CN103123952A - 一种三维高导热石墨复合材料 - Google Patents
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Abstract
一种三维高导热石墨复合材料，包括至少两层高导热膜（10）和至少一层粘结层（11），以及封装层（12），相邻两层高导热膜（10）之间设有粘结层（11），在不高于500℃的温度下熔化并施加小于1Kg/cm2的压力，将相邻的两层高导热膜（10）粘结在一起，而未接触的位置则未结合在一起，形成空腔，其特征在于：所述的封装层（12）置于空腔内，形成三维高导热石墨复合材料。本发明，可以制作成块体，片材及膜材，在使用时将本高导热材料固定在需要散热的部件上，能够保证三维方向上的快速散热性能。
Description
技术领域
本发明属于导热材料领域。具体涉及一种在三维方向上具有高导热性能的石墨复合材料结构及制作方法。
背景技术
在显示和照明领域，LED取代常规的显示照明器件，已是一个不可逆转的趋势。不论在液晶显示，还是在照明，使用更大功率的LED是各大厂家共同追寻的目标。但是，大功率的LED本身的发热量巨大，对其本身的寿命有着显著地影响，而已有的散热方法并不能解决其散热问题。
金属由于其良好的导热性能已经得到广泛使用，如银（420 W/ mK、铜 （402 W/ mK）、金（318W/mK）、铝（237 W/mK）等。其中铜和铝因为价格优势，应用最为普遍，如笔记本里的铜质散热管，LCD显示屏上的铝质导热热沉。但是，随着电子设备的日益小型化和功率扩大化，现有的金属散热器件已经难以满足散热要求。而一种新型的具有极高热导率的材料的出现，弥补了这方面的空白。这种高导热率材料是石墨材质的膜材，其导热率可以达到1800 W/mK 。这种石墨导热膜在使用中直接粘接在热源，将热量迅速扩散到整个导热膜表面，增大散热面积，从而达到快速散热的效果。但是，这种石墨导热膜的高导热率主要体现在与表面平行的xy方向，而在膜材的垂直方向，其导热率仅在5-10 W/mK。发明内容
针对以上问题，本发明的目的在于提供一种三维高导热石墨复合材料，是将高导热膜进行结构设计和重新组合，使其可以在三维方向上实现极高的导热率，增加散热效果并扩展其应用领域。
本发明的技术方案是通过以下方式实现的：一种三维高导热石墨复合材料，包括至少两层高导热膜、至少一层粘结层以及封装层，相邻两层高导热膜之间设有粘结层，在不高于500℃的温度熔化并施加小于1Kg/cm2的压力，将相邻的两层高导热膜接触的位置粘结在一起，或通过其本身的粘性下将相邻的两层高导热膜层粘结在一起，而未接触的位置则未结合在一起，形成空腔，其特征在于：所述的封装层置于空腔内，形成三维高导热石墨复合材料。
所述的高导热膜的材质为石墨，导热率在400-2400 W/mK，厚度为5-1000μm；所述的粘结层的材质为低熔点金属或金属合金、或为掺杂导热材1-500料的聚合物，其导热率在1-500 W/mK，粘结层对于每相邻两层高导热膜之间的粘结点大于5个，且连接点之间的距离大于1mm；所述的封装层的材料为高分子聚合物。
所述的粘结层的材质是掺杂导热材料的聚合物，聚合物至少包含一种或两种以下组合物的组合：聚酯、聚烯烃、乙烯一乙酸乙烯酯、聚碳酸酯、聚氨酯、氟聚合物、硅胶和环氧树脂。
所述的粘结层分为有粘性和无粘性，其剥离强度为0.1-100N/mm；其粘结层区域的形状为条形、方形、圆形或非规则几何形状。
所述的粘结层通过在不高于200℃的温度下聚合，将相邻两层高分子导热膜粘结在一起或通过其本身的粘性将相邻的两层高导热膜层粘结在一起。
