CN102649896A - 一种新型高导热散热涂料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型高导热散热涂料及制造这种涂料的方法，应用于电子产品散热领域，包括基础树脂和填料，基础树脂是涂料用树脂，填料由石墨、纳米石墨、鳞片石墨、石墨烯、热解碳、热解石墨、石墨粉体、碳纳米管、碳纤维、石墨纤维、陶瓷纤维、石英纤维、金属纤维、氧化锆、氮化硼、氮化硅、碳化硼、碳化硅、氧化镁粉、偏硅酸纤维、硅酸钙铝纤维、氧化铝纤维、铜、铝、银、钨、钼金属粉体的其中一种或其中多种组成。依照本发明的材料和方法制成的涂料，直接涂覆或喷涂在散热器的表面，热量传导到涂料上，涂料再把热量散发到空间中，加速散发电子元器件产生的热量，避免电子元器件因散热不充分而导致的性能降低或不稳定及使用寿命缩短等问题。

Description

一种新型高导热散热涂料及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种高分子复合材料的应用，具体涉及一种采用高分子复合材料制成的新型高导热散热涂料以及这种新型高导热散热涂料的加工制造方法。

背景技术

导热散热涂料被广泛的应用于电脑、笔记本电脑、LED照明、通信、整流器，医疗及工业设备等有散热要求的领域，主要涂覆在散热器的表面。但随着电子、电气设备应用范围的扩大和普及，对电子电气设备的性能和结构要求越来越苛刻，越来越复杂，包括要求具备更高的处理速度、更高的处理频率、更小的体积、更轻的重量、更高的功率和其它技术优点。例如在电子、电气元件及系统中，或者高功率的光学器件中的微处理器和集成电路中都会产生很高的热量，但是，微处理器、集成电路和其它电子元器件通常只能在有限的温度范围内有效正常的运行。如果这些电子元器件产生的热量超过允许的范围，不仅对它们自身性能造成影响，而且可能会对整个系统的性能和稳定造成不可估量的损害，从而引起系统的崩溃。这就对电子元器件中的散热设备提出严格的要求，随着对电子元器件微型化、轻量化的要求不断提高，对微型电子元器件中的散热控制和散热设计日益严格，乃至苛刻。众所周知，电子电气设备的性能、可靠性和寿命与运行环境的温度成反比关系。例如，高功率LED模块中，基板散热速度的提高可以大大提高LED的光亮度、寿命和运行的稳定性。因此，为了提高电子元器件及其系统的性能和稳定性，延长其使用寿命，降低运行的环境温度或增大正常稳定运行的温度范围极其重要。

传统散热器一般采用铝、铝合金、铜、陶瓷类材料等材料制成，一般还需要有散热叶片（散热器）和风扇，靠风扇对散热叶片之间散热介质如空气的强制对流来达到散热的目的。但中散热器具有明显的问题和局限性：

1. 重量大，因为密度大，例如：铜的密度是8.96g/cm3，铝的是2.7g/cm3。重量的超重会对电子与器件的设计和制造带来很大的难度，例如会对和涂料结合在一起的芯片造成破裂或其它不希望看到的机会，并且增加元器件自身的重量。对于便携式设备来讲，尤其需要解决对重量与散热性能的矛盾。

2. 占用空间大，尤其是电子元器件对空间要求苛刻时，对于对体积要求严格限制设备的来讲，尤其需要解决对体积与散热性能的矛盾。

3. 导热散热系数有限，而且不可调或可调空间极小。

发明内容

针对上述缺陷，本发明的目的是提供一种新型高导热散涂料，以解决现有技术因采用有色金属而导致的体积较大、重量较大、成本高以及导热散热系数不可调或导热散热系数可调空间极小不能满足需求的技术问题。

本发明的又一目的是提供一种新型高导热散涂料的制造方法，以解决现有技术因采用有色金属而导致的体积较大、重量较大、成本高以及导热散热系数不可调或导热散热系数可调空间极小不能满足需求的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种新型高导热散热涂料，应用于电子产品散热领域，包括基础树脂和填料，所述基础树脂是涂料用树脂，所述填料由石墨、纳米石墨、鳞片石墨、石墨烯、热解碳、热解石墨、石墨粉体、碳纳米管、碳纤维、石墨纤维、陶瓷纤维、石英纤维、金属纤维、氧化锆、氮化硼、氮化硅、碳化硼、碳化硅、氧化镁粉、偏硅酸纤维、硅酸钙铝纤维、氧化铝纤维、铜、铝、银、钨、钼金属粉体的其中一种或其中多种组成。

依照本发明较佳实施例所述的新型高导热散热涂料，所述石墨纤维为沥青基、PAN基、粘胶基、酚醛基的其中一种，所述石墨纤维是经过刀具或气体破碎机破碎处理的短纤维、纤维粉体或两者的混合，所述石墨纤维的长度小于6mm。

