CN105754348A - 一种低填充高导热的有机无机复合物 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低填充高导热的有机无机复合物，所述低填充高导热的有机无机复合物，以重量份数计，包含50?1000份有机组分作为散热基体，100?400份的片状无机物作为第一导热填料，10?800份的非片状无机物作为第二导热填料。本发明的有机无机复合物，通过多种形貌的无机导热填料复配，在有机散热基体中形成2维/3维、2维/1维的导热网络，具有较高的导热性能和良好的贮存稳定性。

Description

一种低填充高导热的有机无机复合物

技术领域

本发明涉及一种导热复合物，尤其涉及一种具有低填充、高导热性能的有机无机复合物。

背景技术

在当今复杂、多功能的电子产品中，如何为电子元器件进行有效的散热是保证产品正常工作所面临的基本问题之一，针对该问题传统的方法是在电子元器件与散热器的接触面上添加无机导热材料制备的导热垫片、导热垫圈等，但无机导热材料制备的垫片与垫圈与电子元器件的接触表面往往会存在很大的空隙，严重影响了散热效果。

为了提高电子元器件的传热与散热性能，尤其是CPU等元器件的散热，目前常用的技术方案是使用有机/无机导热复合物实现电子元器件与散热组件之间的无空隙接触。作为这种技术方案的典型实现是导热硅脂或导热非硅组合物等，这类组合物主要以聚硅氧烷或其他有机成分作为基体，添加一定量的导热填料混合，制备出具有导热性能的复合材料。

作为上述技术方案的具体实现，如专利CN101932684A中，通过使用带有不同烃基的有机聚硅氧烷与导热填料进行复配，制备出的导热硅脂的导热系数可以达到4.0W/mK以上。专利CN201310616458.5中，将基体树脂和导热填料在内的原料混合制备出一种高性能导热塑料，所述导热塑料的原料包括液体石蜡、甘油、聚乙二醇等高沸点液体。

上述技术方案，尽管利用掺杂金属粉末，例如银粉等，改善了有机/无机导热复合物的导热效能，但在实际应用中发现产品的导热性能仍受导热填料含量的影响。高填料含量虽然提高了产品的导热性能，但会导致产品成本的提高，并且还会引起复合物体系中导热填料含量过高影响接触面积和散热能力的缺陷。

发明内容

针对现有技术的不足，申请人进行了深入研究。通过在有机无机复合物散热体系中引入特定类型和规格的片状无机物作为导热组分，实现了在较低填充量下导热性能的显著提高，满足应用需求。

具体地说，本发明是通过如下技术方案实现的：

一种低填充高导热的有机无机复合物，以重量份数计，包含50-1000份有机组分作为散热基体，100-400份的片状无机物作为第一导热填料，10-800份的非片状无机物作为第二导热填料。

通过上述方案，通过引入片状无机物，基于其径厚比大、堆积密度大的特点，具有良好的片内导热能力和片层间有效界面面积，复合物以较低的填充量形成高效的导热网链，获得较高的导热性能；同时，片状导热填料与非片状导热填料在空间上的有效结合，进一步提高了复合物的传热能力和导热性能。

在本发明中，所用有机组分、片状无机物、非片状无机物，其具体类型不受到特别限制。只要满足能够实现片状无机物，以层状导热填料或层状填料的方式与其它非片状无机物复配填充到有机物中的各种原料均可满足本发明的要求。为了使本发明的描述更加清晰，在如下中申请人提供了有机组分、片状无机物、非片状无机物的若干具体实现，这种描述仅是示意性的，本领域技术人员应该理解，即使不采用下述具体原料，只要其符合并实现本发明复合物的工作原理，均涵盖于本发明。

在本发明中，所用的有机组分可采用任何已有常见散热材料中的有机散热成分，包括但不限于液体硅橡胶、乙烯基硅油、二羟基硅油、甲基苯基硅油、甲基硅油、氨基硅油、甘油、油酸甘油酯、液体石蜡、聚醚、液体聚乙二醇、聚丙二醇、聚酯多元醇中的一种或多种的混合物。

在本发明中，所述片状无机物可采用任何已知可加工成片状且具有良好导热能力的无机物，优选为片状金属、片状金属氧化物、片状非金属陶瓷中的一种或多种的混合物。

作为片状金属的优选，采用片状银粉、片状铜粉、片状铝粉，这些材料导热性能良好且易于加工；作为片状金属氧化物的优选，采用片状氧化铝、片状氧化锌；作为片状非金属陶瓷材料的优选，采用片状氮化硼、石墨烯、云母片、石墨片。

进一步地，所述片状无机物平均粒径在5μm-60μm之间，在该粒径范围下，能够与非片状无机物导热填料在空间上形成复杂的连接或网络结构，提高导热能力。

在本发明中，所述非片状无机物可采用传统的导热硅脂或导热非硅组合物中所用的导热填料，包括球状导热填料和/或纤维状导热填料，所述球状导热填料为金属粉末、金属氧化物粉末、无机陶瓷材料粉末中的一种或多种的混合物；所述纤维状导热填料为碳纤维和/或碳纳米管。