所述的封装层是：聚酯、聚烯烃、乙烯一乙酸乙烯酯、聚碳酸酯、聚氨酯、硅胶、含氟聚合物、环氧树脂中的一种或两种以上聚合物的组合。
所述的封装层完全或部分填充在高导热膜与粘结层所形成的空腔内。
本发明，可以制作成块体，片材及膜材，在使用时将本高导热材料固定在需要散热的部件上，能够有效的三维方向上快速散热。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的高分子导热膜结构示意图。
图3是本发明的截面结构示意图。
图4是本发明截面为正方形的示意图。
图5是本发明截面为六角形的示意图。
图6是本发明截面为圆形的示意图。
具体实施方式
由图1知，一种三维高导热石墨复合材料，包括至少两层高导热膜10、至少一层粘结层11以及封装层12，相邻两层高导热膜10之间设有粘结层11，在不高于500℃的温度熔化并施加小于1Kg/cm2的压力，将相邻的两层高导热膜10接触的位置粘结在一起，或通过其本身的粘性下将相邻的两层高导热膜10层粘结在一起，而未接触的位置则未结合在一起，形成空腔，封装层12置于空腔内，形成三维高导热石墨复合材料。
实施例1：
本实施例的高导热膜10的材质为石墨，导热率在400-2400 W/mK，厚度为5-1000μm；所述的粘结层11的材质为金属或金属合金，包括但并不仅限于金，银，铜，铝，铁，铬、锰，镁、铅、锌、锡、镍、铂、钛、钨、锗，铯两种或多种上述金属或金属合金的组合，且低熔点金属或低熔点金属合金的熔点不大于500℃，其导热率在1-500 W/mK，粘结层对于每相邻两层高导热膜10之间的粘结点大于5个，且连接点之间的距离大于1mm；如图2所示，本实施例中高导热膜10为石墨的表面上施加粘结层11为条状的焊锡丝（Sn64Bi35Ag1），焊锡丝间距为10 mm。
如图3所示，将施加了焊锡丝的石墨膜叠层，使每一层上焊锡丝与相邻层上的焊锡丝平行交错排布。将叠层后的石墨膜施加100g/cm2的压力并加热到230℃，焊锡丝熔化，将上下层石墨膜焊接在一起；而未接触的位置则未结合在一起，形成空腔，封装层12置于空腔内，形成三维高导热石墨复合材料。
封装层12为乙烯一乙酸乙烯酯（Elvax®150, 美国杜邦公司）， 通过加热到150℃熔解，并在真空条件下充满于空腔内，在150℃温度下固化形成图1所示的复合材料结构。
如图4所示，将相邻石墨膜未粘结在一起的长形孔中，塞入截面为正方形的型材，其材质为木条（或金属，陶瓷等硬质材料），在上方施加100g/cm2的压力，使石墨膜层之间的孔定型为方形，形成的网状结构。
如图5所示，将焊接后的石墨膜叠层的孔中塞入截面为六边形的木条。
如图6所示，将焊接后的石墨膜叠层的孔中塞入截面为圆形的木条。
实施例2：
本实施例的高导热膜10的材质为石墨膜，导热率在400-2400 W/mK，厚度为5-1000μm；所述的粘结层11的材质为导热胶带（25wt%丙烯酸树脂，75 wt% Al2O3），导热胶带间距为10 mm。在高导热膜10表面上施加导热胶带，将叠层后的石墨膜施加100g/cm2的压力,导热胶带将上下层石墨膜粘结在一起。将叠层后的石墨膜施加100g/cm2的压力,导热胶带将上下层石墨膜粘结在一起。
本实施例的封装层12为液态双酚A环氧树脂，在真空条件下充满高导热膜10和粘结层11之间的空隙，在交联剂三乙烯四胺的作用下固化形成图1所示的复合材料结构，并且固化的环氧树脂表面具有粘性，可以直接粘接在热源表面。
在应用过程中，本发明所述的三维高导热复合材料通过x-y面与热源接触，热量可以同时沿xy面和z方向传导。可以沿与x-y平行的面进行切片，从而得到厚度在5-1000微米的三维高导热复合膜材。
