CN102924923A - 一种高导热磁性金属纤维/硅橡胶复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于功能复合材料技术领域，尤其涉及一种高导热磁性金属纤维/硅橡胶复合材料及其制备方法。本发明的目的是针对现有填充型导热硅橡胶及制备方法的缺点，提供一种以金属纤维为主导热网链，与多种无机导热颗粒相混合的导热填料与硅橡胶复合形成高导热磁性金属纤维/硅橡胶复合材料及其制备方法，制备过程中利用磁场诱导使导热填料成链状分布，少量的填料形成有效的导热网链，提高硅橡胶的导热系数。

Description

一种高导热磁性金属纤维/硅橡胶复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于功能复合材料技术领域，尤其涉及一种高导热磁性金属纤维/硅橡胶复合材料及其制备方法。

背景技术

随着微型电子技术向密集化、小型化的发展，其工作温度急剧升高；大多数电子设备使用金属板作为散热器件，然而制造成本相对较高，导热硅橡胶能有效散出电子器件产生的热量，提高电子设备的使用寿命及工作效率。

提高硅橡胶导热性能的途径有两条：第一 ,合成自身具有高热导率的结构型导热硅橡胶 ,结构型导热聚合物主要通过电子导热机制实现导热 ,或具有完整结晶性，通过声子实现导热；第二 ,利用高导热填料对硅橡胶进行填充，制备高导热硅橡胶复合材料；前者涉及新型聚合物的设计与制备, 投入较大, 所合成的聚合物在品种、性能和应用上均有较大的局限性，而后者则可以根据对材料基本性能的要求选择适宜的聚合物和导热填料 ,因而材料的选择面较广 ,更具有工业应用价值。

填充型导热橡胶由高分子基体和高导热填料组成，其中导热填料是主要的导热载体，当填料的量比较小时，彼此能够均匀分散在基体中，填料之间不发生接触和相互作用;当填料量超过一定的限度时，填料之间间距减小并发生相互作用，在基体中形成了类似链状和网状的结构，称为导热网链；然而高含量的导热填料必定会影响液体硅橡胶的流动性和成型后的力学性能，因此，必须在低填充量的情况下尽量提高其导热性能；另外，填充型复合材料体系中的填料和基体可以分别看作为两个热阻，由最小热阻法可知，热量会沿热阻力最小的通道传递，当填料在体系内部形成与热流方向平行的导热网链后，由于填料的热阻远远小于高分子基体，热流会通过形成的网链传递，因此整个体系的热阻变小，导热性能提高；如何使体系中形成与热流方向平行的导热网链是提高导热性能的关键之一。

中国化工信息网曾报道通过开发一种SiN取向填料来提高硅橡胶导热性,通过在SiN原料体中加入晶种,使SiN晶种粒子取向排列,形成具有取向的纤维状SiN,纤维状结构的形成,使SiN的热导率呈现各向异性,在结构取向上热导率达120W/m.K,为普通SiN的3倍；除此之外，目前见到的导热填料多为陶瓷填料、金属氧化物、金属氮化物或碳化物；金属氧化物主要有氧化铝、氧化锌、氧化镁、氧化被、氧化铁；金属氮化物主要有氮化硼、氮化铝；碳化物主要有碳化硅、碳黑；导热填料的形状主要是球型、类球型、扁平型、圆饼型、鳞片状，也有的导热填料为多种形状粒子相混合；然而，这些填料，尤其是在低添加量时难以形成导热网链，开发的导热橡胶普遍具有热导率低这一缺陷；目前尚未见到通过以高导热金属纤维为主导，多种导热颗粒相混合的复合导热填料来改善硅橡胶导热性能的报道；另外，目前导热硅橡胶的研究仅局限于简单的共混复合，难以实现导热填料定向排列形成导热网链。

发明内容

本发明的目的是针对现有填充型导热硅橡胶及制备方法的缺点，提供一种以金属纤维为主导热网链，与多种无机导热颗粒相混合的导热填料与硅橡胶复合形成高导热磁性金属纤维/硅橡胶复合材料及其制备方法，制备过程中利用磁场诱导使导热填料成链状分布，少量的填料形成有效的导热网链，提高硅橡胶的导热系数。

