CN104072988B - 氮化硼高导热绝缘材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氮化硼高导热绝缘材料及其制备方法与应用。本发明提供的氮化硼绝缘材料，包括芳纶纤维、沉析纤维、云母和用聚苯硫醚处理后的颗粒状氮化硼。本发明提供的氮化硼高导热纤维云母绝缘材料，具有高导热性、高绝缘性、高强度、加工性强、以及高物理性、耐化学性等特点，且抗冲击、耐化学腐蚀、耐热疲劳性能优异，可在高端绝缘复合材料方面使用。

Description

氮化硼高导热绝缘材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种氮化硼高导热绝缘材料及其制备方法与应用。

背景技术

随着集成技术、组装技术的发展，电子元器件、逻辑电路的体积越来越小，需要散热性好的高导热绝缘材料；随着大功率电气、电子产品等的快速发展，必然出现越来越多的发热问题。大中型高压发电机、电动机运行过程中的发热、传热、冷却直接影响到工作效率、使用寿命、可靠性等重要指标。随着高分子材料在各行业应用的日渐普及，人们对其综合性能的要求不断提高。电子电气材料领域急需导热绝缘材料来散发集成电路中产生的大量热，使电子元件在合适的温度下稳定工作、延长使用寿命。导热绝缘材料用于电机行业时，可有效地降低电机绕组的温升，减小电机体积并增大功率输出。到目前为止，还没有一种高分子材料能同时具有导热性和绝缘性，国内外的研究都集中于将某种导热绝缘无机填料掺杂到具有特定要求的高分子材料中，得到高导热绝缘复合材料，但效果不显著。新型的散热绝缘材料已成为现代电机技术研究的重点方向之一。

现微电子集成技术和组装技术都在高速发展，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，电子仪器日益轻薄短小化，而工作频率急剧增加，半导体热环境向高温方向迅速变化。此时电子设备所产生的热量迅速积累、增加，在使用环境温度下要使电子元器件仍能高可靠地正常工作，及时散热能力成为影响其使用寿命的重要限制因素，为保障元器件运行的可靠性。工业生产和科学技术发展对导热材料提出了更高要求，除导热性外，更需要材料具有优良的综合性能，如质轻、易加工成型、抗冲击、耐化学腐蚀、热疲劳性能优异、优良电绝缘性能及化学稳定性等。传统导热材料如金属和金属氧化物及其它金属材料已无法满足一些特殊场合的绝缘导热使用要求，如电池屏蔽、电子信息、热工测量技术领域广泛使用的功率管、集成块、热管、集成电路、覆铜板的绝缘导热，也无法作为武器装备、航空航天电子设备、电机、通讯、电器设备、仪器所需的导热绝缘材料使用。因此，急需研制具有可靠性、高散热性的综合性能优异的导热绝缘高分子复合材料替代传统高分子材料，作为热界面和封装材料。迅速将热元件的热量传递给散热设备，保障电子设备正常运行。所以高导热绝缘高分子复合材料则是散热设计中必不可少的关键环节，它的研究开发具有重要意义。

对于绝缘材料，由于没有电子流的运达，他们的导热性要比金属材料相差500—1000倍，到目前为止，还没有一种高分子材料同时具有好的导热性和绝缘性。目前国外高导热的绝缘方式仍是掺混型的，就是将某种又导热又绝缘的无机填料掺混到具有特定要求的绝缘材料中。

然而如何利用各种手段使导热网络最大程度上形成并达到有效的热传导，获得高导热性体系，许多研究者曾提出各种模型对不同形状填料(粉末、粒子、纤维等)填充的导热材料的导热率进行预测。认为，在那些填充的聚合物体系中，若所有的填充粒子聚集形成的传导块与聚合物传导块在热流方向上是成行的，则复合材料导热率最高；若是成列的，则复合材料的导热率为最低。其实要提高材料的热导率，必须使高导率绝缘填料在聚合物中形成导热网络结构，从而形成导热通道。然而，生产工艺上达不到这样理想的分布与排列，这不仅需要从复合材料整体设计考虑，还要设计成型加工工艺过程。国内外的研究都颇多，但至今仍未成型技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种氮化硼高导热绝缘材料及其制备方法与应用。

本发明提供的氮化硼绝缘材料，包括芳纶纤维、沉析纤维、云母和用聚苯硫醚(PPS)处理后的颗粒状氮化硼。

上述氮化硼绝缘材料也可只由上述组分组成。

其中，所述芳纶纤维为聚间苯二甲酰间苯二胺纤维(简称芳纶1313纤维)或聚对苯二甲酰对苯二胺纤维(简称芳纶1414纤维)；

所述芳纶纤维的纤度为1～2d，长度为2～10mm；

所述沉析纤维为1313沉析纤维或1414沉析纤维；

所述云母为非煅烧型云母或煅烧型云母；其中，所述非煅烧型云母为金云母、白云母或人工晶体云母；(将精选的云母碎片，经高温煅烧脱去云母结构中的部分结晶水，使云母碎片沿垂直于解理面的方向膨胀，质地变软)；

