CN103738022A

CN103738022A - 一种导热绝缘复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN103738022A
Application number: CN201410020587.2A
Authority: CN
Inventors: 柯瑞林; 柯冰
Original assignee: Individual
Current assignee: Jiaxing Shangou Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2014-01-16
Filing date: 2014-01-16
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2034-01-16
Also published as: CN103738022B

Abstract

本发明申请提供一种导热绝缘复合材料及其制备方法，该复合材料按照距离热源由近及远的顺序依次为传导层和散热层，所述的导热绝缘复合材料的表面，一面为光面，一面为粗糙面，光面用于接收热源，光面可以大幅度降低接触热阻，可以更好地快速吸收热能；粗糙面为散热面，具有蜂窝状微孔结构，可以提高远红外辐射系数，加速对流，提高材料的散热能力。该复合材料的导热系数可以达到8-20W/m.k，远红外辐射系数可以达到0.9以上，具有良好的导热性能，并且保持了其固有的良好加工性和绝缘性。

Description

一种导热绝缘复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高分子复合材料及其制备方法，具体涉及到PC导热绝缘塑料及其制备方法和应用，属于高分子材料技术领域。

背景技术

随着电子电器产品的产业化，散热问题越来越成为制约电子、电器产品发展的瓶颈，并且是需迫切解决的关键要素，特别是随着光电行业的大功率LED等电子电器的迅猛发展，散热问题成为技术进步的关键。目前，光电行业的散热大多选用2种方式：1、95%以上的是传统金属铝材散热的系统：金属铝导热性能优良，但铝材本身不绝缘，为了安全需要增加绝缘胶或套，而绝缘胶或套一般导热较差，对散热是不利的，同时铝材本身的辐射系数较低，降低了其综合的导热效能；同时从生产效率来讲，金属铝散热器生产环节包括浇铸，压铸，打磨，抛光，等一系列工艺，需要进行二次加工，大大延长了产品的生产周期，同时对环境产生污染（工艺中的镀镍,氮化过程），不利于回收，所以在国外这种产品逐步退出市场；2、其他就是陶瓷材料或功能性塑料来做散热系统，目前大家一般都用无机非金属材料，包括金属氧化物Al₂O₃、MgO、SiO₂，金属氮化物AlN、Si₃N₄、BN等，以其为填料来形成的导热绝缘塑料，其导热系数一般在1.5-5W/m.k左右，而有的选用包括金属、碳基填料形成的导热塑料，其导热系数可以做到5.0-8W/m.k或更高，但它同时其导电性能也很高，在光电行业中的应用有很大局限性。

导热绝缘塑料材料一般是为电子产品散热而研发的一种高分子复合材料，主要是用来代替铝等金属材料，作为轻型散热材料。目前，我国国内制造的具有绝缘的导热塑料材料的导热系数一般在1.5W/m.k左右，而国外导热系数一般也在5-8W/m.k。

发明内容

本发明申请即是针对目前导热绝缘材料存在的上述问题，提供一种新的导热绝缘复合材料，该复合材料的导热系数可以达到8-20W/m.k，远红外辐射系数可以达到0.9以上，具有良好的导热性能，并且保持了其固有的良好加工性和绝缘性。

本发明申请的目的之一是提供一种导热绝缘复合材料，该复合材料按照距离热源由近及远的顺序依次为传导层和散热层，传导层包括组分一、组分二和组分三，散热层包括组分四，各组分的构成与百分含量如下所述：

1、组分一包括：1）石墨烯片：1-1.5%；2）碳纤维：1-3%；3）碳化硅晶须：1.5-5%；4）六方氮化硼粉末：8-20%；5）氮化铝（AlN）粉末：5-15%；6）锐钛型二氧化钛（TiO₂）微粒（该粒子加工工艺成熟,市售可得）：1-5%；

2、组分二包括：1）增韧剂，是一种核壳结构的耐寒增韧剂，核是丁二烯-苯乙烯橡胶，壳是聚甲基丙烯酸甲酯（硬壳），对材料的流动性影响小，同时能改善PC耐应力开裂的缺点，改善材料对水的敏感性，对材料有显著的增韧效果，添加量：0.5-3%；2）阻燃剂，为有机硅类磺酸盐，其阻燃机理是加速催化成碳,在PC表面形成致密碳层，最终达到阻燃，添加量：0.1-0.25%；3）抗应力开裂剂是乙基/氢化腈/丙烯酸脂三元共聚接枝物，能有效地解决PC的耐化学溶剂性，有效消除内应力，添加量为：0.5-3%；4）润滑剂：由脂肪酸酰胺与硅氧烷润滑剂按3：1混合配比所制的，添加量为：0.1-2%；5）偶联剂：由KH.560硅烷和NDZ.201钛酸酯偶联剂，按2：1混合配比所制，添加量为：0.2-0.5%；6）饱和聚酯：为聚对苯二甲酸乙二醇酯，添加量为5-10%；7）聚碳酸酯（PC）为双酚A型聚碳酸酯，其分子量为20000-30000，添加量：50-80%；