作为球状金属粉末的优选，采用银粉、铝粉、铜粉；作为球状金属氧化物粉末的优选，采用氧化铝粉、氧化锌粉、氧化镁粉；作为球状非金属陶瓷材料的优选，采用氮化铝粉、氮化硼粉、碳化硅粉。

进一步地，所述球形导热填料的粒径在5μm-60μm之间，所述纤维状导热填料的长径比在100-500之间。

本发明的复合物，其功能原理是通过不同粒径大小的片状金属与其他非片状的导热填料复配添加在有机散热组分中，实现不同的导热效果，具体原理如下：

(1)如图1所示，片状导热填料具有高堆积密度和长径比，填料间的有效接触面积高于粒状和纤维状填料，复合物以较低的填充份量形成高效的导热网链，获得较高的导热性能；

(2)片状填料与大粒径导热填料组合使用时(此状态指的是非片状无机物导热填料的粒径大于片状无机物导热填料)，分散在有机基体中的大粒径填料，有效接触面积小、界面热阻高，难以进行有效的热传递，而片状导热填料有比表面积大、径厚比高的特点，在大粒径填料之间形成导热桥接，提高热传递效率，降低了大粒径填料之间的界面热阻。如图2所示，小尺寸片状导热填料在大粒径球形填料之间形成了导热桥梁，提高了复合体系的传热能力；

(3)在片状导热填料中复合小粒径导热填料或纤维状填料时(此状态指的是非片状无机物导热填料的粒径小于片状无机物导热填料)，小粒径导热填料或纤维状填料填补在各个片层金属导热填料的缝隙中，形成2D/3D复合的网络结构，提高了复合体系的导热网链密度，使得复合体系的导热性能得以提高，如图3所示。

相应的，本发明还公开所述复合物的制备方法，包括下述步骤：

1)、制备片状金属、金属氧化物导热填料或片状非金属陶瓷导热填料：当制备片状金属、金属氧化物导热填料时，将100-400份的金属或金属氧化物加入到球磨机内，加入第一溶剂和8-15份的复合助剂(硅油、甘油、油酸甘油酯、硬脂酸、硬脂酸钙、硬脂酸钠、芥酸、木质素酸、亚麻酸、聚硅氧烷、聚乙烯蜡、聚乙烯吡咯烷酮、液体石蜡、聚二烯丙基二甲基氯化铵、聚酯多元醇、聚乙二醇400、聚乙二醇600、聚丙二醇600中的一种或多种的混合物)，球磨5-10小时，用100-500目的筛分机筛出所需粒径大小的片状金属或金属氧化物填料，60-100℃下真空干燥8-12小时。当制备片状非金属陶瓷导热填料时，将非金属陶瓷导热材料分散在第二溶剂中，球磨0.1-6小时后，以超声处理2-25小时，得到剥离成片状的非金属陶瓷导热填料。

2)、导热填料复配：将100-400份的片状无机物导热填料、10-800份的非片状无机物导热填料和第三溶剂加入到高速混匀机内，高速搅拌混匀。

3)、导热填料与有机物复合：向步骤2)的混合导热填料加入50-1000份的有机物，继续搅拌5-10小时并加热干燥，制备得到有机无机导热复合物。

其中，所用第一溶剂(500-1000份)为水或作为溶剂的油，第二溶剂(300-1000份)为石油醚、乙酸乙酯、甲苯、去离子水、甲醇、乙醇、异丙醇、溶剂油、氯仿中的一种或多种的混合物，第三溶剂(300-1000份)为石油醚、乙酸乙酯、甲苯、去离子水、甲醇、乙醇、异丙醇、溶剂油、氯仿中的一种或多种的混合物。

与已有的有机无机复合物相比，本发明的复合物具有以下优点：

1)、片状导热填料制备方法简便、效率高，工业化成本低。

2)、片状导热填料径厚比、堆积密度大，易于形成导热通路，与其他类型和尺寸的导热填料复配时，可以起到热桥的效果，降低填料间的界面热阻。

3)、通过多种形貌的导热填料复配，在有机基体中形成2维/3维、2维/1维的导热网络，提高了填料的有效利用率，具有显著的技术进步和经济价值。

附图说明

图1为本发明复合物中片状无机物导热填料分布状态示意图；

图2为本发明复合物中片状无机物导热填料与大粒径非片状无机物导热填料的分布状态示意图；

图3为本发明复合物中片状无机物导热填料与小粒径非片状无机物导热填料的分布状态示意图。

具体实施方式

为了说明本发明的技术效果，申请人在下述示例中提供了本发明的若干具体实现和所用原料类型，这仅为示意性的，并不对本发明构成特别限制。本领域技术人员在理解和掌握本发明发明实质基础上，对各种原料用量、类型、规格等的变更、调整依旧属于本发明的保护范围。