粘结层11材质为掺杂导热材料的聚合物，聚合物的组合物包含至少一种选自以下的聚合物：聚酯、聚烯烃、乙烯一乙酸乙烯酯、聚碳酸酯、聚氨酯、硅胶、含氟聚合物、环氧树脂和两种或两种以上上述聚合物的组合，所述的掺杂导热材料包括但并不仅限于金，银，铜，铝，铁，铬、锰，镁、铅、锌、锡、镍、铂、钛、钨、锗，不锈钢，氧化铝，氧化铁，氧化钛、氧化锆，氮化铝，氮化钛，碳化钨，碳化铝，碳化钛，碳氮化钛，三氧化二铝，二氧化锆，碳化钨，氮化硅，碳化硅，碳化硼，硼化钛，氮化铝，氮化钛，碳化铝，碳化钛，碳氮化钛，硅铝酸盐、石墨的一种或两种以上上述导热材料的组合。粘结层11没有粘性或有粘性，其剥离强度为0.1-100N/mm；其粘结层区域为条形、方形、圆形及非规则形状。粘结层11通过在不高于200℃的温度下聚合，将相邻两层高导热膜粘结在一起或通过其本身的粘性将相邻的两层高导热膜粘结在一起。
封装层12的材料包含至少一种选自以下的聚合物：聚酯、聚烯烃、乙烯一乙酸乙烯酯、聚碳酸酯、聚氨酯、硅胶、含氟聚合物、环氧树脂中的一种或两种以上聚合物的组合。封装材料完全或部分填充高导热膜石墨和粘结层之间的空隙。
Claims (7)
1.一种三维高导热石墨复合材料，包括至少两层高导热膜（10）、至少一层粘结层（11）以及封装层（12），相邻两层高导热膜（10）之间设有粘结层（11），在不高于500℃的温度熔化并施加小于1Kg/cm2的压力将相邻的两层高导热膜（10）接触的位置粘结在一起，或通过其本身的粘性下将相邻的两层高导热膜层（10）粘结在一起，而未接触的位置则未结合在一起，形成空腔，其特征在于：所述的封装层（12）置于空腔内，形成三维高导热石墨复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种三维高导热石墨复合材料，其特征在于：所述的高导热膜（10）的材质为石墨，导热率在400-2400 W/mK，厚度为5-1000μm；所述的粘结层（11）的材质为低熔点金属或金属合金、或为掺杂导热材料的聚合物，其导热率为1-500 W/mK，粘结层（11）对于每相邻两层高导热膜之间的粘结点大于5个，且连接点之间的距离大于1mm；所述的封装层（12）的材料为高分子聚合物。
3.根据权利要求2所述的一种三维高导热石墨复合材料，其特征在于：所述的掺杂导热材料的聚合物是至少包含一种或两种以下组合物的组合：聚酯、聚烯烃、乙烯一乙酸乙烯酯、聚碳酸酯、聚氨酯、硅胶或环氧树脂。
4.根据权利要求1所述的一种三维高导热石墨复合材料，其特征在于：所述的粘结层（11）分为有粘性和无粘性，对于有粘性的粘结层其剥离强度为0.1-100N/mm；其粘结层区域的形状为条形、方形、圆形或非规则几何形状。
5.根据权利要求1所述的一种三维高导热石墨复合材料，其特征在于：所述的粘结层（11）通过在不高于200℃的温度下聚合，将相邻两层高导热膜（10）粘结在一起或通过其本身的粘性将相邻的两层高导热膜层（10）粘结在一起。
6.根据权利要求1所述的一种三维高导热石墨复合材料，其特征在于：所述的封装层（12）是：聚酯、聚烯烃、乙烯一乙酸乙烯酯、聚碳酸酯、聚氨酯、硅胶、含氟聚合物、环氧树脂中的一种或两种以上聚合物的组合。
7.根据权利要求1所述的一种三维高导热石墨复合材料，其特征在于：所述的封装层（12）完全或部分填充在高导热膜（10）与粘结层（11）所形成的空腔内。
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