3、组分三包括母粒子，母粒子是组分一和组分二经过如下工艺制得：

1）原料的预处理：包括干燥处理和表面预处理，先将无机填料（碳化硅、氮化硼、氮化铝和二氧化钛）分批单个（即每种无机填料均先单独进行预处理）加入混合机内，混合温度为20-50℃，在50-100转/分钟的低速搅拌中加入偶联剂（按照100:0.5比例添加），混合均匀后逐渐升温至120℃，再以400-800转/分钟的高速搅拌2-5分钟，使填料粒子表面经特殊处理后便于与树脂结合，同时分别将聚碳酸酯和饱和聚酯于110℃-120℃的温度下鼓风干燥3-6小时，使其水分含量低于0.02%；

2）混合：将经过偶联剂表面处理的无机填料（碳化硅、氮化硼、氮化铝和二氧化钛）和烘干后的组分二树脂（即聚碳酸酯和饱和聚酯）及各种助剂（包括增韧剂、阻燃剂、抗应力开裂剂、润滑剂、偶联剂）按上文所述配比进行混合，混合温度为20-50℃，转速为100-800转/分钟，混合时间为5-10分钟；

3）挤出：将混合料与导热填料石墨烯和碳纤维分别加温至150℃-270℃，当上述混合料变成熔体后，石墨烯和碳纤维先后进入料斗搅拌，充分均匀混合后，在双螺杆挤出机的5-6区进入，物料被螺杆连续挤出机头，进入模具保温反应1.5-2.5小时定型，经降温冷却至室温10℃-25℃，然后经牵引、切割成型为1.0-1.2mm厚度的胚板；

挤出时双螺杆挤出机各段加工温度分别设定1-2区温度为270℃-300℃，3-4区温度为280℃-310℃，5-6区温度为290℃-320℃，7-8区温度为300℃-330℃，9-10区温度为300℃-335℃，模头温度100℃-120℃,双螺杆长径比40，螺杆转速为260转/分钟，喂料机转速为10转/分钟；

上述双螺杆挤出机有2个抽真空处，一处真空口在温控4区，即导热石墨烯与碳纤维入口处的前一处，另一处在温控8区；

4）造粒：通过粉碎设备，把胚板粉碎成0.5*0.5*1.0毫米的标准母粒子；

4、散热层：散热层厚度为60-80um，组分四包括：1）椰炭粉末：1-6%；2）粒径6.8-15nm的锐钛型二氧化钛（TiO₂）纳米粒子：3-5%，3）氮化铝（AlN）纳米粒子：3-5%（散热层粒子选取的是纳米级的,其在表面更容易生成超氧化物阴离子自由基,这些自由基具有光催化分解有害气体作用,同时可以带动热量的散发,这与传导层选用微米级的粉粒使用其光扩散功能是不一样的）；4）聚碳酸酯（PC）为双酚A型聚碳酸酯，其分子量为20000-30000，添加量：84-94%。

本发明申请所述的导热绝缘复合材料的表面，一面为光面，一面为粗糙面，光面用于接收热源，光面可以大幅度降低接触热阻，可以更好地快速吸收热能；粗糙面为散热面，具有蜂窝状微孔结构，可以提高远红外辐射系数，加速对流，提高材料的散热能力。

进一步的，所述石墨烯片的长度为3-20μm，厚度为20nm,添加量为总量的1-1.5%，可以使其在添加量极少的情况下，就可以使热量在水平方向更快速地传导。

进一步的，所述碳纤维的长度为5μm，直径50-200nm，碳含量＞99%，添加量为总量的1-3%；可以提高导热性，并增强材料的力学性能，其基本特征：碳纤维的密度：1.5～2.0g/cm³，这种碳纤维在纤维方向上的导热系数可以超过铜，最高可以达到700W/mk；同时具有良好的机械性能、导电性能和优异的导热及辐射散热能力。

进一步的，所述碳化硅晶须为长度10-40μm，直径0.05-0.2μm的β型碳化硅晶须，添加量为总量的1.5-5%，由于纳米SiC的催化效应促进了树脂固化，粒子更易在树脂体系内部形成导热网链，减少材料内部空隙率，提高导热性能，同时力学性能也大幅度提高，尤其是能提高材料的韧性，β型碳化硅的基本特征：β-SiC晶须长径比大、表面光洁度高、直径率高、晶体结构规整，具有优良的导热性能，导热系数为155W/mk，密度3.21g/cm³，热线性膨胀系数3.8×10^-6/K。

