CN103146198A - 导热复合材料及其制成的导热复合片材 - Google Patents
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Abstract
本发明的导热复合材料是由硅油和导热粉体混合而成，并根据需要选择性的增加了各种功能助剂。本发明的导热复合材料的导热系数大于5.0W/m·K，并在-40℃～200℃环境温度下柔软可压缩，不会硬化，从而可应用于各种发热元件与散热元件之间的间隙填充，用于降低界面热阻，缩短热传导的路径，增加元器件的散热速度。本发明的导热复合片材由导热复合材料模压或压延而成，压缩率高（在50Psi压力下压缩率可以达到40%以上），并可直接贴附于元器件上，具有制备工艺简单，使用方便等特点。
Description
【技术领域】
本发明涉及导热材料，特别涉及一种用于发热元件与散热元件之间间隙填充的导热复合材料及其制成的导热复合片材。
【背景技术】
随着当代电子技术的迅速发展，电子元器件的集成程度和组装密度不断提高，其在提供强大使用功能的同时，也导致了其工作功耗和发热量的急剧增大。众所周知，高温会对电子元器件的稳定性、可靠性和寿命产生有害的影响，因此确保发热电子元器件所产生的热量能够及时排出，己经成为电子产品系统组装的一个重要方面。而现有的散热技术和散热材料已逐渐不能满足高端散热的需求，散热问题正逐渐成为制约电子行业发展的瓶颈。现有技术中普遍用于电子元器件散热的材料是热界面材料，热界面材料作为发热元件与散热元件之间的热流“桥梁”，在散热过程中作用非常关键，其导热性能直接关系到电子元器件产生的热量能否及时的传递到散热材料上。因此，热界面材料的导热性能越好，越有利于电子元器件散热。常见的热界面材料包括导热硅脂、导热相变材料和导热垫片等。导热硅脂由于厚度较低（一般低于0.15mm）而具有极低的热阻，适用于发热功率较大的场合；但其使用时需要现场印刷或涂覆，工序比较繁琐，而且其只能用于元件直接接触而产生的界面，无法用于间隙较大的填充。导热相变材料熔点一般为40～60℃，在常温下呈固态，有利于操作和使用；在受热到熔点时，便转化为流体状态，可以在界面空隙达到充分填充，使界面热阻迅速下降，但是在高温条件下发生相变容易流出，且长期使用容易变性， 可靠性较差，并且在很多散热场合无法使用。导热垫片作为一种低弹性模量的热界面材料，可以做到0.2～10mm的厚度，柔软可压缩，并可填充各种不同厚度的间隙，但其导热性能相对较差，现有的导热垫片导热系数大都在0.8～3.5W/m·K之间，只能用于一些低端发热场合。
【发明内容】
本发明旨在解决上述问题，而提供一种可用于各种发热元件与散热元件之间的间隙填充，导热性能好，压缩率高并可长期使用而性能不下降的，并能适用于大功率发热场所的导热复合材料。
本发明的目的还在于提供由该导热复合材料制成的导热复合片材。
为实现上述目的，本发明提供了一种导热复合材料，其特征在于，该复合物材料是由黏度为10～10000mPas的硅油、导热粉体、功能助剂按质量比为1：12～50：0～0.15的比例混合而成，所述导热复合材料的导热系数大于5.0W/m·K。
所述导热粉体与硅油、功能助剂按上述比例混合时，所述导热粉体至少分3次加入。
所述硅油为线性硅油、改性硅油或硅凝胶中的至少一种。
所述线性硅油为二甲基硅油、二乙基硅油、羟基硅油、含氢硅油、乙烯基硅油、苯基硅油中的至少一种。
