CN103694706B - 高导热磁性复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高导热磁性复合材料及其制备方法，本发明针对目前高导热聚合物基复合材料主要以添加大量导热填料来改善其导热性能，而造成加工性能和机械性能下降的问题，以高导热性的碳纳米管和磁性片状金属为导热填料，在低含量导热填料填充下提高复合材料的导热性能，而制备这种复合材料的方法操作简单，无毒无污染，复合材料性价比高，应用范围广，可作为电子行业中散热和封装部件。

Description

高导热磁性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复合材料及其制备方法。

背景技术

随着微电子集成技术和组装技术的高速发展，组装密度迅速提高，电子元件、逻辑电路体积成千上万倍地缩小，微电子器件日益朝轻、薄、短、小方向发展，此时，电子元器件产生的热量迅速积累、增加，在使用温度下，要使微电子器件仍能高可靠性地正常工作，及时散热能力成为影响其使用寿命的关键限制因素。为保障器件运行可靠性，急需使用具备高可靠性、高导热性能的综合性能优异的聚合物基复合材料来替代该场合下使用的普通聚合物材料，迅速、及时地将发热元件积聚的热量传递给散热设备，保障电子设备正常运行。因此，作为一类重要导热材料，导热聚合物基复合材料是电子设备散热设计中必不可少的关键材料。

高导热聚合物基复合材料在微电子器件中的应用越来越广泛。例如导热塑料在电脑配件上的应用将改善电脑的散热问题并提高其运行速度和稳定性，比如CPU、笔记本外壳和各种集成电路板，这些材料都要求导热。另外，用于LED封装用的胶体、用于汽车柴油机喷油器的弹性元件、点火装置和螺旋弹簧离合器，表面线圈等等，同样要求具备高导热性能。而这些材料在国内大多靠进口，随着国内市场对导热高分子复合材料需求的上升，使其相关应用材料的研制和生产变得越发迫切。这类功能性高分子材料的研究和开发具有重要的理论和经济价值。

近期，填料对聚合物材料导热性能的影响已开展了很多研究工作。这些聚合物材料包括硅橡胶、聚酰亚胺、聚四氟乙烯等，而填料主要有金属粉、金属氧化物及金属氮化物和碳化物等。尤其，一些各向异性填料，如碳纳米管和碳纳米纤维，由于其很高的长径比和导热性，可使复合材料的导热系数得到很大提高，Jakubinek 等将SWCNT均匀分散到聚苯乙烯中制备了CNTs/PS复合材料，发现SWCNT的加入提高了PS基复合材料的导热性能，在SWCNT加入质量比为1%时其导热性能提高了50%。

尽管导热材料的研究工作较多，有些材料热导率也确实提高不少，但是在这些研究中，只有当填料的填充分数很高时才能显著提高材料的热导率，而大量填料的填充必然使聚合物的加工性能、机械性能降低，这就限制了导热材料的应用。因此，在提高复合材料热导率的同时，保持基体树脂的其他优异性能就成为高导热聚合物基复合材料研究的一个重要方向。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供了一种以少量的填料形成有效的导热网链，提高硅橡胶类弹性体的导热系数的高导热磁性复合材料及其制备方法。

本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高导热磁性复合材料，其以磁性片状金属与碳纳米管混合的导热填料定向分布于弹性基体中，形成含有高导热网络的复合材料，且所述磁性片状金属为片状镍、片状铁和片状钴中的一种或一种以上以任意比例混合，所述磁性片状金属直径为0.5～100μm；所述碳纳米管为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的一种或两种以任意比例混合，所述碳纳米管直径为10～100nm，长度为1～500μm。

作为本发明的进一步改进，所述磁性片状金属与碳纳米管体积比为0.5:3～3:0.5。

作为本发明的进一步改进，所述弹性基体为硅橡胶。

作为本发明的进一步改进，所述导热填料成链状或网状分布于弹性基体中，导热填料与弹性基体的体积比为0.5:10～3:10。

一种上述高导热磁性复合材料的制备方法，包括以下几个步骤：

1）将磁性片状金属和碳纳米管按体积比称量，并使其均匀混合得到导热填料；

2）将导热填料按体积比称量，加入弹性基体内，并使其均匀混合，得到导热填料与弹性基体的混合物；

3）将混合物转置于要填充的设备、装置内，并包含施加磁场，根据需要调整外加磁场以定向磁场方向，于-20℃至150℃、湿度60 R.H～70 R.H的条件下固化直至成型，获得高导热磁性复合材料。

