CN105198436A - 一种绝缘导热的无机纳米复合陶瓷及其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种绝缘导热的无机纳米复合陶瓷，由以下质量配比的原料组成：碳化硅：二氧化硅：填充料：助剂：溶剂＝30％～45％：10％～15％：15％～30％：1％～10％：10％～30％。本发明还公开了所述绝缘导热的无机纳米复合陶瓷的制备方法和在LED散热器上的用途。本发明所述绝缘导热的无机纳米复合陶瓷，通过运用无机纳米复合陶瓷的优点，既绝缘，又有良好的导热性，此外，还具有阻燃、耐高温、环保、耐酸碱腐蚀、重量轻等诸多优点。

Description

一种绝缘导热的无机纳米复合陶瓷及其制备方法和用途

技术领域

本发明涉及陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种绝缘导热的无机纳米复合陶瓷及其制备方法和用途。

背景技术

LED高功率产品输出的电能只有20％转换成光源，而其余的80％则均会转换为热能。一般而言，LED发光时所产生的热能若无法汇出，将会使LED结面温度过高，进而影响产品的生命周期、发光效率以及温度性，如何解决LED系统的散热管理与设计成为了一个重要的课题。

铝质散热器因其散热系数比较高、比重轻、外形美观、造型可多变、易加工、价格便宜等优势而广泛应用于LED散热系统中。

尽管如此，铝质散热器一直存在一个致命的缺点：其本身不绝缘。

为了安全起见，需要做绝缘加工，或覆盖绝缘胶，或套绝缘套，然后绝缘胶或绝缘套的导热性很差，则导致铝质散热器和基板的散热效果大打折扣，故如何研发设计一种新材料，来保证铝质散热器及基板的安全又要保留其良好的导热散热性能，是我们需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种陶瓷，既具有绝缘性，又具有导热性，而且所述陶瓷披覆在铝质散热器上时，涂层会形成均匀细腻的凹凸不平的与外界接触的面，从而增大了散热面积，更加提升了其散热效果。解决了铝质散热器无法兼具绝缘和良好导热性的难题，一方面延长了LED灯具的使用寿命，另一方面为研发设计高功率LED灯具创造了前提条件。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种绝缘导热的无机纳米复合陶瓷，由以下质量配比的原料组成：

碳化硅：二氧化硅：填充料：助剂：溶剂＝30％～45％：10％～15％：15％～30％：1％～10％：10％～30％。

作为本发明所述绝缘导热的无机纳米复合陶瓷的优选实施方式，所述陶瓷由以下质量配比的原料组成：

碳化硅：二氧化硅：填充料：助剂：溶剂＝37.25％：12.75％：25％：5％：20％。

作为本发明所述绝缘导热的无机纳米复合陶瓷的优选实施方式，所述填充料由以下质量配比的原料组成：

氮化铝：沉淀硫酸钡：高岭土＝70％：25％：5％，其中，所述沉淀硫酸钡和高岭土过6000目以上筛

作为本发明所述绝缘导热的无机纳米复合陶瓷的优选实施方式，所述助剂由以下质量配比的物质组成：

流变助剂：消泡剂：润湿剂：平坦助剂：增稠剂：成膜助剂＝0％～30％：0％～30％：0％～30％：0％～30％：0％～30％：0％～30％。

作为本发明所述绝缘导热的无机纳米复合陶瓷的优选实施方式，所述流变助剂为德国BYK公司的BYK-360，所述消泡剂为德国BYK公司的BYK-034，所述润湿剂为德国BYK公司的BYK-0304，所述平坦助剂为德国BYK公司的BYK-3400，所述增稠剂为聚氨酯，所述成膜助剂为美国DOW公司生产的DPM(二丙二醇甲醚)或DPnB(二丙二醇丁醚)中的至少一种。

作为本发明所述绝缘导热的无机纳米复合陶瓷的优选实施方式，所述溶剂为水或异丙醇中的至少一种。

其次，本发明还提供一种绝缘导热的无机纳米复合陶瓷的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)采用Gel-Sol法分别将SiO₂和SiC制备成无机纳米材料；

