CN103865496A - 一种绝缘导热粉体、材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种绝缘导热粉体、基于该绝缘导热粉体的绝缘导热材料及其制备方法。该绝缘导热粉体包括石墨插层复合物颗粒，所述石墨插层复合物颗粒的微观结构包括多个石墨晶粒、分布在单个石墨晶粒的碳原子层之间以及分布在两石墨晶粒间隙的纳米级导热绝缘金属氧化物，所述石墨插层复合物颗粒表面还包覆有导热绝缘金属氧化物。本发明所提供的方法制备出的绝缘导热粉体中的石墨插层复合物颗粒具有绝缘导热的特性。本发明的绝缘导热粉体具有导热率高，同时还具有绝缘的特性，非常适用于制备导热塑料、导热橡胶和导热涂料等导热材料。

Description

一种绝缘导热粉体、材料及其制备方法

【技术领域】

本发明涉及一种绝缘导热粉体、基于该绝缘导热粉体的绝缘导热材料及其制备方法。

【背景技术】

超过55％的电子元件鼓掌是由运行时温度上升所致，所以电子元件的散热非常重要，而如果要使电子元件的散热效果好，就必须用非常良好的导热材料将电子元件上的热量传导到其他的散热器件上。在众多的导热材料中，金刚石的导热率在室温下是铜的5倍，同时金刚石还具有非磁性和不良导电性等优良性能，所以从理论上来说，金刚石是非常好的应用于电子元件间的导热材料的。但是由于金刚石的成本非常昂贵，加工困难，所以将金刚石用于电子元件间的导热是不实际的。

石墨具有与金刚石相似的微观结构，与金刚石不同的是，石墨是层状结构，层与层之间是范德华力，作用比较弱，具有导电性，但是，由于石墨的层与层之间没有形成晶格结构，所以石墨的导热性要明显小于金刚石。

对于电子元件等散热的导热材料来说需要具备绝缘和导热两个必要的条件。石墨的成本非常低廉，将石墨引入到电子元件的导热材料中，必须提高石墨的导热性能，同时还需要降低石墨的导电性能，怎么样使石墨的导热性能增加，同时又能够使石墨变得绝缘，是本领域的一大难题。

【发明内容】

本发明的目的就是为了解决现有技术存在的问题，提出了一种绝缘导热粉体、基于该绝缘导热粉体的绝缘导热材料及其制备方法，本发明的绝缘导热粉体具有导热率高同时绝缘性好的优点，可以增加到各种塑料、橡胶或者树脂基材中形成优良的绝缘导热材料。

本发明的具体技术方案如下：

本发明提供一种绝缘导热粉体，其特征在于，该绝缘导热粉体包括石墨插层复合物颗粒，所述石墨插层复合物颗粒的微观结构包括多个石墨晶粒、分布在单个石墨晶粒的碳原子层之间以及分布在两石墨晶粒间隙的纳米级导热绝缘金属氧化物，所述石墨插层复合物颗粒表面还包覆有导热绝缘金属氧化物。

该绝缘导热粉体还包括分离于石墨插层复合物外的导热绝缘金属氧化物颗粒，按照重量百分比计，所述绝缘导热金属氧化物颗粒和石墨插层复合物颗粒分别占0.1％～20％和80％～99.9％。

所述石墨插层复合物的粒径为100nm～100μm，所述分布在单个石墨晶粒的碳原子层之间以及分布在两石墨晶粒间隙的纳米级导热绝缘金属氧化物的厚度范围为0.01～100nm，所述石墨插层复合物表面的金属氧化物的的厚度范围为1～500nm。

纳米金属氧化物包括纳米氧化铝和纳米氧化钛的一种或多种。

本发明还提供一种绝缘导热材料，其特征在于，该绝缘导热材料包括如上所述的绝缘导热粉体和绝缘基料，所述绝缘导热粉体分散与所述绝缘基料中，按重量百分比计，所述绝缘导热粉体和绝缘基料的重量百分比分别为：1～90％和10％～99％。

所述基料为塑料、橡胶或可成膜树脂。

本发明另提供一种如上所述的绝缘导热粉体的制备方法，其特征在于，该方法包括：

将石墨粉和液态的有机金属化合物添加到高压反应釜中，搅拌1～30分钟后，再加压静置0.5～10小时，使有机金属化合物渗透到单个石墨晶粒的碳原子层之间和两石墨晶粒间隙，将反应物从高压反应釜中倒出后，过滤，再将滤渣加热或煅烧，使有机金属化合物分解成金属氧化物，制得绝缘导热粉体。