进一步的，所述六方氮化硼粉末为粒径15μm，纯度＞98%的氮化硼（HBN）粉末，添加量为总量的8-20%，除了保持优异的导热性外，还具有良好的绝缘性、润滑性和化学稳定性。

六方氮化硼的基本特征：晶体结构具有类似的石墨层状结构，呈现松散、润滑、易吸潮、质轻等性状的白色粉末，密度2.27g/cm³，热导率为250w/m.k，热线性膨胀系数为：2×10^-6/K，具有优良的绝缘性能，25℃时其电阻率为10¹⁴Ωcm，可透微波和红外线。

进一步的，所述氮化铝粉末的平均粒度<50nm，纯度>99.0%，添加量为总量的5-15%，由于界面相容性好、导热系数高，电阻率大，可以提高材料的导热性和绝缘性能。

基本特征：外观颜色：灰白色或白色，纯度高、粒径小、分布均匀、比表面积≥78m²/g，高表面活性，密度：3.33，松装密度：0.05g/cm³，热线性膨胀系数：3.6×10^-6/K，体积电阻率>10¹³Ωcm，热导率180W/mK。

进一步的，所述锐钛型二氧化钛粒子的粒径为1.3-2.6μm的，添加量为总量的1-5%；可以使光子在材料中更均匀的扩散，同时可以提高电子扩散系数，加速分子振动，从而提升热量传导。

进一步的，所述椰炭粉末的粒径尺寸在20μm-80μm之间(平均约40μm)，孔径<50nm，含碳＞90%，添加量为总量的1-6%。椰炭分子结构呈六角形，多微孔结构，在显微镜下观察，其横截面凹凸变形，呈高度中空，毛细管效应极强，可以瞬间吸收并蒸发空气中湿气和水分，并能迅速扩散和挥发；还有独特的回弹性能可以使其不断地带走热量，椰炭粉末可以吸收和发射波长为4～14μm的远红外线，远红外线发射率高达90%以上，从而使热辐射不断地把热量散发出去，其基本特征：堆积密度0.32-0.40g/cm³，真比重：2-2.2g/cm³，苯粉吸附率≥450mg/g，总孔容积：0.7-1cm³/g，比表面积：590-1500m²/g，堆积比重：0.45-0.55g/cm³。

进一步的，所述锐钛型二氧化钛（TiO₂）纳米粒子的粒径为6.8-15nm，添加量为总量的3-5%，纳米级二氧化钛易促进空气中的二氧化碳和水合成为氧气和碳水化合物，从而把空气或毛细管中的水分迅速氧化，加速热能的吸收与散除，同时具有用于环境净化，自清洁材料之功效，保证表面及毛细管的畅通与清洁，这种特性可以提高材料的散热性能，另比表面积大，分散性好，还可以大幅提高产品粘结力和其它原料有极好的相容性，提高产品的加工性能。

基本特征：二氧化钛，化学式为TiO₂，比表面积175.6m²/g，相对密度3.9g/cm³，堆积密度0.2-0.5g/cm³，二氧化钛(TiO₂)具有半导体的性能,在常温下属于绝缘体。

进一步的，所述氮化铝粉末的添加平均粒度<50nm，纯度>99.0%，添加量为总量的3-5%，由于界面相容性好、导热系数高，电阻率大，可以提高材料的导热性和绝缘性能。基本特征：外观颜色：灰白色或白色，纯度高、粒径小、分布均匀、比表面积≥78m²/g，高表面活性，密度：3.33g/cm³，松装密度：0.05g/cm³，热线性膨胀系数：3.6×10^-6/K，体积电阻率>10¹³Ωcm，热导率180W/mK。

进一步的，导热塑料基料选取是双酚A型聚碳酸酯，双酚A型聚碳酸酯是一种综合性能优良的热塑性树脂，具有优异的电绝缘性、耐热性、尺寸稳定性、高抗冲击强度，还具有自熄、阻燃等性能。

本发明申请还提供上述绝缘导热复合材料的制备方法，包括如下步骤：

1、母粒子是组分一和组分二经过上文所述工艺制得：

2、平板基材(也就是传导层)的制作工艺:

就是对组分三母粒子和组分一中的石墨烯和碳纤维，分别加温至150℃-270℃，当上述母粒子变成熔体后，石墨烯和碳纤维先后再进入料斗搅拌，充分均匀混合后，在双螺杆挤出机的5-6区进入，物料被螺杆连续挤出机头，进入模具保温反应1.5-2.5小时定型，经降温冷却至室温10℃-25℃，然后经牵引、切割成型为1.0-1.2mm厚度的平板基材；

