CN106147296A - 散热涂覆组合物及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的是通过使用复合陶瓷化合物而具有改善的散热性能的散热涂覆组合物,该复合陶瓷化合物通过化学结合多种陶瓷材料而获得。还提供了制备散热涂覆组合物的方法。散热涂覆组合物包括:通过化学结合多种具有单一组成的陶瓷材料而获得的复合陶瓷化合物;以及包含树脂和稀释剂的粘合剂。

Description

散热涂覆组合物及其制备方法
技术领域
本发明涉及施用在金属材料的表面上以确保由金属材料制成的机械和电子部件的性能和耐久性的散热涂覆组合物及其制备方法。更具体地说,本发明涉及使用通过化学结合多种陶瓷材料所得到的陶瓷化合物而可使散热特性能得到改善的散热涂覆组合物及其制备方法。
背景技术
在整个工业领域中通常广泛有用的各种机械和电子部件取决于装置的工作生成热。当其温度升高到任何临界水平或更大时,相应的装置或附近的装置可能会变形或损坏,从而经常导致较差的性能或较短的寿命。
将热从温度高于周围的部件向外侧散发的散热性能在设计所有生成热的电子部件的过程中被认为是重要的。
为了防止各种机器和部件的温度因生成的热而升高至预定水平或更高,使用散热单元,其例子可包括散热器、散热板、散热垫、散热带和散热涂层。
具体地,在用于吸收或生成热的材料(即具有较低发射率的金属材料)的表面上将散热涂层施用至预定厚度,从而迅速将热散发到材料之外,以使该材料保持在预定的温度范围内。
散热涂层主要施涂在材料表面上,或以膜形式层积在材料的表面上。
这样的散热涂层通常通过将陶瓷材料与树脂和稀释剂混合来进行制备。由于暴露于高温,陶瓷材料须具有优异的耐热性、热冲击和机械强度以及较高的固有发射率。
陶瓷材料可以包括氧化亚铁(FeO)、三氧化二铁(Fe2O3)、氧化铜(CuO)、碳化硅(SiC)、二氧化硅(SiO2)和氧化铝(Al2O3),并且表现出0.8~0.9的发射率。
通常,散热涂层通过将树脂和稀释剂添加到如下混合物进行制备,该混合物得自以适当比例简单地混合多种具有优异散热性能的陶瓷材料。
图1是示出单个陶瓷材料取决于涂覆厚度的辐射热通量的图。
如图1所示,作为单个陶瓷材料的氧化铜(CuO)和氧化亚铁(FeO)相比于其它陶瓷材料具有较高的散热性能。当涂层以200~300μm的厚度形成时,可以得到优异的散热性能。
图2是示出通过简单地混合单个陶瓷材料而得到的传统混合物取决于涂覆厚度的辐射热通量的图。
如图1和2所示,通过简单地混合单个陶瓷材料所制备的散热材料对散热性能的改善没有影响。此外,其散热性能可能变得与各个单独的单个材料相似或比其更小。
一种用于垂直排列结晶石墨粉末以提高散热效率的技术在题为“Coating composite for sinking heat,heat sink coating that andmanufacturing method of the heat sink”的韩国传统技术中公开。
虽然这样的传统技术旨在经由陶瓷材料排列的变化来增强散热效率,但是陶瓷材料的固有发射率无法经由诸如陶瓷材料的颗粒大小、排列和简单混合的物理方法得到增加,因此增强散热性能有限制。
发明内容
因此,鉴于相关技术中遇到的上述问题制作本发明,并且本发明的目的是提供不是通过简单地物理混合陶瓷材料而是通过使陶瓷材料复合而具有改善的散热特性的散热涂覆组合物及其制备方法。
根据其实施方式,本发明提供一种散热涂覆组合物,包括:通过化学结合多种具有单一组成的陶瓷材料而获得的复合陶瓷化合物;以及包含树脂和稀释剂的粘合剂。
复合陶瓷化合物可以是通过将FeO和SiO2混合、熔融并且淬灭而制备的FeO-SiO2化合物。
FeO-SiO2化合物可以以1:1~4的重量比包括FeO和SiO2
根据其另一实施方式,本发明提供制备散热涂覆组合物的方法,包括:制备复合陶瓷化合物;以及将复合陶瓷化合物与包含树脂和稀释剂的粘合剂混合,从而制备散热涂覆组合物,其中复合陶瓷化合物通过化学结合多种具有单一组成的陶瓷材料而获得。
如此,制备复合陶瓷化合物的处理可包括:混合多种陶瓷材料,从而制备陶瓷混合物;对陶瓷混合物进行球磨,从而制备混合陶瓷粉末;经由加热使混合陶瓷粉末熔融,从而制备陶瓷溶液;以及经由淬灭使陶瓷溶液固化,从而制备复合陶瓷化合物。