所述高压反应釜中的压强为5～20个标准大气压。

所述有机金属化合物包括有机铝和有机钛中的一种或多种。

所述有机铝为异丙醇铝，有机钛为异丙醇钛和钛酸酯中一种或两种。

本发明又提供一种如上所述的绝缘导热材料的制备方法，其特征在于，该方法包括：

按重量份计，将1～90份的绝缘导热粉体分散到10～99份的基料中，形成绝缘导热材料。

所述基料为塑料、橡胶或可成膜树脂。

本发明有益的技术效果在于：

通过使纳米级的绝缘导热金属氧化物填充于单个石墨晶粒的碳原子层间以及两石墨晶粒间隙，而增加石墨的碳原子层间的导热性能进而提高石墨整体的导热性能；同时通过绝缘的金属氧化物在单个石墨晶粒的碳原子层间及两石墨晶粒间隙的添加和对石墨插层复合物颗粒表面的包覆，达到绝缘的效果。进而使得通过本发明所提供的方法制备出的导热粉体具有绝缘导热的特性。本发明的绝缘导热粉体具有导热率高，同时具有绝缘的特性，非常适用于制备导热塑料等、导热橡胶和导热涂料等导热材料。

【附图说明】

图1为本发明石墨插层复合物颗粒中石墨晶粒的微观结构的剖面示意图。

【具体实施方式】

为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用来限定本发明。

实施例1

本实施例提供一种绝缘导热粉体，该绝缘导热粉体包括微米级的石墨插层复合物颗粒，粒径范围为50μm～100μm，该石墨插层复合物的微观结构是包括多个石墨晶粒、分布在单个石墨晶粒的碳原子层之间以及分布在两石墨晶粒间隙的纳米级导热绝缘金属氧化物，所述石墨晶粒为基体，如图1所示，在单个石墨晶粒11的碳原子层111之间的空隙中填充有纳米级的氧化铝12，所述纳米级的氧化铝的平均厚度为0.05nm，分布在两石墨晶粒间隙13的纳米级的氧化铝的平均厚度为10nm(图中未示出)，所述石墨插层复合物除了在单个石墨晶粒的碳原子层111之间以及在两个石墨晶粒间隙13填充有纳米级的氧化铝之外，在石墨插层复合物颗粒的外围(图中未示出)还包覆有氧化铝，所述氧化铝的平均厚度为30nm，该绝缘导热粉体是采用如下的方法制备而成的：

按重量份计，将100份石墨粉和200份浓度为100％的异丙醇铝溶液添加到高压反应釜中，搅拌1～30分钟后，再加压，将压力增加到5～10个标准大气压，静置0.5～10小时，使异丙醇铝渗透到石墨碳原子层之间，打开高压反应釜，将产物从高压反应釜中倒出后，过滤，再将滤渣放入坩埚中，并搅拌边加热，直至液体完全挥发完全，滤渣变成粉末为止，所制得的粉末包含石墨插层复合物颗粒，在加热分解过程中，分布在单个石墨晶粒的碳原子层之间以及两石墨晶粒间隙内的纳米级的异丙醇铝通过加热分解成纳米级的氧化铝，还有一部分包覆在石墨插层复合物颗粒表面的异丙醇铝分解成氧化铝之后包覆在石墨插层复合物颗粒表面。

本实施例还提供一种绝缘导热材料，该绝缘导热材料包括如上所述的绝缘导热粉体和绝缘基料，所述绝缘基料为工程塑料，所述绝缘导热粉体分散于所述工程塑料中，按重量百分比计，所述绝缘导热粉体和工程塑料的重量百分比分别为：10％和90％。制备上述的绝缘导热材料只需将上述的绝缘导热粉体分散到所述工程塑料中即可。

实施例2

本实施例提供一种绝缘导热粉体，该绝缘导热粉体包括微米级的石墨插层复合物颗粒和微米级的氧化铝粉末，所述石墨插层复合物颗粒的平均粒径为10μm，所述微米级的氧化铝粉末的平均粒径为1μm，该石墨插层复合物的微观结构是包括多个石墨晶粒、分布在单个石墨晶粒的碳原子层之间以及分布在两石墨晶粒间隙的纳米级导热绝缘金属氧化物，所述石墨晶粒为基体，如图1所示，在单个石墨晶粒11的碳原子层111之间的空隙中填充有纳米级的氧化铝12，所述纳米级的氧化铝12的厚度为0.34nm，分布在两石墨晶粒间隙13的纳米级的氧化铝的平均厚度为100nm(图中未示出)，所述石墨插层复合物除了在石墨基体的碳原子层111之间以及在两个石墨晶粒间隙13填充有纳米级的氧化铝之外，在石墨插层复合物颗粒的外围(图中未示出)还包覆有纳米级的氧化铝，包覆在石墨插层复合物颗粒外围的纳米级氧化铝的厚度范围为400nm～500nm，该绝缘导热粉体是采用如下的方法制备而成的：