本发明的发明目的是通过以下技术方案实现的：

    一种高导热磁性金属纤维/硅橡胶复合材料，其特征在于：以磁性金属纤维与磁性颗粒或/与非磁性颗粒相混合的导热填料定向分布于硅橡胶中形成含有导热网络的硅橡胶基复合材料；磁性金属纤维为镍纤维、铁纤维、钴纤维或它们之间按任意质量比例混合的混合物，长度为1~35μm；磁性颗粒为铁粉、钴粉、镍粉或它们之间按任意质量比例混合的混合物，粒径为0.5~50μm；非磁性颗粒为氧化铝、氧化锌、氧化镁、氮化硼、氮化铝、碳化硅、碳黑或它们之间按任意质量比例混合的混合物，粒径为0.5~50μm。

导热填料中磁性金属纤维与磁性颗粒、非磁性颗粒或磁性颗粒和非磁性颗粒之和的质量比为0.5:1~3:1；硅橡胶为市售普通双组分液体AB硅橡胶，A组分为基体胶，B组分为固化剂，A、B组分质量比为100:3~100:15；导热填料与硅橡胶的质量比为0.5:10~3:10。

一种高导热磁性金属纤维/硅橡胶复合材料的制备方法，包括以下几个步骤：

（1）将磁性金属纤维和磁性颗粒或/与非磁性颗粒混合形成导热填料；

（2）将硅橡胶A组分与导热填料均匀混合；

（3）加入固化剂B组分，搅拌均匀混合；

（4）将混合物放入成型模具，于-20℃至150℃固化12~24小时，并在固化过程中放置钕铁硼磁体于模具两端，利用磁场对导热填料进行链状分布诱导； 

（5）将样品从成型模具中取出，获得高导热磁性金属纤维/硅橡胶复合材料。

本发明是通过磁性金属纤维和多种颗粒填料的混合，利用外加磁场使导热填料成链状分布，以提高整个体系的导热率，生产过程中不产生有毒物质或刺激性气体，没有副产物，效率高，可满足电子电器行业的需求，性价比高。

 