所述云母的粒度为20-120目；

由于氮化硼属于非极性产品，很难浸润，以氮化硼纯品为原料所得氮化硼绝缘材料成品，由于碳化硼在水中分散性比较差，无法形成均匀的分布，故必须对氮化硼纯品用PPS处理后才能使用。

所述用聚苯硫醚处理后的氮化硼是按照包括如下步骤的方法制备而得：将氮化硼与质量百分浓度为1-5％的聚苯硫醚的联苯溶液以质量比为1：1的比例共混1-10分钟后，过滤，干燥而得；

所述用聚苯硫醚处理后的颗粒状氮化硼的导热系数为10W/m·K，粒径为5-80μm。

所述芳纶纤维、沉析纤维、云母和用聚苯硫醚处理后的颗粒状氮化硼的质量比为1-10：2-20：50-90：5-30。

本发明提供的制备前述氮化硼绝缘材料的方法，包括如下步骤：

1)将所述芳纶纤维在水碎设备中进行打浆处理后，再用金属盘磨进行帚化处理，得到分丝帚化的芳纶纤维，其叩解度为50-80oSR；

2)将所述沉析纤维在水碎设备中进行打浆处理后，再用金属盘磨进行帚化处理，得到分丝帚化的沉析纤维，其叩解度为50-80oSR；

3)将步骤1)所得分丝帚化的芳纶纤维、步骤2)所得分丝帚化的沉析纤维、所述云母、所述用聚苯硫醚(PPS)处理后的颗粒状氮化硼和水混匀后，脱除水分，得到所述氮化硼绝缘材料。

上述方法步骤1)中，先将芳纶纤维先进行打浆处理，然后经过盘磨对芳纶施加机械力，从而增加了芳纶纤维的比表面积，使芳纶分子中的极性基团更多地裸露出来，Zeta电位相应地提高，可由30mV提高至70mV；此外，经过如上处理后，芳纶纤维在水的悬浮液中的分散性得到改善。步骤2)中的沉析纤维经过如上处理，Zeta电位相应地提高，可由-32mV提高至68mV；

步骤2)所得分丝帚化的沉析纤维的叩解度具体可为60oSR；

所述步骤3)中，当芳纶纤维与云母和氮化硼导热材料混合时，芳纶纤维所产生的电荷以及范德华力使纤维对云母鳞片以及导热材料具有极强的吸附力，使高导热材料在纤维和云母间排布均匀并形成网状结构。

上述方法可通过1094圆网纸机应用造纸的方式进行抄造一次成型。同时根据客户需求可对纸张表面热压处理，调整孔隙、渗透率及纸张厚度。根据需求可采用不同配比，满足下游产品的制造工艺要求。

另外，含有本发明提供的氮化硼绝缘材料的电子绝缘材料、微电子绝缘材料、电气设备或发动机及该氮化硼绝缘材料在制备电子绝缘材料、微电子绝缘材料、电气设备或发动机中的应用，也属于本发明的保护范围。

由于芳纶纤维和氮化硼导热材料都是非极性材料，不溶于水。云母比重大，易沉底。若直接将芳纶纤维、云母、沉析纤维、氮化硼导热材料混合是分散不均匀的。必须按照本发明提供的方法，先将芳纶纤维进行电动电势处理后再通过特制盘磨技术进行帚化处理，使得芳纶纤维表面电荷增强，比表面积增大，加上范德华力的作用，使氮化硼导热材料在芳纶纤维与云母之间紧密结合，形成导热通道。整个工艺流程采用物理方式处理，不添加任何化学物品，使各种原料均匀分散于水中，无流失。

本发明提供的氮化硼高导热纤维云母绝缘材料，具有高导热性、高绝缘性、高强度、加工性强、以及高物理性、耐化学性等特点，且抗冲击、耐化学腐蚀、耐热疲劳性能优异，可在高端绝缘复合材料方面使用。目前，这种高导热芳纶纤维云母绝缘材料制造工艺在国内外还未见报道。该绝缘材料革新了导电导热、绝缘绝热的常规产品理论，而是真正做到了导热绝缘，实现了理论上的导热通道，可谓是绝缘行业的一次重大革命，而且产品还积聚了芳纶与云母的各种特性，产品加工性好，是一种新型高导热绝缘高分子材料，可广泛应用于高端电子、微电子集成领域，以及各种大型电气设备、发动机、民用或其他特殊用途等领域。

附图说明

图1为氮化硼绝缘材料的制备工艺流程示意图。

图2为氮化硼绝缘材料的横切面电镜照片。

图3为氮化硼绝缘材料的导热系数对比曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。

下述实施例所用各材料的购买出处如下：

芳纶1313纤维：新会彩艳股份有限公司生产，纤度为1～2d，长度为2～10mm；

芳纶1414纤维：日本帝人公司生产或晨光化工研究院生产，纤度为1～2d，长度为2～10mm；

1313沉析纤维：新会彩艳股份有限公司生产；

1414沉析纤维：日本帝人公司；

白云母：雅安蔚莱特公司，粒度为100目；

氮化硼：日本东槽公司

实施例1

1)氮化硼的预处理：

将25重量份的纯氮化硼制成比表面积大的晶须状，然后将氮化硼与质量百分浓度为2％的PPS的联苯溶液以1：1的质量比共混5分钟后，过滤，高温下进行干燥，得到导热系数10W/m·K、粒径为5-80μm的颗粒状氮化硼；