3、散热层的制作工艺：

散热层厚度为60-80um，在传导层一面均匀涂布粒径6.8-15nm的锐钛型二氧化钛（TiO₂）纳米粒子3-5%，还有氮化铝（AlN）纳米粒子3-5%，还有平均粒径尺寸约40μm，孔径<50nm的椰炭粉末1-6%，以及聚碳酸酯（PC）为双酚A型聚碳酸酯，其分子量为20000-30000，添加量：84-93%。

具体填料和规格见表1所示，偶联剂选用由KH.560硅烷和NDZ.201钛酸酯偶联剂，按2：1混合配比所制；增韧剂是一种核壳结构的耐寒增韧剂，核是丁二烯一苯乙烯橡胶，壳是聚甲基丙烯酸甲酯（硬壳）；阻燃剂是有机硅类磺酸盐；抗应力开裂剂是乙基/氢化腈/丙烯酸脂三元共聚接枝物；润滑剂是由脂肪酸酰胺与硅氧烷润滑剂按3：1混合配比所制；饱和聚酯是聚对苯二甲酸乙二醇酯；聚碳酸酯（PC）是双酚A型聚碳酸酯，其分子量为20000-30000。

有机硅类磺酸盐，适合PC加纤阻燃，其阻燃机理是加速催化成碳，在PC表面形成致密碳层，最终达到阻燃。C3040是乙基/氢化腈/丙烯酸脂三元共聚接枝物的一种，专为目前市场上PC、PC加纤、PC/ABS打螺丝制品应力开裂问题引进推出的，该产品能有效地PC及PC合金打螺丝制品的耐化学溶剂性，电镀时开裂的问题。

表1组分一传导填料及粒径与组分二的配比说明

目前市场上大功率LED室内照明灯具的散热外壳基本全部为铝，塑料导热材料还处于初期起步阶段，与常用的材料相比，采用有机导热塑料则体现出诸多的优势：

1.轻量化、运输及安装更方便：

纯铝的密度为2700kg/m³，铝合金的密度则更大，而本发明制作的导热塑料的密度在1400～1600kg/m³，采用导热塑料散热能够大幅的降低照明产品的重量（约40%～45%），使得照明产品轻量化，减小了震动，使产品稳定性提高，方便运输与安装；

2.设计自由度高、外观更美丽，提升产品附加值：

设计的自由度是有机导热塑料的突出优点，铝材散热器的主要生产方法是压铸或拉伸成型，为了达到散热的最佳效果，传统的金属铝散热器一般需要设计成蜂窝状，在生产过程中较难进行较复杂形状的加工，所以影响到外观的设计，而有机塑料具有良好的流动性，可以生产很薄的部件，以及设计更加复杂的形状，还可以进一步实现产品轻量化，并且，注塑产品美观，光洁度好，可以在不需要后续喷涂、上色等工序的情况下实现产品颜色的多样化；

3.规模批量化生产、生产周期更短：

塑料导热材料可以一次成型，无需后加工，在注塑成型时模具还可以设计成一出四，可以大幅度提高工作效率，容易实现大规模批量化生产，实现规模效益，有效的减少了铝材料在挤出成型后的去毛边、镀镍等后道工序，同时，模具的耗损较铝合金等材料生产小，寿命长，减少了加工周期和成本；

4.绝缘性高、简化电源结构、安全性更高：

铝散热器由于其高导电性，若采用非隔离式电源则很难通过耐高压方面的测试认证，塑料的绝缘特性，在耐高压测试方面具有绝对的优势，使得采用非隔离式电源生产灯具成为一种可能，使产品设计得更加小巧，更重要的是减少了用户使用过程中金属外壳导电可能产生的安全隐患；

5、生产工艺简单、更环保节能：

铝材散热器生产过程中成型工序多，如压铸铝：需要经浇铸、压铸、打磨、抛光的一系列工艺），同时对环境产生污染（工艺中镀镍、氮化过程）此外，而塑料导热材料可以一次成型，无需后加工，较金属材料生产所消耗的能源更少，生产过程污染小，符合国家节能减排、能源节约的需求；

6、简化产品流程、综合成本更低：

由于成型快、可以降低加工成本，绝缘性好，可以采用非隔离方式电源，降低电源方面的投入，由于设计度高，密度低，可以大量降低材料的用量，同时降低运输成本，从整体上来讲可以降低综合费用。

附图说明

图1为本发明申请所述导热材料的整体结构示意图；

图2为本发明申请所述导热材料的传导层结构示意图；

图3为本发明申请所述导热材料的散热层结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明申请所述的技术内容进行非限制性的解释和说明，目的是为了公众更好地理解所述的技术内容。