根据性能需要，所述硅凝胶可单独选用含有催化剂和链烯基硅油的A组分或含有交联剂和链烯基硅油的B组分，也可以选用AB组分的组合；为获得硬度、压缩率差异化的导热复合材料，所述硅凝胶可选用AB组分的组合，且A组分与B组分的质量比优选1：9～9：1。
所述导热粉体为氧化铝、二氧化硅、氧化锌、氧化镁、氮化铝、氮化硅、氮化硼、碳化硅、铝粉、铜粉、银粉、镍粉、石墨、碳纳米管和碳纤维中的至少一种。特别地，当制作电绝缘性导热复合材料时，可选用电绝 缘性的氧化铝、二氧化硅、氧化锌、氧化镁、氮化铝、氮化硅、氮化硼等电绝缘性导热粉体。若无绝缘要求，为获得导热系数更高的导热复合材料，所述导热粉体可选用金属粉体与石墨粉体或电绝缘性导热粉体的结合。
所述导热粉体的粒径为0.05～100微米，所述导热粉体由至少两种粒径大小的导热粉体混合而成，其可由同种的至少两种粒径大小的粉体混合而成，也可由不同种的至少两种粒径大小的粉体混合而成。
所述导热粉体为纤维状、柱状、片状、球状、类球状或不规则形状的粉体，优选球状和类球状粉体。
所述功能助剂作为自选组分，在不影响本发明特性的前提下，可根据性能需求而添加，其可为公知的偶联剂、稀释剂、增稠剂、抗氧化剂、抗蚀剂、增塑剂或阻燃剂等。
一种导热复合片材，其特征在于，该片材是由前述的导热复合材料模压或压延而成。为防止模压或压延工序产生气泡，可选择性地对上述导热复合材料进行抽真空处理，然后通过压延或模压工艺，得到上下覆盖保护膜的导热复合片材。
所述导热复合片材的导热系数大于5.0W/m·K，厚度为0.3～5mm。
本发明的导热复合材料是由硅油和导热粉体混合而成，并根据需要选择性的增加了各种功能助剂。本发明的导热复合材料的导热系数大于5.0W/m·K，并在-40℃～200℃环境温度下柔软可压缩，不会硬化，从而可应用于各种发热元件与散热元件之间的间隙填充，用于降低界面热阻，缩短热传导的路径，增加元器件的散热速度。本发明的导热复合片材由导热复合材料模压或压延而成，压缩率高（在50Psi压力下压缩率可以达到40%以上），并可直接贴附于元器件上，具有制备工艺简单，使用方便等特点。
【具体实施方式】
下列实施例是对本发明的进一步解释和补充，对本发明不构成任何限制。
实施例1
称取10kg黏度为8000mPas的二甲基硅油，60kg粒径为65μm的球状氧化铝粉体，10kg粒径为0.35μm的球状铝粉，50kg粒径为13μm的球状铝粉，0.8kg稀释剂，例如50mPas的二甲基硅油。将称取的10kg二甲基硅油和0.8kg稀释剂依次投入捏合机中进行混合，随后将120kg导热粉体分4次依次投入捏合机中，混合30min～90min，本例中，优选60min。混合过程中，温度对结果影响不大。经过捏合机混合均匀后便得到本发明的导热复合材料。
将制成的导热复合材料从捏合机中取出，并对导热复合材料进行抽真空处理，以去除导热复合材料中可能存在的气泡。最后通过压延机将所述导热复合材料压延成上下表面均覆有保护膜的片材，从而得到2mm厚的导热复合片材。所述保护膜为PE、PET、PTFE、PP、PVC、PC膜或离型纸中的一种，本例中，优选离型纸，以便剥离，从而可直接取下所述导热复合片材进行贴附使用。
将制得的导热复合片材利用LW9091IR型热阻测试仪分别测试其热阻和导热系数，并依照美国ASTM D575标准，利用WDW-2020型电子万能试验机测试其在不同压力下压缩率，其测试数据如表1所示。此外，针对本发明的导热复合片材还进行了长期高低温循环冲击试验，其测试方法为：将本发明的导热复合片材样品，放入高低温试验箱中，模拟在-40～200℃环境下循环冲击样品，以测试样品在冲击之后的热阻值、热导系数及不同压力下的压缩率。本实施例中，共循环冲击样品1000次，其中一个循环周期为：先在-40℃环境下保持30分钟，后以15℃/min的升温速率升至到200℃，在200℃环境下保持30分钟，再以15℃/min的速率降低到-40℃。导热复