实施例1

将100份的球形金属铝粉加入到球磨机内，同时加入溶剂油和6份的硬脂酸和7份的聚乙烯蜡，球磨8小时，用筛分机筛出200目的片状铝粉填料，90℃下真空干燥12小时得到片状铝粉。将球磨后的100份的片状铝粉、700份的球形氧化铝加入到高速混匀机内，搅拌0.5小时后，加入400份的乙烯基硅橡胶，继续搅拌2小时，将产物于60℃下真空干燥制备得到高导热性能的导热硅脂。使用塞塔拉姆导热系数仪TCI(下同)测试复合物导热系数为2.5K/w.M。

实施例2

将200份的氮化硼球磨2小时后分散在水中，超声剥离12小时，制备得到片状氮化硼。将200份超声后的氮化硼、400份的氧化锌加入到高速混匀釜内，搅拌1.5小时。继续加入300份的乙烯基硅橡胶，继续搅拌2小时，将产物于80℃下真空干燥12小时，得到高导热性能的导热硅脂。测试复合物导热系数为2.0K/w.M。

实施例3

将150份的石墨片、100份的片状氮化硼、400份的球形铝粉加入到高速混匀釜内，搅拌2小时。加热除去多余的溶剂后加入400份的聚乙二醇400，继续搅拌8小时并干燥处理，制备得到高导热性能的导热复合物。测试复合物的导热系数为3.8K/w.M。

实施例4

将200份的球形金属铜粉加入到球磨机内，同时加入溶剂油和8份的硬脂酸钙和4份的聚乙烯吡咯烷酮，球磨10小时，用筛分机筛出300目的片状铜粉填料，90℃下真空干燥12小时得到片状铜粉。将球磨后的200份的片状铝粉、10份的碳纳米管和其他助剂加入到高速混匀机内，搅拌1小时后，加入200份的甲基硅油，继续搅拌3小时，将产物于60℃下真空干燥制备得到高导热性能的导热硅脂。测试复合物的导热系数为2.9K/w.M。

实施例5

将200份的球形金属铝粉加入到球磨机内，同时加入溶剂油和4份的芥酸和6份的聚乙二醇400，球磨6小时，用筛分机筛出300目的片状铝粉填料，90℃下真空干燥12小时得到片状铝粉。将球磨后的200份的片状铝粉、10份的碳纳米管加入到高速混匀机内，搅拌0.5小时后，加入200份的聚甲基苯基硅橡胶，继续搅拌3小时，将产物于60℃下真空干燥制备得到高导热性能的导热硅脂。测试复合物的导热系数为2.2K/w.M。

实施例6

将100份的石墨分散在去离子水中，超声剥离12小时，制备得到片状石墨。将100份超声后的片状石墨、300份的球形铝粉加入到高速混匀釜内，搅拌2小时。继续加入300份的聚丙二醇600，继续搅拌3小时，将产物于80℃下真空干燥12小时，得到高导热性能的导热硅脂。测试复合物导热系数为2.4K/w.M。

Claims (8)

1.一种低填充高导热的有机无机复合物，其特征在于以重量份数计，包含50-1000份有机组分作为散热基体，100-400份的片状无机物作为第一导热填料，10-800份的非片状无机物作为第二导热填料。

2.根据权利要求1的有机无机复合物，其特征在于所述有机组分为液体硅橡胶、乙烯基硅油、二羟基硅油、甲基苯基硅油、甲基硅油、氨基硅油、甘油、油酸甘油酯、液体石蜡、聚醚、液体聚乙二醇、聚丙二醇、聚酯多元醇中的一种或多种的混合物。

3.根据权利要求1的有机无机复合物，其特征在于所述片状无机物为片状金属、片状金属氧化物、片状非金属陶瓷中的一种或多种的混合物。

4.根据权利要求3的有机无机复合物，其特征在于所述片状无机物为片状银粉、片状铜粉、片状铝粉、片状氧化铝、片状氧化锌、片状氮化硼、石墨烯、云母片、石墨片中的一种或多种的混合物。

5.根据权利要求3的有机无机复合物，其特征在于所述片状无机物平均粒径在5μm-60μm之间。

6.根据权利要求1的有机无机复合物，其特征在于所述非片状无机物为球状导热填料和/或纤维状导热填料，所述球状导热填料为金属粉末、金属氧化物粉末、无机陶瓷材料粉末中的一种或多种的混合物；所述纤维状导热填料为碳纤维和/或碳纳米管。

7.根据权利要求6的有机无机复合物，其特征在于所述球状导热填料为银粉、铝粉、铜粉，氧化铝粉、氧化锌粉、氧化镁粉、氮化铝粉、氮化硼粉、碳化硅粉中的一种或多种的混合物。

8.根据权利要求6的有机无机复合物，其特征在于所述球形导热填料的粒径在5μm-60μm之间，所述纤维状导热填料的长径比在100-500之间。