实施例一

母粒子配方一：

组分四配方一

所述复合材料的制备方法如下：

一、母粒子的制备方法：

1）原料的预处理：包括干燥处理和表面预处理，先将无机填料（碳化硅、氮化硼、氮化铝和二氧化钛）分批单个（即每种无机填料均先单独进行预处理）加入混合机内，混合温度为20℃，在50转/分钟的低速搅拌中加入偶联剂（按照100:0.5比例添加），混合均匀后逐渐升温至120℃，再以400-800转/分钟的高速搅拌2分钟，使填料粒子表面经特殊处理后便于与树脂结合，同时分别将聚碳酸酯和饱和聚酯于110℃的温度下鼓风干燥3小时，使其水分含量低于0.02%；

2）混合：将经过偶联剂表面处理的无机填料（碳化硅、氮化硼、氮化铝和二氧化钛）和烘干后的组分二树脂（即聚碳酸酯和饱和聚酯）及各种助剂（包括增韧剂、阻燃剂、抗应力开裂剂、润滑剂、偶联剂）按上文所述配比进行混合，混合温度为20℃，转速为100转/分钟，混合时间为5分钟；

3）挤出：将混合料与导热填料石墨烯和碳纤维分别加温至150℃，当上述混合料变成熔体后，石墨烯和碳纤维先后进入料斗搅拌，充分均匀混合后，在双螺杆挤出机的5-6区进入，物料被螺杆连续挤出机头，进入模具保温反应1.5小时定型，经降温冷却至室温10℃，然后经牵引、切割成型为1.0-1.2mm厚度的胚板；

挤出时双螺杆挤出机各段加工温度分别设定1-2区温度为270℃，3-4区温度为280℃，5-6区温度为290℃，7-8区温度为300℃，9-10区温度为300℃，模头温度100℃,双螺杆长径比40，螺杆转速为260转/分钟，喂料机转速为10转/分钟；上述双螺杆挤出机有2个抽真空处，一处真空口在温控4区，即导热石墨烯与碳纤维入口处的前一处，另一处在温控8区；

二、平板基材(也就是传导层)的制作工艺:

就是对组分三母粒子和组分一中的石墨烯和碳纤维，分别加温至150℃，当上述母粒子变成熔体后，石墨烯和碳纤维先后再进入料斗搅拌，充分均匀混合后，在双螺杆挤出机的5-6区进入，物料被螺杆连续挤出机头，进入模具保温反应1.5小时定型，经降温冷却至室温10℃，然后经牵引、切割成型为1.0-1.2mm厚度的平板基材；

挤出时双螺杆挤出机各段加工温度分别设定1-2区温度为270℃，3-4区温度为280℃，5-6区温度为290℃，7-8区温度为300℃，9-10区温度为300℃，模头温度100℃,双螺杆长径比40，螺杆转速为260转/分钟，喂料机转速为10转/分钟；

三、散热层的制作工艺：

散热层厚度为60-80um，在传导层一面均匀涂布粒径6.8-15nm的锐钛型二氧化钛（TiO₂）纳米粒子5%，还有氮化铝（AlN）纳米粒子5%，还有平均粒径尺寸约40μm，孔径<50nm的椰炭粉末6%，聚碳酸酯：84%。

偶联剂选用由KH.560硅烷和NDZ.201钛酸酯偶联剂，按2：1混合配比所制；增韧剂是一种核壳结构的耐寒增韧剂，核是丁二烯一苯乙烯橡胶，壳是聚甲基丙烯酸甲酯（硬壳）；阻燃剂是有机硅类磺酸盐；抗应力开裂剂是乙基/氢化腈/丙烯酸脂三元共聚接枝物；润滑剂是由脂肪酸酰胺与硅氧烷润滑剂按3：1混合配比所制；饱和聚酯是聚对苯二甲酸乙二醇酯；聚碳酸酯（PC）是双酚A型聚碳酸酯，其分子量为20000-30000。

通过实施后，所得到的复合材料，导热系数可以做到7.5W/m.k，热辐射系数达到0.95，产品降温17℃以上。

实施例二

母粒子配方二：

组分四配方二

填料	粒径	分量%
			椰炭粉末	长度20-80μm，孔径<50nm	1
氮化铝	<50nm	5
			二氧化钛	6.8-15nm	5
聚碳酸酯		89

所述复合材料的制备方法如下：

一、母粒子的制备方法：

1）原料的预处理：包括干燥处理和表面预处理，先将无机填料（碳化硅、氮化硼、氮化铝和二氧化钛）分批单个（即每种无机填料均先单独进行预处理）加入混合机内，混合温度为50℃，在100转/分钟的低速搅拌中加入偶联剂（按照100:0.5比例添加），混合均匀后逐渐升温至120℃，再以800转/分钟的高速搅拌5分钟，使填料粒子表面经特殊处理后便于与树脂结合，同时分别将聚碳酸酯和饱和聚酯于120℃的温度下鼓风干燥6小时，使其水分含量低于0.02%；