合片材样品在冲击之后的热阻值、热导系数及不同压力下的压缩率的测试
方法如前所述，其测试数据如表1所示。
表1
由此可以看出，本发明的导热复合材料及使用其制成的导热复合片材导热系数在5.0W/m·K以上，导热性能好，压缩率高并可长期使用而性能不下降。
实施例2
称取10kg黏度为100mPas的乙烯基硅油，70kg粒径为60μm的球状氧化铝粉体，70kg粒径为4μm的球状氧化铝粉体，20kg粒径为3μm的块状氮化铝粉体，0.5kg增稠剂，例如比表面积为280m2/g的气相法白炭黑。将称取的10kg乙烯基硅油和0.5kg白炭黑依次投入捏合机中进行混合，随后将160kg导热粉体分3次依次投入捏合机中，混合30min～90min，本例中，优选90min。经过捏合机混合均匀后便得到本发明的导热复合材料。混合过程中，温度对结果影响不大。
将制成的导热复合材料从捏合机中取出，然后利用压延机将所述导热复合材料压延成上下表面均覆有保护膜的片材，从而得到2mm厚的导热复合片材。所述保护膜为PE、PET、PTFE、PP、PVC、PC膜或离型纸中的一种，本例中，优选离型纸，以便剥离，从而可直接取下所述导热复合片材进行贴附使用。
将制得的导热复合片材利用实施例1所述的方法分别测试其冲击前后的热阻、导热系数和压缩率，其数据如表2所示。
表2
由此可以看出，本发明的导热复合材料及使用其制成的导热复合片材导热系数在5.0W/m·K以上，导热性能好，压缩率高并可长期使用而性能不下降。
实施例3
称取10kg黏度为980mPas的长链烷基甲基硅油，80kg粒径为20μm的块状氧化铝粉体，30kg粒径为5μm的片状石墨粉体，20kg粒径为1μm的片状氮化硼粉体，0.8kg硅烷偶联剂A171。将称取的10kg长链烷基甲基硅油和0.8kg硅烷偶联剂依次投入捏合机中进行混合，随后将130kg导热粉体分5次依次投入捏合机中，混合30min～90min，本例中，优选80min。经过捏合机混合均匀后便得到本发明的导热复合材料。混合过程中，温度对结果影响不大。
将制成的导热复合材料从捏合机中取出，并对导热复合材料进行抽真空处理，以去除导热复合材料中可能存在的气泡。最后通过模压机将所述导热复合材料压塑成型，并在其上下表面覆上保护膜，从而得到2mm厚的导热复合片材。所述保护膜为PE、PET、PTFE、PP、PVC、PC膜或离型纸中的一种，本例中，优选离型纸，以便剥离，从而可直接取下所述导热复合片材进行贴附使用。
将制得的导热复合片材利用实施例1所述的方法分别测试其冲击前后的热阻、导热系数和压缩率，其数据如表3所示。
表3
由此可以看出，本发明的导热复合材料及使用其制成的导热复合片材导热系数在5.0W/m·K以上，导热性能好，压缩率高并可长期使用而性能不下降。
实施例4
称取10kg黏度为2000mPas的硅凝胶B组分，80kg粒径为10μm的块状氮化铝粉体，56kg粒径为1μm的块状氮化铝粉体。将称取的10kg硅凝胶B组分投入捏合机后，随后将136kg导热粉体分6次依次投入捏合机中，混合30min～90min，本例中，优选30min。经过捏合机混合均匀后便得到本发明的导热复合材料。混合过程中，温度对结果影响不大。