按重量份计，将100份石墨粉和300份浓度为100％的异丙醇铝溶液添加到高压反应釜中，搅拌1～30分钟后，再加压，将压力增加到5～10个标准大气压，静置0.5～10小时，使异丙醇铝渗透到石墨碳原子层之间，石墨粉均匀的分散在异丙醇铝溶液中，打开高压反应釜，将产物从高压反应釜中倒出后，过滤，再将滤渣放入坩埚中，并搅拌边加热，直至液体完全挥发完全，滤渣变成粉末为止，所制得的粉末包含石墨插层复合物颗粒，在加热分解过程中，分布在单个石墨晶粒的碳原子层之间缝隙以及两石墨晶粒间隙内的纳米级的异丙醇铝通过加热分解成纳米级的氧化铝，除一部分包覆在石墨插层复合物颗粒表面的异丙醇铝分解成纳米氧化铝之后吸附在石墨插层复合物颗粒外，另外还有一部分异丙醇铝粘附在石墨插层复合物颗粒上后，因加热分解又从石墨插层复合物颗粒上脱落，凝结并分解成微米级的氧化铝颗粒。在该绝缘导热粉体中，所述石墨插层复合物颗粒与微米级的氧化铝颗粒的质量百分比分别为：80％和20％。

本实施例还提供一种绝缘导热材料，该绝缘导热材料包括如上所述的绝缘导热粉体和绝缘基料，所述绝缘基料为液体状的可成膜的有机树脂涂料，所述绝缘导热粉体分散于所述树脂涂料中，按重量百分比计，所述绝缘导热粉体和树脂涂料的重量百分比分别为：60％和40％。制备上述的绝缘导热材料只需将上述的绝缘导热粉体添加到所述树脂涂料中，并搅拌均匀即可。

实施例3

本实施例提供一种绝缘导热粉体，该绝缘导热粉体包括纳米级的石墨插层复合物颗粒和纳米级的氧化钛，所述石墨插层复合物颗粒的平均粒径为500nm，该石墨插层复合物的微观结构是包括多个石墨晶粒、分布在单个石墨晶粒的碳原子层之间以及分布在两石墨晶粒间隙的纳米级导热绝缘金属氧化物，所述石墨晶粒为基体，如图1所示，在单个石墨晶粒11的碳原子层111之间的空隙中填充有纳米级的氧化钛12，所述纳米级的氧化钛的平均厚度为0.08nm，分布在两石墨晶粒间隙13的纳米级的氧化钛的平均厚度为50nm(图中未示出)，所述石墨插层复合物除了在单个石墨晶粒的碳原子层111之间以及两石墨晶粒间隙13填充有纳米级的氧化钛12之外，在石墨插层复合物颗粒的外围还包覆有纳米级的氧化钛，所述包覆在石墨插层复合物颗粒外围的纳米级氧化钛的平均厚度为20nm，该绝缘导热粉体是采用如下的方法制备而成的：

按重量份计，将100份石墨粉和250份浓度为100％的钛酸酯溶液添加到高压反应釜中，搅拌1～30分钟后，再加压，将压力增加到8～12个标准大气压，静置5～10小时，使钛酸酯渗透到石墨碳原子层之间，石墨粉均匀的分散在钛酸酯溶液中，打开高压反应釜，将产物从高压反应釜中倒出后，过滤，将滤渣放入坩埚中，并搅拌边加热，直至液体完全挥发完全，滤渣变成粉末为止，所制得的粉末包含石墨插层复合物颗粒，在加热分解过程中，分布在单个石墨晶粒的碳原子层之间缝隙以及两石墨晶粒间隙内的纳米级的钛酸酯通过加热分解成纳米级的氧化钛，除一部分包覆在石墨插层复合物颗粒表面的纳米级钛酸酯分解成氧化钛之后吸附在石墨插层复合物颗粒外，另外还有一部分钛酸酯粘附在石墨插层复合物颗粒上后，因加热分解又从石墨插层复合物颗粒上脱落，形成纳米级的氧化钛颗粒混杂于所述石墨插层复合物颗粒中。在该绝缘导热粉体中，所述石墨插层复合物颗粒与纳米级的氧化钛颗粒的质量百分比分别为：99.99％和0.01％。