2）混合：将经过偶联剂表面处理的无机填料（碳化硅、氮化硼、氮化铝和二氧化钛）和烘干后的组分二树脂（即聚碳酸酯和饱和聚酯）及各种助剂（包括增韧剂、阻燃剂、抗应力开裂剂、润滑剂、偶联剂）按上文所述配比进行混合，混合温度为50℃，转速为800转/分钟，混合时间为10分钟；

3）挤出：将混合料与导热填料石墨烯和碳纤维分别加温至270℃，当上述混合料变成熔体后，石墨烯和碳纤维先后进入料斗搅拌，充分均匀混合后，在双螺杆挤出机的5-6区进入，物料被螺杆连续挤出机头，进入模具保温反应2.5小时定型，经降温冷却至室温25℃，然后经牵引、切割成型为1.0-1.2mm厚度的胚板；

挤出时双螺杆挤出机各段加工温度分别设定1-2区温度为300℃，3-4区温度为310℃，5-6区温度为320℃，7-8区温度为330℃，9-10区温度为335℃，模头温度120℃,双螺杆长径比40，螺杆转速为260转/分钟，喂料机转速为10转/分钟；

二、平板基材(也就是传导层)的制作工艺:

就是对组分三(母粒子)和组分一中的石墨烯和碳纤维，分别加温至150℃-270℃，当上述母粒子变成熔体后，石墨烯和碳纤维先后再进入料斗搅拌，充分均匀混合后，在双螺杆挤出机的5-6区进入，物料被螺杆连续挤出机头，进入模具保温反应1.5-2.5小时定型，经降温冷却至室温10℃-25℃，然后经牵引、切割成型为1.0-1.2mm厚度的平板基材；

三、散热层的制作工艺：

散热层厚度为60-80um，在传导层一面均匀涂布粒径6.8-15nm的锐钛型二氧化钛（TiO₂）纳米粒子5%，还有氮化铝（AlN）纳米粒子5%，还有平均粒径尺寸约40μm，孔径<50nm的椰炭粉末1%，聚碳酸酯：89%。

通过实施后，所得到的复合材料，导热系数可以做到5.5W/m.k，热辐射系数达到0.8，产品降温10℃以上。

在图1中，所示的导热材料结构分为2层，靠近热源（譬如LED芯片下铝基板）一面为导热层，导热层与热源的接触面为光面，光面可以大幅度降低接触热阻，可以使热量更快的传导进导热材料，该光面其实就是导热材料的吸热面，然后主要通过导热层的传导作用，把热量迅速传达到散热层；导热面另一面（远离热源面）就是散热层，材料内的热量主要通过辐射、对流的方式向空气层散发出去，从而使材料具有更优异的导热效能。

图2为本发明导热材料的传导层示意图，传导层是由不同类型的填料粒子组成。由于碳粒子导热速度快，效能最好，故本发明优先使用石墨烯、碳纤维、碳化硅来主导导热，石墨稀主要解决导热速度，碳纤维解决力学性能，碳化硅解决二者缝隙填充及桥梁作用，使三者的导热性和力学性达到平衡极限。同时使用声子传导来加强导热性能，同时稀释导电性能，这里优先考虑氮化硼粒子，这样使导热材料在绝缘上也达到更好的平衡，而其考虑到微观粒子最佳的配合，引入光子导热进来，二氧化钛是一个很好的光扩散粒子，对于电子和声子同样起着推波助澜的作用，从而整体上使传导更快。传导层是由不同形状的填料粒子组成，在各个粒子的选型上，为了使填充效果最佳，优先考虑层片状、纤维状、晶须状及纳米微粒子的结合。这样可以保证最佳的渗滤效果，可以加速传导。

图3是本发明导热材料的散热层示意图，散热层通过表面结构改变，主要是减小厚度及加大表面粗糙度来提高材料表面的辐射性能；通过填料椰炭分子内的毛细现象对空气中的湿气及水分子进行瞬间吸收蒸发，带动热量的快速散发，同时利用其吸收、发射红外线的能力提高材料热辐射性能；通过填料二氧化钛的化学吸附作用，可以使热量散发，提高材料热辐射性能；通过填料氮化铝的传导作用，也可以把一部份热量传导出去；通过基体树脂的物性，类似于灰体的物质，整体带动热辐射。

表2所述的导热绝缘复合材料和常用的铝散热外壳效果对比如下：

注明：①电阻率<10^-3Ω.cm属于导体，电阻率>10⁹Ω.cm属于绝缘体。

表3材料检测报告说明

体积电阻率〉10⁹属于绝缘体。

①材料检测标准按美国材料试验协会ASTM标准执行；

②中东SABIC公司在全球工程塑料领域排名第5，尤其是美国子公司SABIC创新塑料公司其在导热等特种材料的生产研究排在世界最前沿水平；

③荷兰DSM公司在全球工程塑料领域排名第9，是第一家研究导热塑料的专业厂家，目前全球LED巨头(飞利浦等)都在尝试应用其导热塑料；

检测结论：本发明所述复合材料填料少、成本低、导热系数高、力学性能强、物化性能好、阻燃性好。完全可以代替大功率LED室内照明灯具的散热铝外壳。并且可以应用在其它需要散热而又绝缘的地方。