将制成的导热复合材料从捏合机中取出，并对导热复合材料进行抽真空处理，以去除导热复合材料中可能存在的气泡。最后通过模压机将所述导热复合材料压塑成型，并在其上下表面覆上保护膜，从而得到2mm厚的导热复合片材。所述保护膜为PE、PET、PTFE、PP、PVC、PC膜或离型纸中的一种，本例中，优选离型纸，以便剥离，从而可直接取下所述导热复合片材进行贴附使用。
将制得的导热复合片材利用实施例1所述的方法分别测试其冲击前后的热阻、导热系数和压缩率，其数据如表4所示。
表4
由此可以看出，本发明的导热复合材料及使用其制成的导热复合片材导热系数在5.0W/m·K以上，导热性能好，压缩率高并可长期使用而性能不 下降。
实施例5
称取9kg黏度为2000mPas的硅凝胶A组分和1kg黏度为2000mPas的硅凝胶B组分，80kg粒径为10μm的块状氮化铝粉体，56kg粒径为1μm的块状氮化铝粉体。将称取的10kg硅凝胶AB组分投入捏合机后，随后将136kg导热粉体分3次依次投入捏合机中，混合30min～90min，本例中，优选45min。经过捏合机混合均匀后便得到本发明的导热复合材料。混合过程中，温度对结果影响不大。
将制成的导热复合材料从捏合机中取出，并对导热复合材料进行抽真空处理，以去除导热复合材料中可能存在的气泡。最后通过模压机将所述导热复合材料压塑成型，并在其上下表面覆上保护膜，从而得到2mm厚的导热复合片材。所述保护膜为PE、PET、PTFE、PP、PVC、PC膜或离型纸中的一种，本例中，优选离型纸，以便剥离，从而可直接取下所述导热复合片材进行贴附使用。
将制得的导热复合片材利用实施例1所述的方法分别测试其冲击前后的热阻、导热系数和压缩率，其数据如表5所示。
表5
由此可以看出，本发明的导热复合材料及使用其制成的导热复合片材导热系数在5.0W/m·K以上，导热性能好，压缩率高并可长期使用而性能不下降。
实施例6
称取5kg黏度为100mPas的乙烯基硅油，5kg黏度为980mPas的长链 烷基甲基硅油，60kg粒径为19μm的块状氮化铝粉体，10kg粒径为4μm的片状石墨粉体，30kg粒径为2μm的片状氮化硼粉体，50kg粒径为10μm的块状氮化铝粉体，1kg稀释剂。将称取的10kg硅油和1kg稀释剂分别投入捏合机后，随后将150kg导热粉体分7次依次投入捏合机中，混合30min～90min，本例中，优选60min。经过捏合机混合均匀后便得到本发明的导热复合材料。混合过程中，温度对结果影响不大。
将制成的导热复合材料从捏合机中取出，并对导热复合材料进行抽真空处理，以去除导热复合材料中可能存在的气泡。最后通过模压机将所述导热复合材料压塑成型，并在其上下表面覆上保护膜，从而得到2mm厚的导热复合片材。所述保护膜为PE、PET、PTFE、PP、PVC、PC膜或离型纸中的一种，本例中，优选离型纸，以便剥离，从而可直接取下所述导热复合片材进行贴附使用。
将制得的导热复合片材利用实施例1所述的方法分别测试其冲击前后的热阻、导热系数和压缩率，其数据如表6所示。
表6
由此可以看出，本发明的导热复合材料及使用其制成的导热复合片材导热系数在5.0W/m·K以上，导热性能好，压缩率高并可长期使用而性能不下降。
实施例7