(2)将分散机转速调至300r/m～500r/m，先缓慢加入步骤(1)中制备的碳化硅和二氧化硅无机纳米材料，再缓慢加入填充料，然后加入适量的溶剂，以不至于使浆料黏度过高而不便使用，分别加入消泡剂、流变助剂、润湿剂、平坦助剂和成膜助剂，最后视整体浆料的黏度情况适量添加增稠剂，最终黏度在65000mpas，得到配好的浆料；

(3)将步骤(2)中调配好的浆料，注入事先设定好的模槽中，静置10min以后，使其完全披覆并流平，用辅助工具抹去多余的浆料，待其表面完全流平光洁；

(4)将步骤(3)中流平光洁的浆料置于200℃～300℃的烤箱内低温烘烤10min～30min即可得到所需的无机纳米复合陶瓷。

最后，本发明还提供一种绝缘导热的无机纳米复合陶瓷在LED散热器上的用途。

本发明所述绝缘导热的无机纳米复合陶瓷，通过运用无机复合陶瓷的优点，既绝缘，又有良好的导热性，此外，还具有阻燃、耐高温、环保、耐酸碱腐蚀、重量轻等诸多优点。

附图说明

图1为本发明所述陶瓷的SEM图。

图2为本发明所述陶瓷应用于LED散热系统的工艺流程图。

具体实施方式

为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本实施例所述绝缘导热的无机纳米复合陶瓷由以下质量比的原料制成：

碳化硅：二氧化硅：填充料：助剂：异丙醇＝30％：10％：15％：1％：10％，其中，填充料由以下质量配比的原料组成：氮化铝：沉淀硫酸钡：高岭土＝70％：25％：5％，助剂由以下质量配比的原料组成：BYK-360：BYK-034：BYK-0304：BYK-3400：聚氨酯：二丙二醇甲醚＝15％：20％：15％：20％：15％：15％。

本实施例所述绝缘导热的无机纳米复合陶瓷的制备工艺，包括以下步骤：

(1)采用Gel-Sol法分别将SiO₂和SiC制备成无机纳米材料；

(2)将分散机转速调至300r/m，先缓慢加入步骤(1)中制备的碳化硅和二氧化硅无机纳米材料，再缓慢加入填充料，然后加入适量的异丙醇，以不至于使浆料黏度过高而不便使用，分别加入BYK-034、BYK-360、BYK-0304、BYK-3400和二丙二醇甲醚，最后视整体浆料的黏度情况适量添加聚氨酯，最终黏度在65000mpas，得到配好的浆料；

(3)将步骤(2)中调配好的浆料，注入事先设定好的模槽中，以铝基板为例，一般模槽卡在铝基板的四周，并在铝基板面上均匀构成一个0.2～0.3mm深度的结构槽，静置10min以后，使其完全披覆并流平，用辅助工具抹去多余的浆料，待其表面完全流平光洁；

(4)将步骤(3)中流平光洁的浆料置于200℃的烤箱内低温烘烤10min即可得到所需的无机纳米复合陶瓷。

实施例2

本实施例所述绝缘导热的无机纳米复合陶瓷由以下质量比的原料制成：

碳化硅：二氧化硅：填充料：助剂：去离子水＝37.25％：12.75％：25％：5％：20％，其中，填充料由以下质量配比的原料组成：氮化铝：沉淀硫酸钡：高岭土＝70％：25％：5％，助剂由以下质量配比的原料组成：BYK-360：BYK-034：BYK-0304：BYK-3400：聚氨酯：二丙二醇丁醚＝30％：10％：10％：30％：10％：10％。

本实施例所述绝缘导热的无机纳米复合陶瓷的制备工艺，包括以下步骤：

(1)采用Gel-Sol法分别将SiO₂和SiC制备成无机纳米材料；

(2)将分散机转速调至400r/m，先缓慢加入步骤(1)中制备的碳化硅和二氧化硅无机纳米材料，再缓慢加入填充料，然后加入适量的去离子水，以不至于使浆料黏度过高而不便使用，分别加入BYK-034、BYK-360、BYK-0304、BYK-3400和二丙二醇丁醚，最后视整体浆料的黏度情况适量添加聚氨酯，最终黏度在65000mpas，得到配好的浆料；