本发明申请的导热绝缘复合材料具备以下的优点：

1、设计创新：目前业内对导热绝缘塑料大部分考虑到绝缘性要求，基本上是利用无机非金属材料作为填料来增加塑料导热性能，其实仅利用了声子热传导。而有的选用包括金属、碳基填料形成的导热塑料，其导热系数可以做到5.0-8W/m.k或更高，但它同时其导电性能也很高。所以大部分把它应用在导热导电塑料的研制上。如何保持高的导热性，而又把导电性控制在合理的范围，这是个技术难点。其实微观粒子在热传导方面没有排它性，本发明同时充分利用了电子、声子、光子导热机能，很好的解决了导热而有不导电的平衡点。

2、填料创新：目前业内只选用了单项或少项填料进行搭配，我们对多项填料及综合影响性进行研究，对每种材料的粒径、形态选取，表面润湿性处理，掺杂分数调节，结合其自身的导热性能和导电性能的平衡处理，对填料不同种类进行科学搭配，尽量使其导热性能达到极致，而又保持了材料本身的绝缘性、良好加工性和力学性能。

3、结构创新：目前业内仅对材料的传导性进行改善，然后通过改变材料形体以增加表面积方式来提高散热性能，本发明通过表面结构的改变还可以提高材料的热辐射系数，加速对流，从而提高其综合导热散热性能。

应该明确的是，上述的具体实施方式不应理解为对本发明所述技术方案的限制，事实上，凡以相同或近似的原理对所述技术内容进行的任意改进，包括各组分百分含量的增减，功能相似组分的替换，以及制备方法中工艺条件的改进，以实现基本相同技术效果为目的，则都在本发明申请所要求保护的技术方案之内。

Claims

1.一种导热绝缘复合材料，其特征在于：所述复合材料按照距离热源由近及远的顺序依次为传导层和散热层，传导层包括组分一、组分二和组分三，散热层包括组分四，各组分的构成与百分含量如下所述：

A、组分一包括：1）石墨烯片：1-1.5%；2）碳纤维：1-3%；3）碳化硅晶须：1.5-5%；4）六方氮化硼粉末：8-20%；5）氮化铝（AlN）粉末：5-15%；6）锐钛型二氧化钛（TiO₂）微粒：1-5%；

B、组分二包括：1）增韧剂，是一种核壳结构的耐寒增韧剂，核是丁二烯-苯乙烯橡胶，壳是聚甲基丙烯酸甲酯，对材料的流动性影响小，同时能改善PC耐应力开裂的缺点，改善材料对水的敏感性，对材料有显著的增韧效果，添加量：0.5-3%；2）阻燃剂，为有机硅类磺酸盐，其阻燃机理是加速催化成碳,在PC表面形成致密碳层，最终达到阻燃，添加量：0.1-0.25%；3）抗应力开裂剂是乙基/氢化腈/丙烯酸脂三元共聚接枝物，能有效地解决PC的耐化学溶剂性，有效消除内应力，添加量为：0.5-3%；4）润滑剂：由脂肪酸酰胺与硅氧烷润滑剂按3：1混合配比所制的，添加量为：0.1-2%；5）偶联剂：由KH.560硅烷和NDZ.201钛酸酯偶联剂，按2：1混合配比所制，添加量为：0.2-0.5%；6）饱和聚酯：为聚对苯二甲酸乙二醇酯，添加量为5-10%；7）聚碳酸酯为双酚A型聚碳酸酯，其分子量为20000-30000，添加量：50-80%；

C、组分三包括母粒子，母粒子是组分一和组分二经过如下工艺制得：

2）混合：将经过偶联剂表面处理的碳化硅、氮化硼、氮化铝和二氧化钛和烘干后的聚碳酸酯和饱和聚酯及上述各种助剂按上文所述配比进行混合，混合温度为20-50℃，转速为100-800转/分钟，混合时间为5-10分钟；

3）挤出：将混合料与导热填料石墨烯和碳纤维分别加温至150℃-270℃，当上述混合料变成熔体后，石墨烯和碳纤维先后进入料斗搅拌，充分均匀混合后，在双螺杆挤出机的5-6区进入，物料被螺杆连续挤出机头，进入模具保温反应1.5-2.5小时定型，经降温冷却至室温10℃-25℃，然后经牵引、切割成型为1.0-1.2mm厚度的胚板；挤出时双螺杆挤出机各段加工温度分别设定1-2区温度为270℃-300℃，3-4区温度为280℃-310℃，5-6区温度为290℃-320℃，7-8区温度为300℃-330℃，9-10区温度为300℃-335℃，模头温度100℃-120℃,双螺杆长径比40，螺杆转速为260转/分钟，喂料机转速为10转/分钟；上述双螺杆挤出机有2个抽真空处，一处真空口在温控4区，即导热石墨烯与碳纤维入口处的前一处，另一处在温控8区；