称取4kg黏度为8000mPas的二甲基硅油，6kg黏度为100mPas的乙烯基硅油，60kg粒径为65μm的球状氧化铝粉体，40kg粒径为19μm的块状氧化铝粉体，10kg粒径为0.2μm的块状氧化铝粉体，40kg粒径为1μm 的块状氮化铝粉体，1.5kg粘度为50mPas的二甲基硅油。将称取的10kg硅油和1.5kg稀释剂分别投入捏合机后，随后将150kg导热粉体分7次依次投入捏合机中，混合30min～90min，本例中，优选85min。经过捏合机混合均匀后便得到本发明的导热复合材料。混合过程中，温度对结果影响不大。
将制成的导热复合材料从捏合机中取出，并对导热复合材料进行抽真空处理，以去除导热复合材料中可能存在的气泡。最后通过模压机将所述导热复合材料压塑成型，并在其上下表面覆上保护膜，从而得到2mm厚的导热复合片材。所述保护膜为PE、PET、PTFE、PP、PVC、PC膜或离型纸中的一种，本例中，优选离型纸，以便剥离，从而可直接取下所述导热复合片材进行贴附使用。
将制得的导热复合片材利用实施例1所述的方法分别测试其冲击前后的热阻、导热系数和压缩率，其数据如表7所示。
表7
由此可以看出，本发明的导热复合材料及使用其制成的导热复合片材导热系数在5.0W/m·K以上，导热性能好，压缩率高并可长期使用而性能不下降。
实施例8
称取10kg黏度为100mPas的乙烯基硅油，100kg粒径为65μm的球状氧化铝粉体，100kg粒径为5μm的球状氧化铝粉体，40kg粒径为19μm的块状氧化铝粉体，10kg粒径为1μm的块状氮化铝粉体，1.5kg硅烷偶联剂A171。将称取的10kg硅油和1.5kg硅烷偶联剂分别投入捏合机后，随 后将250kg导热粉体分10次依次投入捏合机中，混合30min～90min，本例中，优选85min。经过捏合机混合均匀后便得到本发明的导热复合材料。混合过程中，温度对结果影响不大。
将制成的导热复合材料从捏合机中取出，并对导热复合材料进行抽真空处理，以去除导热复合材料中可能存在的气泡。最后通过模压机将所述导热复合材料压塑成型，并在其上下表面覆上保护膜，从而得到2mm厚的导热复合片材。所述保护膜为PE、PET、PTFE、PP、PVC、PC膜或离型纸中的一种，本例中，优选离型纸，以便剥离，从而可直接取下所述导热复合片材进行贴附使用。
将制得的导热复合片材利用实施例1所述的方法分别测试其冲击前后的热阻、导热系数和压缩率，其数据如表8所示。
表8
由此可以看出，本发明的导热复合材料及使用其制成的导热复合片材导热系数在5.0W/m·K以上，导热性能好，压缩率高并可长期使用而性能不下降。
实施例9
称取10kg黏度为10mPas的硅凝胶A组分，100kg粒径为100μm的类球状氧化锌粉体，150kg粒径为0.05μm的纤维状氧化镁粉体，125kg粒径为40μm的块状氮化硅粉体，125kg粒径为1μm的柱状氮化硼粉体，1.5kg增塑剂，例如邻苯二甲酸二丁酯。将称取的10kg硅凝胶和1.5kg增塑剂分别投入捏合机后，随后将500kg导热粉体分10次依次投入捏合机中，混合30min～90min，本例中，优选90min。经过捏合机混合均匀后便得到本 发明的导热复合材料。混合过程中，温度对结果影响不大。
将制成的导热复合材料从捏合机中取出，并对导热复合材料进行抽真空处理，以去除导热复合材料中可能存在的气泡。最后通过模压机将所述导热复合材料压塑成型，并在其上下表面覆上保护膜，从而得到5mm厚的导热复合片材。所述保护膜为PE、PET、PTFE、PP、PVC、PC膜或离型纸中的一种，本例中，优选离型纸，以便剥离，从而可直接取下所述导热复合片材进行贴附使用。