本发明的有益效果是：本发明针对目前高导热聚合物基复合材料主要以添加大量导热填料来改善其导热性能，而造成加工性能和机械性能下降的问题，以高导热性的碳纳米管和磁性片状金属为导热填料，在低含量导热填料填充下提高复合材料的导热性能，而制备这种复合材料的方法操作简单，无毒无污染，复合材料性价比高，应用范围广，可作为电子行业中散热和封装部件。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

实施例一：

（1）选取片状镍和单壁碳纳米管作为导热填料，其中片状镍的粒径为0.5μm，单壁碳纳米管直径为10nm，长度为1μm，片状镍与单壁碳纳米管体积比为1:1，导热填料与硅橡胶的体积比为1:10；弹性基体选用双组份常温固化型硅橡胶（市购，不指定品牌）；

（2）将片状镍和单壁碳纳米管放入微型搅拌机内混合4H，得到导热填料；

（3）将导热填料加入到双组份硅橡胶中，放入搅拌机中搅拌4小时，然后再超声混合1小时；

（4）将固化剂（硅橡胶、固化剂组分质量比为10:1），精确称量并加入到搅拌机内，搅拌40分钟，得到混合物；

（5）将混合物浇注到模具中，并将模具放置在磁场内（磁场可以使用强磁铁产生），利用磁场对导热填料进行分布诱导；

（6）室温、湿度65 R.H条件下固化24小时后，撤去磁场装置，将样品从模具中取出，制得目标产物——高导热磁性复合材料。

实施例二：

（1）选取镍纤维和单壁碳纳米管作为导热填料，其中镍纤维的粒径为0.5μm，单壁碳纳米管直径为10nm，长度为1μm，镍纤维与单壁碳纳米管体积比为1:1，导热填料与硅橡胶的体积比为1:10；弹性基体选用双组份常温固化型硅橡胶（市购，不指定品牌）；

（2）将镍纤维和单壁碳纳米管放入微型搅拌机内混合4H，得到导热填料；

（3）将导热填料加入到双组份硅橡胶中，放入搅拌机中搅拌4小时，然后再超声混合1小时；

（4）将固化剂（硅橡胶、固化剂组分质量比为10:1），精确称量并加入到搅拌机内，搅拌40分钟，得到混合物；

（5）将混合物浇注到模具中，并将模具放置在磁场内（磁场可以使用强磁铁产生），利用磁场对导热填料进行分布诱导；

（6）室温、湿度65 R.H条件下固化24小时后，撤去磁场装置，将样品从模具中取出，制得目标产物——高导热磁性复合材料。

实施例三：

（1）选取片状铁、片状镍和多壁碳纳米管作为导热填料，其中片状铁的粒径为100μm，片状镍的粒径为50μm，多壁碳纳米管直径为100nm，长度为500μm，片状铁、片状镍与多壁碳纳米管体积比为1 ：1 ：1，导热填料与硅橡胶的体积比为2:10；弹性基体选用双组份常温固化型硅橡胶；

（2）将片状铁、片状镍和多壁碳纳米管放入微型搅拌机内混合4H，得到导热填料；

（3）将导热填料加入到双组份硅橡胶中，放入搅拌机中搅拌4小时，然后再超声混合1小时；

（4）将固化剂（硅橡胶、固化剂组分质量比为10:1），精确称量并加入到搅拌机内，搅拌40分钟，得到混合物；

（5）将混合物浇注到模具中，并将模具放置在磁场内（磁场可以使用强磁铁产生），利用磁场对导热填料进行分布诱导；

（6）-20℃、湿度60 R.H条件下固化24小时后，撤去磁场装置，将样品从模具中取出，制得目标产物——高导热磁性复合材料。

实施例四：

（1）选取铁纤维、镍纤维和多壁碳纳米管作为导热填料，其中铁纤维的粒径为100μm，镍纤维的粒径为50μm，多壁碳纳米管直径为100nm，长度为500μm，铁纤维、镍纤维与多壁碳纳米管体积比为1 ：1 ：1，导热填料与硅橡胶的体积比为2:10；弹性基体选用双组份常温固化型硅橡胶；