多种陶瓷材料可以以1:1~4的重量比包括FeO和SiO2
此外,可执行对陶瓷混合物进行球磨的处理,以使得陶瓷混合物具有45μm或更小(不包括零)的粒径。
此外,使混合陶瓷粉末熔融的处理可在惰性气氛中在1400~1600℃执行。
根据本发明的实施方式,复合陶瓷化合物通过化学结合多种单个陶瓷材料而形成,从而形成与由陶瓷材料混合物制成的传统涂覆组合物相比具有优异散热性能的散热涂覆组合物。
此外,复合陶瓷化合物通过使用具有较低价格和相对较低熔点的单个陶瓷材料来制备,从而有效改善散热性能并减少制备成本。
附图说明
根据以下具体实施方式并结合附图,将更清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征和优点:
图1是示出单个陶瓷材料取决于涂覆厚度的辐射热通量的图。
图2是示出通过简单地混合单个陶瓷材料而得到的传统混合物取决于涂覆厚度的辐射热通量的图。
图3是示出根据本发明的实施例中的复合陶瓷化合物取决于涂覆厚度的辐射热通量的图。
图4是示出根据本发明的实施例中的散热涂覆组合物取决于涂覆厚度的辐射热通量的图;
图5是示出SiO2取决于温度的相变的图;
图6是示出作为传统陶瓷材料的FeO和SiO2的混合物以及根据本发明的实施例4的复合陶瓷化合物的X射线衍射(XRD)测试结果的图。
图7是示出传统单个陶瓷材料CuO和根据本发明的实施例4的辐射热通量的图;并且
图8A和图8B是示出在室温(22℃)和高温(70℃)的音频散热器的散热性能测试结果的图。
具体实施方式
在下文中,将参照附图给出本发明优选实施方式的详细说明,但这样的实施方式不解释为限制本发明。在整个附图中,相同的附图标记指代相同或相似的部件,并且可以参考其它附图中所描绘的内容加以描述。此外,对本领域技术人员而言被认为是明显的或者重复的描述可以省略。
为了改善散热性能,本发明采用通过化学结合多种单个陶瓷材料而制备的复合陶瓷化合物,而不是通过简单混合单个陶瓷材料而得到的传统陶瓷混合物。
根据本发明的实施方式,散热涂覆组合物由复合陶瓷化合物以及包含树脂和稀释剂的粘合剂组成。如此,复合陶瓷化合物通过化学结合多种具有单一组成的陶瓷材料来制备。
通常,用于金属材料散热的典型涂覆组合物主要包括陶瓷材料,诸如氧化铜(CuO)、氧化亚铁(FeO)、氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)和碳化硅(SiC)。陶瓷材料的价格和熔点在下表1中示出。
[表1]
价格(won/kg) 熔点(℃)
氧化铜(CuO) 16,500 1,326
氧化亚铁(FeO) 6,000 1,377
氧化铝(Al2O3) 600 2,050
二氧化硅(SiO2) 300 1,610
碳化硅(SiC) 1,000 2,700
如从表1中可明显看出,陶瓷材料具有高于1,000℃的熔点,并且可以在高达2,000℃或更高的温度下熔融。
在本发明中,由于复合陶瓷化合物应当通过熔融多种陶瓷材料来制备,所以优选选择具有相对较低熔点的陶瓷材料以减少制备成本。
因此,根据本发明的复合陶瓷化合物的陶瓷材料较为价廉且具有较低熔点。
根据用于形成根据本发明实施方式的复合陶瓷化合物的需求,考虑到具有单一组成的陶瓷材料的熔点和单位(units),使用具有相对较低熔点和较低价格的FeO和SiO2
如表1所示,FeO具有1377℃的熔点,而SiO2具有1610℃的熔点。通常,两种或更多种化合物材料取决于其组分比例在比各个单独的材料的固有熔融温度更低的温度下熔融。因此,当复合陶瓷化合物经由FeO和SiO2的化学结合而形成时,SiO2是与FeO相比具有相对较高熔点的陶瓷材料,但其熔融温度因复合陶瓷化合物的形成而被降低至约1400℃。
各个单独的陶瓷材料具有固有发射率值。随着陶瓷材料的颜色接近黑色,其固有发射率增加。事实上,具有高固有发射率的陶瓷粉末(除了Al2O3)通常显示致密黑色。
对于根据本发明实施方式的复合陶瓷化合物的制备,选择具有致密黑色的FeO。
根据本发明实施方式的复合陶瓷化合物通过将FeO和SiO2混合、熔融并且淬灭来制备。在本发明的各种实施例中,FeO和SiO2的混合比在下表2中给出。
[表2]
FeO(wt%) SiO2(wt%)
实施例1 20 80
实施例2 40 60