依照本发明较佳实施例所述的新型高导热散热涂料，所述鳞片石墨是人造的。

依照本发明较佳实施例所述的新型高导热散热涂料，所述石墨粉体为膨胀石墨、等静压石墨、高纯石墨的其中一种。

一种新型高导热散热涂料的制造方法，包括：

步骤1: 将填料进行切割处理成短的填料纤维；

步骤2：将处理后的填料纤维与基础树脂混合；

步骤3：将混合后的材料均匀搅拌；

步骤4：将搅拌后的材料装桶。

依照本发明较佳实施例所述的制造方法，包括步骤1-1：将短的填料纤维放入研磨机进行研磨成为纤维粉体的填料纤维。

依照本发明较佳实施例所述的制造方法，所述混合后的材料中填料纤维的含量大于2%。

由于采用了以上的技术使得本发明相比现有技术，具有以下的优点和积极效果：

第一、依照本发明的材料和方法制成的新型高导热散热涂料，直接涂覆或喷涂在散热器的表面，根据复合材料的物理性能具有各向异性的特点，按照不同器件对散热的性能要求设计导热系数，加速散发电子元器件产生的热量、降低电子元器件的运行温度、提高电子元器件的使用寿命。

附图说明

图1为石墨晶体结构示意图；

图2为石墨烯单层结构示意图；

图3为本发明的一种采用石墨纤维制造新型高导热散热涂料的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

本发明的核心思想在于，将新型高分子复合材料例如石墨纤维结合基础树脂来制造散热涂料，通过提高热传导系数和热辐射效率，同时增加表面积来增大与传热介质的接触面积，提高与周围介质如空气的热传导效率，从而加快散热速度，降低电子元器件的运行温度，从而加速电子元器件产生的热量的散发提高电子元器件的使用寿命，并且降低生产成本。

本发明采用的新型导热散热涂料，尤其是填充了如下描述的材料，是填充了石墨、纳米石墨、鳞片石墨、石墨烯、热解碳、热解石墨、石墨粉体、碳纳米管、碳纤维、石墨纤维、陶瓷纤维、石英纤维、金属纤维、或者氧化锆、氮化硼、氮化硅、碳化硼、碳化硅、氧化镁粉以及天然矿物纤维如偏硅酸纤维、硅酸钙铝纤维、氧化铝纤维， 或者铜、铝、银、钨、钼金属粉体等其中一种或多种原材料的复合产品。这种填料的热导系数很高，最高可以达到3000W/m▪K，同时这种材料的传热性能是各向异性的，具有较高的热辐射效率。另外，这种材料具有更小的密度，具有比传统的填料材料如铜、铝或铝合金更多的优越性，更适合作为涂料的填料。

碳纤维、石墨纤维是一种特殊的材料，请参考图1为石墨晶体结构示意图；应用在涂料中的碳纤维或石墨纤维一般为沥青基、PAN基、粘胶基、酚醛基的其中一种，经过刀具或气体破碎机破碎处理的短纤维、纤维粉体或两者的混合，所述石墨纤维的长度小于6mm。这种材料主要靠热辐射来散热，在纤维直径方向和纤维长度方向的导热系数具有很大的差异性，长度方向的导热系数最大可以达到1000W/m▪K，而直径方向（垂直鳞片方向）的导热系数最小只有2.4W/m▪K，在高精度显微镜下是液晶结构，具有性能的各向异性。值得注意的是，由于这种材料在性能上的特殊性，所以可以根据纤维含量来调节复合材料的热导系数和热辐射效率，并且可以根据纤维的取向性来调整传热的方向。

在涂料中短纤维的分布是根据具体的成型工艺决定纤维的排布方向，一部分按照设计要求取向，一部分是杂乱无章分布的，总体是是种立体网状结构，主要的传热方式是靠纤维搭接和介质传递共同实现的。可以通过调整取向纤维和杂乱纤维的比例来调整涂料的散热性能和散热方向。

石墨烯也是一种特殊的材料，请参考图2为石墨烯单层结构示意图，石墨烯是从石墨中剥离出的石墨片，是仅由一层碳原子构成的薄片，明显比传统的鳞片石墨或其他石墨材料要薄，性能也明显不同，是完全不同的两种物质。这种材料是一种黑体材料，主要靠热辐射散热，在垂直鳞片方向和平行鳞片方向的导热系数具有很大的差异性，平行鳞片方向的导热系数最大可以达到3000W/m▪K（普通石墨的导热系数一般小于1500 W/m▪K），而垂直鳞片方向的导热系数较小，在高精度显微镜下是六边形的层状鳞片结构，具有性能的各向异性。值得注意的是，由于这种材料在性能上的特殊性，所以可以根据石墨烯的含量来调节复合材料的热导系数和热辐射效率，并且可以根据石墨烯的取向性来调整传热的方向。

另外在涂料中使用的鳞片石墨是人造的，而石墨粉体为膨胀石墨、等静压石墨、高纯石墨的其中一种。与传统的涂料相比，本发明涂料最大的不同在于其较高的热导系数，其主要散热方式是辐射散热，以及其导热系数和导热方向的可调节性和可设计性。

