CN105038716A - 一种各向异性导热材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种各向异性导热材料，为液态金属材料和高分子聚合物的复合材料，所述高分子聚合物具有内嵌的流道，所述液态金属材料填充在流道中。本发明通过将金属镓、铟、汞、钠、钾、铯或其二元、多元合金等室温液态金属，注入高分子聚合物材料中封装起来而形成各向异性导热材料，大大提升基体材料添加高热导率材料制作复合材料的热导率的各向异性，同时可根据实际需求，进行人为控制热量传递的方向。所述材料方便制作，容易控制高导热率添加物与高分子聚合物的混合过程与混合结果，材料的导热各向异性率范围可以人为地在一个较大范围调节，在微流控芯片、生物医疗检测设备、低温工程以及电子集成设备等领域可望发挥重要作用。

Description

一种各向异性导热材料及其制备方法

技术领域

本发明属于导热材料领域，具体涉及一种各向异性导热材料及其制备方法。

背景技术

伴随着近年来电子电器领域装置的高集成度以及产品的小型化和多功能化，其产热密度也增大，电子设备和电子部件的热释放已成为严重的问题，更高热导率的材料随着集成电路的快速发展变得越来越重要。特别是，在高速发展的移动信息终端中出现了一个问题，即元件产生的热足以引起低温燃烧。因此，要求材料不仅能够直接将热传递至底盘，还要能控制电子设备和电子部件的材料中，除了现有的树脂、陶瓷或金属所具有的固有性能之外，还需要具有优良导热性能的新材料。而利用高分子聚合物材料和其它高导热率材料制作复合材料是当前研究的重点方向。

由于高分子聚合物材料是热的不良导体，热导率普遍较低，因此制备高散热性的导热绝缘材料显得尤为重要。由于热量需要电子、声子和光子进行传递，而高分子材料大部分是非导电了，且结晶度不高，晶格不完善，所以热导率普遍较低，是热的不良导体。目前，提高高分子材料的热导率主要以下有两种方法：一种本征型，即我们所熟知的导电高分子，这类高分子材料共同的特点是主链含有共轭结构，通过电子迁移携带大量的能量实现热量的传递。另一种是填充型，将导热填料如金属、碳纤维与高分子基体进行共混，热量通过导入填料实现在材料中的传递。但是在将高导热率材料添加到高分子材料中的过程中，存在很多问题，例如添加物发生凝聚、分散不均匀等。这种制作方法的得到的新型材料的热导率并不是严格各向异性的，甚至很难保证得到的材料导热性的方向性。以碳纤维添加入树脂中为例，作为填料应用的细碳纤维具有极易发生凝集的特点，因此难以使碳纤维分散到树脂当中，从而造成这样的问题，即只有在大量添加纤维的情况下才能得到导热性改善的效果。作为一大的混合比进行碳纤维混合所造成的问题是，树脂的熔体粘度显著增大，因此无法进行广泛应用于热塑性树脂的注射成形。只有用特定的成形方法才能进行成形的事实构成了使高热导率树脂的实用性和适用性低下的一个因素。因此，对于在高分子聚合物中添加高导热率材料的多种研究就显得尤为重要。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：针对现有的通过在聚合物中添加高导热率材料制作各向异性导热材料的制作方法存在的不足，以及制作得到的导热材料在进行热量的定向传递方面存在的问题，提供一种各向异性导热复合材料。

本发明的另一目的是提供一种各向异性导热材料的制备方法。

(二)技术方案

实现本发明目的的技术方案为：

一种各向异性导热材料，为液态金属材料和高分子聚合物的复合材料，所述高分子聚合物具有内嵌的流道，所述液态金属材料填充在流道中。

其中，所述高分子聚合物为聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯PC、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA等可快速固化聚合物中的一种或多种；所述液态金属材料为镓、铟、汞、钠、钾、铯中的一种，或镓、铟、汞、钠、钾、铯、锡中二种或多种组成的二元或多元合金中的一种。

液态金属镓铟合金、镓铟锡合金及其它镓基合金具有熔点低、热导率高以及流动性好等优点，特别是其导热率更是远高出常规材料。而聚二甲基硅氧烷是一种广泛应用于生物医疗、生物化学、芯片制作等的高分子材料，具有良好的流动性、可塑性、可折叠性，是一种十分理想的基体材料。本发明用特殊的操作办法将液态金属添加到聚二甲基硅氧烷中得到一种各向异性导热的复合材料。