具体实施方式

通过以下实施例进一步描述：

实施例一：

（1）选取镍纤维和镍粉作为导热填料，其中镍纤维长度6μm，镍粉粒径为1μm，镍纤维

与镍粉的质量比为3:1，导热填料与硅橡胶的质量比为3：10。

（2）将镍纤维和镍粉混合均匀， 形成导热填料。

    （3）将硅橡胶A组分与导热填料放入搅拌机中搅拌4小时，超声混合1小时，使其混合均匀。

    （4）加入固化剂B组分（A、B组分质量比为10:1），搅拌40分钟。

（5）将混合物放入模具中，并且将模具放入钕铁硼磁场中，利用磁场对导热填料进行分布诱导。

（6）室温固化24小时后，将样品从模具中取出，制得高导热复合材料。

经过测试得到：在外加磁场条件下制备的导热复合硅橡胶，其热扩散系数为硅橡胶基体的171%，为未加磁场的相同组成复合材料的118%。

实施例二：

（1）选取铁纤维、钴纤维、铁粉和氧化铝粉作为导热填料，其中铁纤维、钴纤维长度均

为5μm，铁纤维与钴纤维的质量比为1:1，铁粉、氧化铝粒径均为3μm，铁粉与氧化铝的

质量比为1：2，纤维与颗粒的质量比为1：1，导热填料与硅橡胶的质量比为0.5：10。

（2）将铁纤维、钴纤维、铁粉和氧化铝粉混合均匀， 形成导热填料。

    （3）将硅橡胶A组分与导热填料放入搅拌机中搅拌6小时，超声混合1小时，使其混合均匀。

    （4）加入固化剂B组分（A、B组分质量比为20:1），搅拌40分钟。

（5）将混合物放入模具中，并且将模具放入磁场，利用磁场对导热填料进行分布诱导。

（6）于50℃固化16小时后，将样品从模具中取出，制得高导热复合材料。

经过测试得到：在外加磁场条件下制备的导热复合硅橡胶，其热扩散系数为硅橡胶基体的167%，为未加磁场的相同组成复合材料的116%。

实施例三：

（1）选取钴纤维、镍纤维、铁纤维、镍粉、氧化镁粉作为导热填料，其中钴纤维、镍

纤维、铁纤维长度均为3μm，钴纤维、镍纤维、铁纤维的质量比为0.5:1:1，镍粉、氧化铝

粉均为1.5μm，镍粉与氧化镁粉的质量比为1:5，纤维与颗粒的质量比为7:3，导热填料与

硅橡胶的质量比为1.5：10。

（2）将钴纤维、镍纤维、铁纤维、镍粉、氧化镁粉混合均匀， 形成导热填料。

    （3）将硅橡胶A组分与导热填料放入搅拌机中搅拌5小时，超声混合2小时，使其混合均匀。

    （4）加入固化剂B组分（A、B组分质量比为20:3），搅拌40分钟。

（5）将混合物放入模具中，并且将模具放入磁场，利用磁场对导热填料进行分布诱导。

（6）于-10℃固化12小时后，将样品从模具中取出，制得高导热复合材料。

经过测试得到:在外加磁场条件下制备的导热复合硅橡胶，其热扩散系数为硅橡胶基体的145%，为未加磁场的相同组成复合材料的114%。

实施例四：

（1）选取镍纤维、铁纤维、镍粉、铁粉、碳化硅粉、氮化铝粉作为导热填料，其中镍纤

维、铁纤维长度均为6μm，镍纤维、铁纤维的质量比为3:1，镍粉、铁粉、碳化硅粉、氮化铝粉粒径均为0.5μm，镍粉、铁粉、碳化硅粉、氮化铝粉的质量比为1：1：2：3，纤维与颗粒的质量比为3:1，导热填料与硅橡胶的质量比为3：10。

（2）将镍纤维、铁纤维、镍粉、铁粉、碳化硅粉、氮化铝粉混合均匀， 形成导热填料。

    （3）将硅橡胶A组分与导热填料放入搅拌机中搅拌6小时，超声混合1.5小时，使其混合均匀。

    （4）加入固化剂B组分（A、B组分质量比为10:1），搅拌40分钟。

（5）将混合物放入模具中，并且将模具放入磁场，利用磁场对导热填料进行分布诱导。

（6）于120℃固化12小时后，将样品从模具中取出，制得高导热复合材料。

经过测试得到:在外加磁场条件下制备的导热复合硅橡胶，其热扩散系数为硅橡胶基体的152%，为未加磁场的相同组成复合材料的118%。

Claims (3)

1.一种高导热磁性金属纤维/硅橡胶复合材料，其特征在于：所述复合材料为以磁性金属纤维与磁性颗粒或/和非磁性颗粒相混合的导热填料定向分布于硅橡胶中形成含有导热网络的硅橡胶基复合材料；磁性金属纤维为镍纤维、铁纤维、钴纤维或它们之间按任意质量比例混合的混合物，长度为1~35μm；磁性颗粒为铁粉、钴粉、镍粉或它们之间按任意质量比例混合的混合物，粒径为0.5~50μm；非磁性颗粒为氧化铝、氧化锌、氧化镁、氮化硼、氮化铝、碳化硅、碳黑或它们之间按任意质量比例混合的混合物，粒径为0.5~50μm。

2.如权利要求1所述的一种高导热磁性金属纤维/硅橡胶复合材料，其特征在于：导热填料中磁性金属纤维与磁性颗粒、非磁性颗粒或磁性颗粒和非磁性颗粒之和的质量比为0.5:1~3:1；硅橡胶为市售普通双组分液体AB硅橡胶，A组分为基体胶，B组分为固化剂，A、B组分质量比为100:3~100:15；导热填料与硅橡胶的质量比为0.5:10~3:10。

3.如权利要求1所述的一种高导热磁性金属纤维/硅橡胶复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）将磁性金属纤维和磁性颗粒或/与非磁性颗粒混合形成导热填料；

（2）将硅橡胶A组分与导热填料均匀混合；

（3）加入固化剂B组分，搅拌均匀混合；

（4）将混合物放入成型模具，于-20℃至150℃固化12~24小时，并在固化过程中放置钕铁硼磁体于模具两端，利用磁场对导热填料进行链状分布诱导； 

（5）将样品从成型模具中取出，获得高导热磁性金属纤维/硅橡胶复合材料。