2)将5重量份的芳纶1313纤维在水碎设备中进行打浆处理后，再用金属盘磨进行帚化处理，得到分丝帚化的芳纶纤维，其叩解度为50oSR；

3)将10重量份的1313沉析纤维在水碎设备中进行打浆处理后，再用高速旋转的金属盘磨进行帚化处理5分钟，得到分丝帚化的沉析纤维，其叩解度为60oSR；

表1、芳纶处理后Zeta电位对比表

4)将步骤2)所得分丝帚化的芳纶纤维5重量份、步骤3)所得分丝帚化的沉析纤维10重量份、白云母60重量份、步骤1)所得颗粒状氮化硼25重量份和适量的去离子水一并输送到配浆罐中，然后用强搅拌机充分搅拌至各原料分散均匀。

最后将分散均匀的浆料流入稳浆箱中，调节稳浆箱上网阀门，通过流浆道送向抄造系统，使浆料均匀分布到1094圆网纸机上进行成型操造。当浆料沿成型网运行时，利用伏辊的压力，将多余水分从浆料中滤出，通过毛毯带动纸胚经过高温烘缸进一步脱去水分后进行卷曲一次成型，得到本发明提供的氮化硼绝缘材料。

该材料的横切面电镜照片如图2所示。

通过图2可以清楚的看到，横切面结构是成行排列的，只有成行排列导热效果是最好的，从而真正实现了理论上的导热通道。

该材料的性能指标见表2。

表2、氮化硼绝缘材料的性能检测结果

由表2可知，氮化硼绝缘材料的综合性能均能满足应用标准。其透气度远低于标准，有利于后续浸润树脂时，树脂的快速进入和分散。

该氮化硼绝缘材料用环氧树脂浸润后测试其导热系数，具体测试方法如下：

将该实施例所得氮化硼绝缘材料10g用一定规格的玻璃纤维布进行包裹，并浸渍环氧树脂2g，在150℃下固化0.5小时，而得待测样品，再用导热率测试仪测试其导热系数。

作为对照的材料为雅安蔚莱特公司的120g/m²云母纸。

所得结果见图3。

由图可知，添加氮化硼对材料的导热性能有很大提高，充分证明对氮化硼的处理是可行的，解决了浸润差的缺点。

Claims (7)

1.一种氮化硼绝缘材料，包括芳纶纤维、沉析纤维、云母和用聚苯硫醚处理后的颗粒状氮化硼；

所述芳纶纤维、沉析纤维、云母和用聚苯硫醚处理后的颗粒状氮化硼的质量比为1-10：2-20：50-90：5-30。

2.根据权利要求1所述的绝缘材料，其特征在于：所述氮化硼绝缘材料由所述芳纶纤维、沉析纤维、云母和用聚苯硫醚处理后的氮化硼组成。

3.根据权利要求1或2所述的绝缘材料，其特征在于：所述芳纶纤维为聚间苯二甲酰间苯二胺纤维或聚对苯二甲酰对苯二胺纤维；

所述芳纶纤维的纤度为1～2d，长度为2～10mm；

所述沉析纤维为1313沉析纤维或1414沉析纤维；

所述云母为非煅烧型云母或煅烧型云母；其中，所述非煅烧型云母为金云母、白云母或人工晶体云母；

所述云母的粒度为20-120目；

所述用聚苯硫醚处理后的颗粒状氮化硼是按照包括如下步骤的方法制备而得：将氮化硼与质量百分浓度为1-5％的聚苯硫醚的联苯溶液以质量比为1：1的比例共混1-10分钟后，过滤，干燥而得；

所述用聚苯硫醚处理后的颗粒状氮化硼的导热系数为10W/m·K，粒径为5-80μm。

4.根据权利要求1所述的绝缘材料，其特征在于：所述芳纶纤维、沉析纤维、云母和用聚苯硫醚处理后的颗粒状氮化硼的质量比为5：10：60：25。

5.一种制备权利要求1-4任一所述氮化硼绝缘材料的方法，包括如下步骤：

1)将所述芳纶纤维在水碎设备中进行打浆处理后，再用金属盘磨进行帚化处理，得到分丝帚化的芳纶纤维，其叩解度为50-80°SR；

2)将所述沉析纤维在水碎设备中进行打浆处理后，再用金属盘磨进行帚化处理，得到分丝帚化的沉析纤维，其叩解度为50-80°SR；

3)将步骤1)所得分丝帚化的芳纶纤维、步骤2)所得分丝帚化的沉析纤维、所述云母、所述用聚苯硫醚处理后的颗粒状氮化硼和水混匀后，脱除水分，得到所述氮化硼绝缘材料。

6.含有权利要求1-4任一所述氮化硼绝缘材料的电子绝缘材料、微电子绝缘材料、电气设备或发动机。

7.权利要求1-4任一所述氮化硼绝缘材料在制备电子绝缘材料、微电子绝缘材料、电气设备或发动机中的应用。