本实施例还提供一种绝缘导热材料，该绝缘导热材料包括如上所述的绝缘导热粉体和绝缘基料，所述绝缘基料为工程塑料，所述绝缘导热粉体分散于所述工程塑料中，按重量百分比计，所述绝缘导热粉体和工程塑料的重量百分比分别为：1％和99％。制备上述的绝缘导热材料只需将上述的绝缘导热粉体添加到所述工程塑料中，并搅拌均匀即可。

实施例4

本实施例提供一种绝缘导热粉体，该绝缘导热粉体包括纳米级的石墨插层复合物颗粒，所述石墨插层复合物颗粒的粒径范围为100～200nm，该石墨插层复合物的微观结构是包括多个石墨晶粒、分布在单个石墨晶粒的碳原子层之间以及分布在两石墨晶粒间隙的纳米级导热绝缘金属氧化物，所述石墨晶粒为基体，如图1所示，在单个石墨晶粒11的碳原子层111之间的空隙中填充有纳米级的氧化钛12，所述填充于碳原子层之间的纳米级氧化钛的平均厚度为0.02nm，分布在两石墨晶粒间隙13的纳米级的氧化铝钛的平均厚度为80nm(图中未示出)，所述石墨插层复合物除了在单个石墨晶粒的碳原子层111之间以及两石墨晶粒间隙13填充有纳米级的氧化钛12之外，在石墨插层复合物颗粒的外围还包覆有纳米级的氧化钛，所述包覆在石墨插层复合物颗粒外围的纳米级氧化钛的粒径范围为5nm～15nm，该绝缘导热粉体是采用如下的方法制备而成的：

按重量份计，将100份石墨粉和150份浓度为100％的异丙醇钛溶液添加到高压反应釜中，搅拌1～30分钟后，再加压，将压力增加到10～15个标准大气压，维持该气压静置10～20小时，使异丙醇钛充分渗透到石墨碳原子层之间，打开高压反应釜，将产物从高压反应釜中倒出后，过滤，将滤渣放入坩埚中，并边搅拌边加热，直至液体挥发完全，滤渣变成粉末为止，所制得的粉末包含石墨插层复合物颗粒，在加热分解过程中，分布在单个石墨晶粒的碳原子层之间缝隙以及两石墨晶粒间隙内的纳米级的异丙醇钛通过加热分解成纳米级的氧化钛，还有一部分包覆在石墨插层复合物颗粒表面的纳米级异丙醇钛分解成氧化钛之后吸附在石墨插层复合物颗粒外。

本实施例还提供一种绝缘导热材料，该绝缘导热材料包括如上所述的绝缘导热粉体和绝缘基料，所述绝缘基料为粘接剂，通过粘接剂，所述绝缘导热粉体粘接在一起形成一固定形状的绝缘导热材料。所述绝缘导热粉体分散于所述粘接剂中，按重量百分比计，所述绝缘导热粉体和粘接剂的重量百分比分别为：90％和10％。制备上述的绝缘导热材料的方法如下：

将绝缘导热粉体和液体状的粘接剂混合在一起，混合均匀后，对混合物进行塑形之后，将其放入烘箱中烘干，去掉粘接剂中的水分和其他有机挥发物，使粘接剂固化，此时，绝缘导热粉体通过粘接剂粘接在一起形成固定形状的绝缘导热材料。

实施例5

本实施例提供一种绝缘导热粉体，该绝缘导热粉体包括微米级的石墨插层复合物颗粒和纳米级的氧化钛，所述石墨插层复合物颗粒的平均粒径为1μm，该石墨插层复合物的微观结构是包括多个石墨晶粒、分布在单个石墨晶粒的碳原子层之间以及分布在两石墨晶粒间隙的纳米级导热绝缘金属氧化物，所述石墨晶粒为基体，如图1所示，在单个石墨晶粒11的碳原子层111之间的空隙中填充有纳米级的氧化钛12，所述纳米级的氧化钛的厚度范围为0.01nm～0.02nm，分布在两石墨晶粒间隙13的纳米级的氧化钛的平均厚度为10nm(图中未示出)，所述石墨插层复合物除了在单个石墨晶粒的碳原子层111之间以及两石墨晶粒间隙13填充有纳米级的氧化钛12之外，在石墨插层复合物颗粒的外围还包覆有纳米级的氧化钛，所述包覆在石墨插层复合物颗粒外围的纳米级氧化钛的平均厚度为10nm，该绝缘导热粉体是采用如下的方法制备而成的：