(3)将步骤(2)中调配好的浆料，注入事先设定好的模槽中，以铝基板为例，一般模槽卡在铝基板的四周，并在铝基板面上均匀构成一个0.2～0.3mm深度的结构槽，静置10min以后，使其完全披覆并流平，用辅助工具抹去多余的浆料，待其表面完全流平光洁；

(4)将步骤(3)中流平光洁的浆料置于250℃的烤箱内低温烘烤20min即可得到所需的无机纳米复合陶瓷。

图1是本实施例陶瓷的SEM图，从中可以看出，无机纳米粒径约为100nm且很好的分散于均质中。

实施例3

本实施例所述绝缘导热的无机纳米复合陶瓷由以下质量比的原料制成：

碳化硅：二氧化硅：填充料：助剂：去离子水＝45％：15％：30％：10％：30％，其中，填充料由以下质量配比的原料组成：氮化铝：沉淀硫酸钡：高岭土＝70％：25％：5％，助剂由以下质量配比的原料组成：BYK-360：BYK-034：BYK-0304：BYK-3400：聚氨酯：二丙二醇丁醚＝5％：30％：15％：10％：30％：10％。

本实施例所述绝缘导热的无机纳米复合陶瓷的制备工艺，包括以下步骤：

(1)采用Gel-Sol法分别将SiO₂和SiC制备成无机纳米材料；

(2)将分散机转速调至500r/m，先缓慢加入步骤(1)中制备的碳化硅和二氧化硅无机纳米材料，再缓慢加入填充料，然后加入适量的去离子水，以不至于使浆料黏度过高而不便使用，分别加入BYK-034、BYK-360、BYK-0304、BYK-3400和二丙二醇丁醚，最后视整体浆料的黏度情况适量添加聚氨酯，最终黏度在65000mpas，得到配好的浆料；

(3)将步骤(2)中调配好的浆料，注入事先设定好的模槽中，以铝基板为例，一般模槽卡在铝基板的四周，并在铝基板面上均匀构成一个0.2～0.3mm深度的结构槽，静置10min以后，使其完全披覆并流平，用辅助工具抹去多余的浆料，待其表面完全流平光洁；

(4)将步骤(3)中流平光洁的浆料置于300℃的烤箱内低温烘烤30min即可得到所需的无机纳米复合陶瓷。

测试例1(绝缘性测试)

将本实施例1-3中陶瓷，进行绝缘性质的测定，包括耐电压测试和耐电阻测试，其结果表-1所示。

表-1绝缘性测试

从表-1中可以看出，实施例1-3的陶瓷的耐电压峰值为3000VAC，耐电阻峰值为无穷大，说明实施例1-3的陶瓷都具有很好的绝缘性。

测试例2(导热性测试)

将实施例1-3的陶瓷进行与导热相关的物理性质的测试，如表-2所示。

表-2导热性测试

从表-2可以看出，实施例1-3的陶瓷的导热系数约为35.987～37.816W/m.k，

相比传统散热器中的导热胶的导热系数0.8～1W/m.k，陶瓷的导热系数有显著的提高，而且，由于陶瓷披覆在散热基板上后，会形成均匀细腻的凹凸不平的与外界接触的面，从而增大了散热面积，更加提升了散热效果。

实验例1(导热性实验)

传统LED散热系统主要由铝基板、中间导热胶和散热铝材组成，其中，中间导热胶设置在铝基板和散热铝材之间，起到绝缘和导热的作用，但是由于导热胶的导热系数远远低于散热铝材，所以导致传统LED散热系统的散热系数很差，本应用是将实施例1-3中具有绝缘和高导热性的陶瓷披覆在散热铝材上，既起到绝缘的作用，又具有良好的导热性，其导热系数的对比如表-3所示。

表-3改良前后的导热系数测试

从表-3可以看出，将实施例1-3的陶瓷披覆在散热铝材上后，体现出来的导热系数分别为实施例1为48.35W/m.k，实施例2为46.12W/m.k，实施例3为47.52W/m.k，远远大于传统导热系统中的铝基板的1.1～2W/m.k和中间导热胶的0.8～1W/m.k，很明显，改良后的方案大大提高了散热系统的导热性。