（2）将铁纤维、镍纤维和多壁碳纳米管放入微型搅拌机内混合4H，得到导热填料；

（3）将导热填料加入到双组份硅橡胶中，放入搅拌机中搅拌4小时，然后再超声混合1小时；

（4）将固化剂（硅橡胶、固化剂组分质量比为10:1），精确称量并加入到搅拌机内，搅拌40分钟，得到混合物；

（5）将混合物浇注到模具中，并将模具放置在磁场内（磁场可以使用强磁铁产生），利用磁场对导热填料进行分布诱导；

（6）-20℃、湿度60 R.H条件下固化24小时后，撤去磁场装置，将样品从模具中取出，制得目标产物——高导热磁性复合材料。

实施例五：

（1）选取片状铁、片状镍、片状钴、单壁碳纳米管和多壁碳纳米管作为导热填料，其中片状钴的粒径为50μm，片状钴的粒径为75μm，片状钴的粒径为100μm，单壁碳纳米管直径为50nm，长度为250μm，多壁碳纳米管直径为50nm，长度为500μm，片状铁、片状镍、片状钴、单壁碳纳米管和多壁碳纳米管体积比为1 ：1 ：1 ：1 ：1，导热填料与硅橡胶的体积比为2:10；弹性基体选用双组份常温固化型硅橡胶（市购，不指定品牌）；

（2）将片状铁、片状镍、片状钴、单壁碳纳米管和多壁碳纳米管放入微型搅拌机内混合4H，得到导热填料；

（3）将导热填料加入到双组份硅橡胶中，放入搅拌机中搅拌4小时，然后再超声混合1小时；

（4）将固化剂（硅橡胶、固化剂组分质量比为10:1），精确称量并加入到搅拌机内，搅拌40分钟，得到混合物；

（5）将混合物浇注到模具中，并将模具放置在磁场内（磁场可以使用强磁铁产生），利用磁场对导热填料进行分布诱导；

（6）150℃、湿度70 R.H条件下固化24小时后，撤去磁场装置，将样品从模具中取出，制得目标产物——高导热磁性复合材料。

实施例六：

（1）选取铁纤维、镍纤维、钴纤维、单壁碳纳米管和多壁碳纳米管作为导热填料，其中铁纤维的粒径为50μm，钴纤维的粒径为75μm，镍纤维的粒径为100μm，单壁碳纳米管直径为50nm，长度为250μm，多壁碳纳米管直径为50nm，长度为500μm，铁纤维、镍纤维、钴纤维、单壁碳纳米管和多壁碳纳米管体积比为1 ：1 ：1 ：1 ：1，导热填料与硅橡胶的体积比为2:10；弹性基体选用双组份常温固化型硅橡胶（市购，不指定品牌）；

（2）将铁纤维、镍纤维、钴纤维、单壁碳纳米管和多壁碳纳米管放入微型搅拌机内混合4H，得到导热填料；

（3）将导热填料加入到双组份硅橡胶中，放入搅拌机中搅拌4小时，然后再超声混合1小时；

（4）将固化剂（硅橡胶、固化剂组分质量比为10:1），精确称量并加入到搅拌机内，搅拌40分钟，得到混合物；

（5）将混合物浇注到模具中，并将模具放置在磁场内（磁场可以使用强磁铁产生），利用磁场对导热填料进行分布诱导；

（6）150℃、湿度70 R.H条件下固化24小时后，撤去磁场装置，将样品从模具中取出，制得目标产物——高导热磁性复合材料。

将上述6个实施例中得到的高导热磁性复合材料分别进行测量得到的热扩散系数以及在磁场中固化后的热扩散系数如下表：

上述数据表面，采用热性的碳纳米管和磁性片状金属为导热填料，在低含量导热填料填充下能有效提供高复合材料的导热性能。

Claims (5)

1.一种高导热磁性复合材料，其特征在于：其以磁性片状金属与碳纳米管混合的导热填料定向分布于弹性基体中，形成含有高导热网络的复合材料，且所述磁性片状金属为片状镍、片状铁和片状钴中的一种或一种以上以任意比例混合，所述磁性片状金属直径为0.5～100μm；所述碳纳米管为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的一种或两种以任意比例混合，所述碳纳米管直径为10～100nm，长度为1～500μm。

2.根据权利要求1所述的高导热磁性复合材料，其特征在于：所述磁性片状金属与碳纳米管体积比为0.5:3～3:0.5。

3.根据权利要求1所述的高导热磁性复合材料，其特征在于：所述弹性基体为硅橡胶。

4.根据权利要求1所述的高导热磁性复合材料，其特征在于：所述导热填料成链状或网状分布于弹性基体中，导热填料与弹性基体的体积比为0.5:10～3:10。

5.一种根据权利要求1所述的高导热磁性复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下几个步骤：

1）将磁性片状金属和碳纳米管按体积比称量，并使其均匀混合得到导热填料；

2）将导热填料按体积比称量，加入弹性基体内，并使其均匀混合，得到导热填料与弹性基体的混合物；

3）将混合物转置于要填充的设备、装置内，并包含施加磁场，根据需要调整外加磁场以定向磁场方向，于-20℃至150℃、湿度60 R.H～70 R.H的条件下固化直至成型，获得高导热磁性复合材料。