按重量份计，将100份石墨粉和150份浓度为100％的钛酸酯溶液添加到高压反应釜中，搅拌1～30分钟后，再加压，将压力增加到7～9个标准大气压，静置10～20小时，使钛酸酯渗透到石墨碳原子层之间，石墨粉均匀的分散在钛酸酯溶液中，打开高压反应釜，将产物从高压反应釜中倒出后，过滤，用蒸馏水清洗2-3次后，再将滤渣放入坩埚中煅烧，直至液体完全挥发完全，滤渣变成粉末为止，所制得的粉末包含石墨插层复合物颗粒，在加热分解过程中，分布在单个石墨晶粒的碳原子层之间缝隙以及两石墨晶粒间隙内的纳米级的钛酸酯通过加热分解成纳米级的氧化钛，除一部分包覆在石墨插层复合物颗粒表面的纳米级钛酸酯分解成氧化钛之后吸附在石墨插层复合物颗粒外，另外还有一部分钛酸酯粘附在石墨插层复合物颗粒上后，因加热分解又从石墨插层复合物颗粒上脱落，形成纳米级的氧化钛颗粒混杂于所述石墨插层复合物颗粒中。在该绝缘导热粉体中，所述石墨插层复合物颗粒与纳米级的氧化钛颗粒的质量百分比分别为：98％和2％。

本实施例还提供一种绝缘导热材料，该绝缘导热材料包括如上所述的绝缘导热粉体和绝缘基料，所述绝缘基料为橡胶，所述绝缘导热粉体分散于所述工程塑料中，按重量百分比计，所述绝缘导热粉体和橡胶的重量百分比分别为：30％和70％。制备上述的绝缘导热材料只需将上述的绝缘导热粉体添加到所述橡胶中，并搅拌均匀即可。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种绝缘导热粉体，其特征在于，该绝缘导热粉体包括石墨插层复合物颗粒，所述石墨插层复合物颗粒的微观结构包括多个石墨晶粒、分布在单个石墨晶粒的碳原子层之间以及分布在两石墨晶粒间隙的纳米级导热绝缘金属氧化物，所述石墨插层复合物颗粒表面还包覆有导热绝缘金属氧化物。

2.根据权利要求1所述的绝缘导热粉体，其特征在于，该绝缘导热粉体还包括分离于石墨插层复合物外的导热绝缘金属氧化物颗粒，按照重量百分比计，所述绝缘导热金属氧化物颗粒和石墨插层复合物颗粒分别占0.1％～20％和80％～99.9％。

3.根据权利要求1所述的绝缘导热粉体，其特征在于，所述石墨插层复合物的粒径为100nm～100μm，所述分布在单个石墨晶粒的碳原子层之间以及分布在两石墨晶粒间隙的纳米级导热绝缘金属氧化物的厚度范围为0.01～100nm，所述石墨插层复合物表面的金属氧化物的的厚度范围为1～500nm。

4.根据权利要求1-3任一所述的绝缘导热粉体，其特征在于，纳米级的导热绝缘金属氧化物包括纳米氧化铝和纳米氧化钛的一种或多种。

5.一种绝缘导热材料，其特征在于，该绝缘导热材料包括如权利要求1-4任一所述的绝缘导热粉体和绝缘基料，所述绝缘导热粉体分散于所述绝缘基料中，按重量百分比计，所述绝缘导热粉体和绝缘基料的重量百分比分别为：1～90％和10％～99％。

6.根据权利要求5所述的绝缘导热材料，其特征在于，所述基料为塑料、橡胶或可成膜树脂。

7.一种如权利要求1-4任一所述的绝缘导热粉体的制备方法，其特征在于，该方法包括：

将石墨粉和液态的有机金属化合物添加到高压反应釜中，搅拌1～30分钟后，再加压静置0.5～10小时，使有机金属化合物渗透到单个石墨晶粒的碳原子层之间和两石墨晶粒间隙，将反应物从高压反应釜中倒出后，过滤，再将滤渣加热或煅烧，使有机金属化合物分解成金属氧化物，制得绝缘导热粉体。

8.根据权利要求7所述的绝缘导热粉体的制备方法，其特征在于，所述高压反应釜中的压强为5～20个标准大气压。

9.根据权利要求7所述的绝缘导热粉体的制备方法，其特征在于，所述有机金属化合物包括有机铝和有机钛中的一种或多种。

10.一种如权利要求5或6所述的绝缘导热材料的制备方法，其特征在于，该方法包括：

按重量份计，将1～90份的绝缘导热粉体分散到10～99份的基料中，形成绝缘导热材料。

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