、颗粒的质量比为6∶4，添加物整体与硅油的体积比为6∶4。

上述比较例中所述颗粒为氧化铝，平均粒径为10um。

上述组合物中所述的硅油选择粘度在25℃时为500000cSt的二甲基硅油和含氢硅油的混合物。

实验数据比较

1、导热硅脂性能对比测试

根据GB 10297-88非金属固体材料导热系数的测定方法-热线法，测得最佳实施例1制得的导热硅脂的导热系数为4.2391w/mk，热阻为0.000012m²k/w；对比例2制得的导热硅脂的导热系数为2.1234w/mk，热阻为0.000061m²k/w。

2、导热硅脂应用于CPU散热的对比测试

将最佳实施例1制得的导热硅脂和对比例2制得的导热硅脂分别涂敷于CPU芯片上，启动电源。测试温度为室温25℃。10分钟后测得由最佳实施例所得导热硅脂涂敷的CPU最高温度为71℃，散热情况良好；而由比较例所得导热硅脂涂敷的CPU最高温度高达为89℃，系统显示温度异常，电脑处于过热状态。

3、导热硅脂应用于LED散热的对比测试

测试条件：LED芯片，功率30W；

太阳花散热器：20W～30W；

起始室温：21℃；结束室温：21℃。

测试结果如下表所示。从表中数据可见，由最佳实施例所得导热硅脂热传导效率较高，散热效果较好：翅片温度最高可达到41℃，最大温差仅为5℃；而又比较例所得的普通导热硅脂，翅片最高温度仅为39℃，且芯片和翅片的温差最大可达到8℃。同时，由最佳实施例所得导热硅脂的吸热速率快，芯片的温升较慢，热量通过导热硅脂能够及时传递给翅片。

表1导热硅脂LED散热对比测试结果

3、综上，本发明将碳纳米管、石墨烯以及金属无机氧化物包覆的相变胶囊作为添加物的基本组成，最终在流体内部形成了点-线-面的全三维网络分布，具有高导热率和低热阻值，大大提高了导热硅脂的散热效率和使用寿命，具有较强的实用价值。

Claims (10)

1.一种导热硅脂组合物，其特征在于，组成成分及其体积百分比为：

添加物    50％～70％

硅油      30％～50％，

所述添加物的组成成分为碳纳米管、石墨烯和颗粒物。

2.如权利要求1所述的导热硅脂组合物，其特征在于：所述的硅油是指二甲基硅油、乙烯基硅油、含氢硅油、苯甲基硅油、羟基硅油、甲基长链烷基硅油或季铵盐烃基改性硅油等有机硅油中的一种或其组合物。

3.如权利要求1或2所述的导热硅脂组合物，其特征在于：所述的硅油在25℃时粘度为50000～500000cSt。

4.如权利要求1至3所述的导热硅脂组合物，其特征在于：所述的添加物中各成分的质量比为：

碳纳米管    5％～15％

石墨烯      50％～65％

颗粒物      20％～45％。

5.如权利要求1至4所述的导热硅脂组合物，其特征在于：所述的碳纳米管的纯度≥95wt％，灰分≤0.2wt％，比表面积约为40～300m²/g。

6.如权利要求1至5所述的导热硅脂组合物，其特征在于：所述的颗粒物为包裹石蜡的相变胶囊。

7.如权利要求1至6所述的导热硅脂组合物，其特征在于：所述的相变胶囊的包裹石蜡的材料为无机金属及其氧化物等.

8.如权利要求1至7所述的导热硅脂组合物，其特征在于：所述无机金属及其氧化物中的金属元素为锡、稀土元素、锌、铝、钙、铂、银等。

9.如权利要求1至8所述的导热硅脂组合物，其特征在于：所述的相变胶囊的粒径在1～100um之间。

10.如权利要求1至9所述的导热硅脂组合物，其特征在于：所述导热硅脂组合物还包括任选的稳定剂、阻燃剂、着色剂、触变剂等其他添加剂成分。