D、散热层：散热层厚度为60-80um，组分四包括：1）椰炭粉末：1-6%；2）粒径6.8-15nm的锐钛型二氧化钛（TiO₂）纳米粒子：3-5%，3）氮化铝（AlN）纳米粒子：3-5%；4）聚碳酸酯（PC）为双酚A型聚碳酸酯，其分子量为20000-30000，添加量：84-93%。

2.根据权利要求1所述的导热绝缘复合材料，其特征在于：所述石墨烯片的长度为3-20μm，厚度为20nm,添加量为总量的1-1.5%。

3.根据权利要求1或2所述的导热绝缘复合材料，其特征在于：所述碳纤维的长度为5μm，直径50-200nm，密度：1.5～2.0g/cm³，碳含量＞99%。

4.根据权利要求1或2所述的导热绝缘复合材料，其特征在于：所述碳化硅晶须为长度10-40μm，直径0.05-0.2μm的β型碳化硅晶须。

5.根据权利要求1或2所述的导热绝缘复合材料，其特征在于：所述六方氮化硼粉末为粒径15μm，纯度＞98%的氮化硼粉末。

6.根据权利要求1或2所述的导热绝缘复合材料，其特征在于：所述氮化铝粉末的平均粒度<50nm，纯度>99.0%，添加量为总量的5-15%。

7.根据权利要求1或2所述的导热绝缘复合材料，其特征在于：所述锐钛型二氧化钛粒子的粒径为1.3-2.6μm的，添加量为总量的1-5%。

8.根据权利要求1或2所述的导热绝缘复合材料，其特征在于：所述椰炭粉末的粒径尺寸在20μm-80μm之间，孔径<50nm，含碳＞90%，添加量为总量的1-6%。

9.根据权利要求1或2所述的导热绝缘复合材料，其特征在于：所述锐钛型二氧化钛纳米粒子的粒径为6.8-15nm，添加量为总量的3-5%；所述氮化铝粉末的添加平均粒度<50nm，纯度>99.0%。

10.权利要求1所述导热绝缘复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、母粒子的制备方法：

1）原料的预处理：包括干燥处理和表面预处理，先将无机填料碳化硅、氮化硼、氮化铝和二氧化钛分批单个加入混合机内，混合温度为20℃，在50转/分钟的低速搅拌中加入偶联剂（按照100:0.5比例添加），混合均匀后逐渐升温至120℃，再以400-800转/分钟的高速搅拌2分钟，使填料粒子表面经特殊处理后便于与树脂结合，同时分别将聚碳酸酯和饱和聚酯于110℃的温度下鼓风干燥3小时，使其水分含量低于0.02%；

2）混合：将经过偶联剂表面处理的无机填料碳化硅、氮化硼、氮化铝和二氧化钛和烘干后的聚碳酸酯和饱和聚酯及各种助剂按上文所述配比进行混合，混合温度为20℃，转速为100转/分钟，混合时间为5分钟；

3）挤出：将混合料与导热填料石墨烯和碳纤维分别加温至150℃，当上述混合料变成熔体后，石墨烯和碳纤维先后进入料斗搅拌，充分均匀混合后，在双螺杆挤出机的5-6区进入，物料被螺杆连续挤出机头，进入模具保温反应1.5小时定型，经降温冷却至室温10℃，然后经牵引、切割成型为1.0-1.2mm厚度的胚板；挤出时双螺杆挤出机各段加工温度分别设定1-2区温度为270℃，3-4区温度为280℃，5-6区温度为290℃，7-8区温度为300℃，9-10区温度为300℃，模头温度100℃,双螺杆长径比40，螺杆转速为260转/分钟，喂料机转速为10转/分钟；上述双螺杆挤出机有2个抽真空处，一处真空口在温控4区，即导热石墨烯与碳纤维入口处的前一处，另一处在温控8区；

B、传导层的制作工艺:

对母料和组分一中的石墨烯和碳纤维，分别加温至150℃-270℃，当上述母料变成熔体后，石墨烯和碳纤维先后再进入料斗搅拌，充分均匀混合后，在双螺杆挤出机的5-6区进入，物料被螺杆连续挤出机头，进入模具保温反应1.5-2.5小时定型，经降温冷却至室温10℃-25℃，然后经牵引、切割成型为1.0-1.2mm厚度的平板基材；

C、散热层的制作工艺：