以下，则结合流程图，对举例以石墨纤维作为填料纤维来制造新型高导热散热涂料的工艺方法做出说明。

实施例一

请参考图3，本实施例为一种采用石墨纤维制造新型高导热散热涂料的流程图，可见，主要包括以下的步骤：

S201: 将喷丝制成的石墨纤维，进行切割处理成短的石墨纤维;

石墨纤维是以喷丝的方式制成的，短的石墨纤维则是喷丝所得石墨纤维经过特制的刀具（例如龙门铡刀）或气体破碎机，按照预先设定的长度切割或破碎而成的。当然，为与基础树脂更好结合，则在制备短的石墨短纤维之前，需要对石墨纤维根据不同的树脂做好表面处理，提高复合材料的性能。

在必要的情况下，还需要将处理过的短的石墨纤维放入研磨机进行研磨;研磨石墨纤维是通过短切得到的石墨纤维进一步加工所得，一般是把短切好的短的石墨纤维放入研磨机中研磨一定的时间，然后根据研磨时间和风洞分级得到一定目数的纤维粉体的石墨纤维。

S202: 将处理后的石墨纤维与基础树脂混合;

把以上研磨好的短的石墨纤维、纤维粉体的石墨纤维或两者的混合与树脂按照设定比例混合，例如重量比例或体积比例，得到所需要的材料，一般混合后的材料中填料纤维的含量大于2%，例如石墨纤维的含量大于2%，例如是5%，或者是20%。

S203: 将混合后的材料均匀搅拌；

S204: 将搅拌后的材料装桶。

将搅拌后的材料装在密闭性能良好的桶子里，使用时可以涂覆或喷涂的方式，将搅拌后的材料也就是本发明的新型高导热散热涂料包覆在散热器的表面，达到更快的散热效果。

综上所述，依照本发明的材料和方法制成的涂料，直接涂覆或喷涂在散热器的表面，热量传导到涂料上，涂料再把热量散发到空间中，加速散发电子元器件产生的热量，避免电子元器件因散热不充分而导致的性能降低或不稳定及使用寿命缩短等问题。

本发明的新型导热散热涂料，有效的提高和超越了传统散热器的散热性能，同时提供一种制作导热散热涂料的方法，这种涂料可以根据实际的热工设计要求调节其热导系数和传热方向以及热辐射效率，能够有效提高散热器的散热效果，从而减少散热器的重量和体积，为开发体积小，重量轻，性能高的电子元器件提供了有利的工作环境，同时这种新型涂料易生产加工，节约了企业成本。这种新型复合材料涂料具有以下的好处：

1. 采用的材料具有传热各向异性的特点，所以涂料具有定向传热功能。

2. 这种复合材料涂料的散热性有效提高了传统铝质或铜质散热器的散热效率。

3. 这种涂料主要靠热辐射来散热，可以有效减少散热器的体积，从而为电子元器件的设计带来更大的空间。

4. 在常温有氧环境中是惰性的，在最常见的环境中不会被氧化或腐蚀，使用寿命更长。

5. 操作简单，可以涂覆或喷涂，节约工时。

6. 有效降低散热器的表面温度，提高散热效果，电子元器件使用时间更长。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

1.一种新型高导热散热涂料，应用于电子产品散热领域，其特征在于，包括基础树脂和填料，所述基础树脂是涂料用树脂，所述填料由石墨、纳米石墨、鳞片石墨、石墨烯、热解碳、热解石墨、石墨粉体、碳纳米管、碳纤维、石墨纤维、陶瓷纤维、石英纤维、金属纤维、氧化锆、氮化硼、氮化硅、碳化硼、碳化硅、氧化镁粉、偏硅酸纤维、硅酸钙铝纤维、氧化铝纤维、铜、铝、银、钨、钼金属粉体的其中一种或其中多种组成。

2.如权利要求1所述的新型高导热散热涂料，其特征在于，所述石墨纤维为沥青基、PAN基、粘胶基、酚醛基的其中一种，所述石墨纤维是经过刀具或气体破碎机破碎处理的短纤维、纤维粉体或两者的混合，所述石墨纤维的长度小于6mm。

3.如权利要求1所述的新型高导热散热涂料，其特征在于，所述鳞片石墨是人造的。

4.如权利要求1所述的新型高导热散热涂料，其特征在于，所述石墨粉体为膨胀石墨、等静压石墨、高纯石墨的其中一种。

5.一种新型高导热散热涂料的制造方法，其特征在于，包括：

步骤1: 将填料进行切割处理成短的填料纤维；

步骤2：将处理后的填料纤维与基础树脂混合；

步骤3：将混合后的材料均匀搅拌；

步骤4：将搅拌后的材料装桶。

6.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，包括步骤1-1：将短的填料纤维放入研磨机进行研磨成为纤维粉体的填料纤维。

7.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述混合后的材料中填料纤维的含量大于2%。

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