其中，所述高分子聚合物具有多条内嵌的流道，所述多条流道以平行直线、从一点辐射出的多条直线、同心圆、波纹状曲线形状中的一种或多种方式分布。

本发明提出的材料最大的特点是可以实现热量的定向传递，也就是说可以人为控制热量的传递方向，并且按照热量所需传递的方向进行任意设计。

进一步地，所述高分子聚合物具有的流道的高度为10μm-5mm，宽度为10μm-5mm，包围流道的壁的厚度为10μm-5mm。

本发明所述各向异性导热材料的制备方法，包括步骤：

步骤1)，选择金属镓、铟、汞、钠、钾、铯、锡中的一种或多种，或其二元、多元合金，做为室温液态金属材料；

步骤2)，利用绘图软件设计所需流道结构，所述流道的结构以平行直线、从一点辐射出的多条直线、同心圆、波纹状曲线形状中的一种或多种方式布置；

步骤3)，将步骤2)设计的结构打印得到胶片；

步骤4)，以步骤3)得到的胶片为掩膜，利用软光刻(soft-lithography)的方法制作得到一面有步骤2)所设计的流道结构图形的片状高分子聚合物；

步骤5)，将步骤4)得到的片状高分子聚合物有流道结构图形的一面与另一片普通的片状高分子聚合物通过键合，得到具有内嵌流道的高分子聚合物，将步骤1)所得液态金属材料灌注到流道中。

室温下为液态的金属材料也可以是共晶合金，采用室温液态合金作为液态金属材料，则所述步骤1)中，选择金属镓、铟、汞、钠、钾、铯、锡中的二种以上，加热至80-240℃，配制为室温液态合金。

步骤2)设计得到的流道结构中充填高导热率的液态金属，所以可以按照导热量沿不同方向传递的预想来进行设计。

进一步地，所述步骤4)中，以胶片为掩膜，用光刻法制作带有所设计流道结构的硅片，将硅片带有流道的一侧的朝上，将液态高分子聚合物聚二甲基硅氧烷浇灌到硅片上，固化之后，即得到一面有流道结构图形的片状高分子聚合物。

步骤4)中，具体可将硅片放在尺寸大小合适的培养皿中，并保持带有图案一侧朝上，然后将液态聚合物浇灌到硅片上。等到液态聚合物固化之后，将其从硅片上揭下来，这样就得到了带有设计图案的液态聚合物薄膜。然后通过键合技术得到带有内嵌金属流道的液态聚合物薄膜，再接着将步骤1得到的液态金属顺着流道注入该薄膜中，封装之后就得到了带有内嵌金属的薄膜材料。

其中，所述步骤5)中，所述键合的方法为等离子处理法或者热压法。

所述步骤5)中，在具有内嵌流道的高分子聚合物表面打孔，将步骤1)所得液态金属材料通过孔灌注到流道中，最后利用705硅橡胶将灌注口进行封装固化。

本发明的有益效果在于：

本发明将金属镓、铟、汞、钠、钾、铯或其二元、多元合金的液态金属，与柔性高分子聚合物通过一些操作手段进行混合，得到各向异性导热材料，可对热量进行定向传递，可大大提升高分子聚合物添加高导热率制作复合材料的导热方向性，从而较好满足对于热量定向传递材料的需求，且可以通过改变高分子聚合物的内嵌流道布置方式及流道的尺寸得到不同的各向异性导热率的复合材料，从而满足更宽温度范围的使用。

本发明提出的材料中由于聚二甲基硅氧烷的热导率与液态金属热导率差异很大，制作得到的薄膜材料的热导率具有明显的方向性，并且可以根据需要进行多样化设计，通过设计不同流道形状达到控制热量传递的目的。由于其方便制作，且容易控制高导热率添加物与高分子聚合物的混合过程与混合结果，材料的导热各向异性率范围可以人为地在一个较大范围调节，在微流控芯片、生物医疗检测设备、低温工程以及电子集成设备、封装材料、等领域的电子芯片热量传导、热量控制方面均可望发挥重要作用。