将制得的导热复合片材利用实施例1所述的方法分别测试其冲击前后的热阻、导热系数和压缩率，其数据如表9所示。
表9
由此可以看出，本发明的导热复合材料及使用其制成的导热复合片材导热系数在5.0W/m·K以上，导热性能好，压缩率高并可长期使用而性能不下降。
实施例10
称取10kg黏度为100mPas的羟基硅油，10kg粒径为50μm的类球状二氧化硅粉体，100kg粒径为0.2μm的纤维状氮化铝粉体，10kg粒径为3μm的纤维状碳化硅粉体，50kg粒径为0.05μm的柱状碳纳米管，10kg粒径为10μm的球状铜粉，0.7kg抗氧化剂1010。将称取的10kg硅油和0.7kg抗氧化剂分别投入捏合机后，随后将180kg导热粉体分3次依次投入捏合机中，混合30min～90min，本例中，优选30min。经过捏合机混合均匀后便得到本发明的导热复合材料。混合过程中，温度对结果影响不大。
将制成的导热复合材料从捏合机中取出，并对导热复合材料进行抽真 空处理，以去除导热复合材料中可能存在的气泡。最后通过模压机将所述导热复合材料压塑成型，并在其上下表面覆上保护膜，从而得到0.3mm厚的导热复合片材。所述保护膜为PE、PET、PTFE、PP、PVC、PC膜或离型纸中的一种，本例中，优选离型纸，以便剥离，从而可直接取下所述导热复合片材进行贴附使用。
将制得的导热复合片材利用实施例1所述的方法分别测试其冲击前后的热阻、导热系数和压缩率，其数据如表10所示。
表10
由此可以看出，本发明的导热复合材料及使用其制成的导热复合片材导热系数在5.0W/m·K以上，导热性能好，压缩率高并可长期使用而性能不下降。
Claims (10)
1.一种导热复合材料，其特征在于，该复合物材料是由黏度为10～10000mPas的硅油、导热粉体、功能助剂按质量比为1：12～50：0～0.15的比例混合而成，所述导热复合材料的导热系数大于5.0W/m·K。
2.如权利要求1所述的导热复合材料，其特征在于，所述导热粉体与硅油、功能助剂按上述比例混合时，所述导热粉体至少分三次加入。
3.如权利要求1或2所述的导热复合材料，其特征在于，所述硅油为线性硅油、改性硅油或硅凝胶中的至少一种。
4.如权利要求3所述的导热复合材料，其特征在于，所述线性硅油为二甲基硅油、二乙基硅油、羟基硅油、含氢硅油、乙烯基硅油、苯基硅油中的至少一种。
5.如权利要求3所述的导热复合材料，其特征在于，所述硅凝胶为含有催化剂和链烯基硅油的A组分、含有交联剂和链烯基硅油的B组分或AB组分的结合。
6.如权利要求1或2所述的导热复合材料，其特征在于，所述导热粉体为氧化铝、二氧化硅、氧化锌、氧化镁、氮化铝、氮化硅、氮化硼、碳化硅、铝粉、铜粉、银粉、镍粉、石墨、碳纳米管和碳纤维中的至少一种。
7.如权利要求6所述的导热复合材料，其特征在于，所述导热粉体的粒径为0.05～100微米，且所述导热粉体由至少两种粒径大小的导热粉体混合而成。
8.如权利要求7所述的导热复合材料，其特征在于，所述导热粉体为纤维状、块状、柱状、片状、球状、类球状或不规则形状的粉体。
9.如权利要求1或2所述的导热复合材料，其特征在于，所述功能助剂为偶联剂、稀释剂、增稠剂、抗氧化剂、抗蚀剂、增塑剂、阻燃剂中的一种或几种。
10.一种导热复合片材，其特征在于，该片材是由权利要求1所述的导热复合材料制成，所述片材的导热系数大于5.0W/m·K，厚度为0.3～5mm。
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