实验例2

如图2所示，是本发明所述陶瓷应用于LED散热系统的工艺流程图，主要分为以下步骤：

一、检查施工工件的完好性：直接目测检测欲加工的铝基板的完好性，进行调整；

二、清洁脱脂：用适当的清洗剂(BCS或IPA)将预备加工的铝基板进行清洁、脱脂；

三、披覆无机纳米复合陶瓷：将调配好的无机纳米复合陶瓷浆料，均匀涂覆在准备好的铝基板上，一般厚度在250μm以内，然后置于250℃烘烤60min，即成成品；

四、真空电镀镍箔板：在已经制备好的纳米陶瓷上挂镍板，金属镍是比较理想的导电散热体；

五、蚀刻电路：根据LED所需的电路板CAD设计模式，在真空电镀的镍板上蚀刻成所需的电路板；

六、涂装白色耐焊涂层保护层：将蚀刻好的线路板均匀涂装耐焊涂层保护层；

七、焊接LED小晶粒：在备好的基板上按照设计好的位置焊接上LED发光晶粒；

八、组装LED灯具：将各个准备好的LED灯具的部件，按设计要求组装成一只完整的LED灯具，包括外部庞大的铝质波浪形散热器。

对比结论：铝质散热器与铝基板的导热散热性对照结果如表-4：

表-4改良前后的LED灯具的散热效果对比

从表-4可以看出，日常LED灯具的内外部温差T1-T2为21.19℃，采用实施例1-3改良后的LED灯具的内外部温差分别为11.42℃、10.75℃和9.57℃，三个测试样的平均温差为10.58℃，比日常LED灯具的要低10.61℃，很明显，改良后的LED灯具的散热效果要好很多。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，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实质和范围。

Claims (8)

1.一种绝缘导热的无机纳米复合陶瓷，由以下质量配比的原料组成：

碳化硅：二氧化硅：填充料：助剂：溶剂＝30％～45％：10％～15％：15％～30％：1％～10％：10％～30％。

2.根据权利要求1所述绝缘导热的无机纳米复合陶瓷，其特征在于，所述陶瓷由以下质量配比的原料组成：

碳化硅：二氧化硅：填充料：助剂：溶剂＝37.25％：12.75％：25％：5％：20％。

3.根据权利要求1或2所述绝缘导热的无机纳米复合陶瓷，其特征在于，所述填充料由以下质量配比的原料组成：

氮化铝：沉淀硫酸钡：高岭土＝70％：25％：5％，其中，所述沉淀硫酸钡和高岭土过6000目以上筛。

4.根据权利要求1或2所述绝缘导热的无机纳米复合陶瓷，其特征在于，所述助剂由以下质量配比的物质组成：

流变助剂：消泡剂：润湿剂：平坦助剂：增稠剂：成膜助剂＝0％～30％：0％～30％：0％～30％：0％～30％：0％～30％：0％～30％。

5.根据权利要求4所述绝缘导热的无机纳米复合陶瓷，其特征在于，所述增稠剂为聚氨酯，所述成膜助剂为二丙二醇甲醚或二丙二醇丁醚中的至少一种。

6.根据权利要求1或2所述绝缘导热的无机纳米复合陶瓷，其特征在于，所述溶剂为水或异丙醇中的至少一种。

7.一种如权利要求1-6任一所述绝缘导热的无机纳米复合陶瓷的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)采用Gel-Sol法分别将SiO₂和SiC制备成无机纳米材料；

(2)将分散机转速调至300r/m～500r/m，先缓慢加入步骤(1)中制备的碳化硅和二氧化硅无机纳米材料，再缓慢加入填充料，然后加入适量的溶剂，以不至于使浆料黏度过高而不便使用，分别加入消泡剂、流变助剂、润湿剂、平坦助剂和成膜助剂，最后视整体浆料的黏度情况适量添加增稠剂，最终黏度在65000mpas，得到配好的浆料；

(3)将步骤(2)中调配好的浆料，注入事先设定好的模槽中，静置10min以后，使其完全披覆并流平，用辅助工具抹去多余的浆料，待其表面完全流平光洁；

(4)将步骤(3)中流平光洁的浆料置于200℃～300℃的烤箱内低温烘烤10min～30min即可得到所需的无机纳米复合陶瓷。

8.一种如权利要求1-6任一所述绝缘导热的无机纳米复合陶瓷在LED散热器上的用途。