附图说明

图1是本发明实施例1的导热材料结构图；

图2是实施例1的薄膜材料俯视角度的照片，图2(a)是将薄膜材料按照热量沿着垂直于内嵌流道方向布置；图2(b)是将薄膜材沿着平行于内嵌流道方向的布置。

图3(a)、(b)分别是对应于图2(a)、(b)两种传热方向的温度分布图。

图4是本发明实施例2的导热材料结构图；

图5是本发明实施例3的导热材料结构图；

图6是本发明实施例4的导热材料结构图。

图中，1：柔性基体材料；2：内嵌液态金属流道；3：发热区域；4：低温区域。

具体实施方式

下面通过最佳实施例来说明本发明。本领域技术人员所应知的是，实施例只用来说明本发明而不是用来限制本发明的范围。

实施例中，如无特别说明，所用手段均为本领域常规的手段。

本发明各向异性导热材料的制作方法包括如下步骤：

步骤1)，选择金属镓、铟、汞、钠、钾、铯或其二元、多元合金，通过加热使金属或者合金变成液态。

步骤2)，利用绘图软件设计所需定向导热材料结构，这里设计得到的结构将用于填充高导热率的液态金属，所以可以按照导热量沿不同方向传递的预想来进行设计。

3)根据上述设计图形打印得到胶片。利用光刻法，以上述步骤得到的胶片为掩膜，制作得到带有前述所设计的槽道的硅片。将制作得到的硅片放在尺寸大小合适的培养皿中，并保持带有槽道一侧朝上。将液态高分子聚合物聚二甲基硅氧烷浇灌到硅片上。等到液态聚二甲基硅氧烷固化之后，将其从硅片上揭下来，这样就得到了带有设计槽道的液态聚合物聚二甲基硅氧烷薄膜。然后通过键合技术得到带有内嵌流道的液态聚合物薄膜。

步骤4)，将步骤1得到的液态金属顺着内嵌图案注入该薄膜中，封装之后就得到了带有内嵌液态金属流道的薄膜材料。

以下是采用本发明所述方法制造的不同流道结构的实施例：

实施例1：

利用绘图软件在一块方形框内设计若干互相平行的流道，流道布置如图1。设计的流道将用于填充高导热率的液态金属材料。根据上述设计图形打印胶片。然后利用光刻法，以上述步骤得到的胶片为掩膜，制作得到带有前述所设计的流道的硅片，相当于把上述设计的流道复制到硅片上。将制作得到的带有流道的硅片放在尺寸大小合适的培养皿中，并使得硅片带有流道一侧朝上。将提前配制好的液态高分子聚合物聚二甲基硅氧烷浇灌到硅片上。等到液态聚二甲基硅氧烷固化之后，将其从硅片上揭下来，并在流道出入口处打孔，这样就得到了带有设计流道的液态聚合物聚二甲基硅氧烷薄膜。

液态金属材料的制备：质量比为75.5：24.5的镓和铟，用水浴加热至100℃，则得到室温液态合金GaIn_24.5。

通过键合技术，将有设计流道的聚二甲基硅氧烷薄膜与另一块提前制作好的不带有任何流道的聚二甲基硅氧烷薄膜热压键合在一起，这样就得到带有内嵌流道的液态聚合物薄膜。再将室温液态合金GaIn_24.5从孔处注入内嵌流道中。最后，用705硅橡胶封装固化之后就得到了带有内嵌液态金属流道的薄膜材料，如图1所示。所得的各向异性导热材料由柔性基体材料1(聚二甲基硅氧烷)和液态金属复合而成，材料的内嵌液态金属流道2以多条平行直线的方式布置，流道的高2mm，宽2mm，内填充GaIn_24.5。

由于聚二甲基硅氧烷的热导率与液态金属热导率差异很大，制作得到的薄膜材料的热导率在平行于内嵌流道方向大于其他方向的热导率，而垂直于流道方向的热导率最小，即上述得到的材料热导率具有明显的方向性。图2之(a)、(b)分别是将前述制作得到的薄膜分别按照热量沿着垂直于图1所示薄膜内嵌流道方向和沿着平行于图1所示薄膜内嵌流道方向的两种传热方式的布置图，两种情况下薄膜都是置于100℃的高温加热板上，加热板一端加热。图3(a)、(b)分别是对应于图2(a)、(b)两种传热方向的温度分布图(原图为彩色，左侧标尺列出各颜色对应的温度)。从图中不难得知当热量沿着垂直于液态金属流道方向传递时，远端温度为50.4℃；而当热量沿着平行于液态金属流道方向传递时远端温度为65.8℃。所以，该薄膜的热导率存在明显的方向性差异，即该薄膜具有各向异性导热的特点。

实施例2:

根据应用场合的不同，改变流道的形状及布置方式。当需要将热量传递控制在轴向方向，在径向方向隔热时，需要不同的液态金属流道布置方式。如图4所示，液态金属流道采用同心圆的环状布置，薄膜的轴向和切向热导率高于径向的热导率，因此得到轴向、径向各向异性导热薄膜，可以满足热量在轴向和切向快速传递，而在径向实现隔热效果。流道的高5mm，宽5mm，内填充Ga₆₇In_20.5Sn_12.5，该液态合金是在加热温度为240℃下配制而成。

实施例3

制备如实施例1。根据应用场合的不同，改变流道的形状及布置方式。如图5所示，液态金属流道按照从一点辐射出多条直线的方式布置，得到热导率在图示辐射状方向高于其他方向的热导率，进而可以实现热量沿辐射状方向传递的目的。

本实施例中，流道的高3mm，宽3mm，内填充GaIn_24.5,该液态合金在加热温度80℃下配制，采用室温灌注。

实施例4

按照实例1的设计、制备方法，只是根据应用场合的不同，改变流道的形状及布置方式。如图6所示，由于设备四周只有一个散热端，其它端面都是绝热的，并且在发热处热量传递的直线方向上有一个关键部件，而这个部件必须保持较低温环境，但是发热处的热量又必须传递出去，因此需要想法使得热量传递绕过低温部件将热量传递出去。可以利用本发明制作方法，通过设计弧形流道2，绕过低温区域4中需要保护的关键部件。这样，发热区域3的热量传递路径绕过低温部件将热量传递到散热端面，进而达到散热的目的。弧形流道2中填充高导热率液态金属GaIn_24.5，该液态合金在加热温度为80℃下配制，采用室温灌注。

以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种各向异性导热材料，其特征在于，为液态金属材料和高分子聚合物的复合材料，所述高分子聚合物具有内嵌的流道，所述液态金属材料填充在流道中。

2.根据权利要求1所述的各向异性导热材料，其特征在于，所述高分子聚合物为聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯PC、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA中的一种或多种；所述液态金属材料为镓、铟、汞、钠、钾、铯中的一种，或镓、铟、汞、钠、钾、铯、锡中二种或多种组成的二元或多元合金中的一种。

3.根据权利要求1所述的各向异性导热材料，其特征在于，所述高分子聚合物具有多条内嵌的流道，所述多条流道以平行直线、从一点辐射出的多条直线、同心圆、波纹状曲线形状中的一种或多种方式分布。

4.根据权利要求3所述的各向异性导热材料，其特征在于，所述高分子聚合物具有的流道的高度为10μm-5mm，宽度为10μm-5mm，包围流道的壁的厚度为10μm-5mm。

5.权利要求1-4任一所述各向异性导热材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1)，选择金属镓、铟、汞、钠、钾、铯、锡中的一种或多种，或其二元、多元合金，做为室温液态金属材料；

步骤2)，利用绘图软件设计流道结构，所述流道结构以平行直线、从一点辐射出的多条直线、同心圆、波纹状曲线形状中的一种或多种方式布置；

步骤3)，将步骤2)设计的结构打印得到胶片；

步骤4)，以步骤3)得到的胶片为掩膜，利用软光刻的方法制作得到一面有步骤2)所设计的流道结构图形的片状高分子聚合物；

步骤5)，将步骤4)得到的片状高分子聚合物有流道结构图形的一面与另一片普通的片状高分子聚合物通过键合,得到具有内嵌流道的高分子聚合物，将步骤1)所得液态金属材料灌注到流道中。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，选择金属镓、铟、汞、钠、钾、铯、锡中的二种以上，加热至80-240℃，配制为室温液态合金。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中，以胶片为掩膜，用光刻法制作带有所设计流道结构的硅片，将硅片带有流道的一侧的朝上，将液态高分子聚合物聚二甲基硅氧烷浇灌到硅片上，固化之后，得到一面有流道结构图形的片状高分子聚合物。

8.根据权利要求5-7任一所述的制备方法，其特征在于，所述步骤5)中，所述键合的方法为等离子处理法或者热压法。

9.根据权利要求5-7任一所述的制备方法，其特征在于，所述步骤5)中，在具有内嵌流道的高分子聚合物表面打孔，将步骤1)所得液态金属材料通过孔灌注到流道中，最后利用705硅橡胶将灌注口进行封装固化。