实施例3 50 50
实施例4 60 40
实施例5 80 20
图3是示出根据本发明的各种实施例中的复合陶瓷化合物取决于涂覆厚度的辐射热通量的图。
如表2和图3中所示,通过混合FeO和SiO2而制备的复合陶瓷化合物的所有辐射热通量值是500W/m2,其与具有单一组成的传统陶瓷材料相比相对较高,从而导致改善的散热性能。
特别地,以1:1~1:4的重量比包括FeO和SiO2的复合陶瓷化合物具有600W/m2或更多的辐射热通量,因此散热性能显著增加。
根据本发明实施方式的复合陶瓷化合物优选由FeO和SiO2以1:1~4的重量比组成。
图4是示出本发明的各种实施例中的散热涂覆组合物取决于涂覆厚度的辐射热通量的图。
如图4所示,当根据本发明实施方式的散热涂覆组合物施用至300μm的厚度时,可以表现最大的散热性能。因此,根据本发明实施方式的涂覆组合物优选施用至约300μm的厚度。
此外,随着SiO2的量越大,散热性能提高。这是因为SiO2相变成方石英,并且形成基于FeO-SiO2的化合物,从而提高了散热性能,这在根据本发明的另一实施方式的散热涂覆组合物的制备方法中再次描述。
根据本发明的另一实施方式,制备散热涂覆组合物的方法包括制备复合陶瓷化合物,以及将复合陶瓷化合物与树脂和稀释剂混合。
在本发明中,制备复合陶瓷化合物的处理可以通过如下执行:将多种陶瓷材料混合,从而制备陶瓷混合物;研磨该陶瓷混合物,从而制备陶瓷粉末;使陶瓷粉末熔融,从而制备陶瓷溶液;并且经由冷却使陶瓷溶液固化。
在制备陶瓷混合物时,单个陶瓷材料,例如FeO和SiO2可以以1:1~4的重量比混合。重量比如上限制的原因如上关于散热涂覆组合物的描述中所述。
在研磨陶瓷混合物时,使以预定混合比包括FeO和SiO2的陶瓷混合物球磨约24小时,得到陶瓷粉末。如此,陶瓷粉末优选具有45μm或更小(不包括零)的粒径。
这是因为,散热性能在涂覆过程中与用于散热涂层的陶瓷材料的粒径的降低成比例地增强。
在熔融陶瓷粉末时,将陶瓷粉末加热以得到陶瓷溶液。根据本发明实施方式的熔融过程优选以如下方式执行,即,使陶瓷粉末在惰性气氛中在1400~1600℃下熔融。
虽然FeO具有1377℃的熔点,而SiO2具有1610℃的熔点,但是两种或更多种化合物材料的熔融过程取决于如上所述的其组分比率在比各个单独的材料的固有熔融温度更低的温度下进行。参与反应之后剩余的SiO2在1400~1600℃形成为具有立方结构的方石英相。
因此,复合陶瓷化合物的发射率可以提高,同时减少陶瓷粉末熔融成本。
图5是示出SiO2取决于温度的相变的图,且图6是示出用作传统陶瓷材料的FeO和SiO2的混合物以及根据本发明的实施例4的复合陶瓷化合物的XRD测试结果的图。
如图5和图6所示,SiO2在1400~1700℃经历从HCP结构到立方结构的相变。虽然SiO2的这种相变是不论发射率的,但是具有立方结构的方石英显示出淬灭效应,从而增加了本发明实施例中制备的复合陶瓷化合物的发射率。
如图6所示,在XRD分析时,FeO和SiO2的混合物同时表现FeO相和SiO2相两者,而实施例4的化学结合的FeO和SiO2显示出新相。
如此,在根据本发明的实施例4中观察到方石英,其被认为得自与FeO反应之后剩余的SiO2
在熔融过程完成之后,陶瓷溶液经由诸如水淬灭的冷却过程固化,得到FeO-SiO2化合物。
图7是示出传统单个陶瓷材料CuO和根据本发明的实施例4的辐射热通量的图。
如图7所示,与没有被球磨的稀CuO相比,经球磨的CuO的散热效果提高。根据本发明的实施方式,当球磨具有高辐射热通量的CuO时,其散热效果相比于研磨具有好散热效果的CuO可变得优异。
图8A是示出在室温(22℃)的音频散热器的散热性能测试结果的图,而图8B是示出在高温(70℃)的音频散热器的散热性能测试结果的图。
如图8A和8B所示,未涂覆有压铸合金的音频散热器的温度在30分钟的输出时间是100.2℃,涂覆有传统单个陶瓷材料CuO的音频散热器的温度在30分钟的输出时间是98.8℃,并且阳极氧化的音频散热器的温度在30分钟的输出时间是94.9℃。然而,涂覆有包括根据本发明实施方式的基于FeO-SiO2的复合陶瓷化合物的散热涂覆组合物的音频散热器的温度在30分钟的输出时间是88.9℃。
因此,与传统情况相比,包括根据本发明实施方式的散热涂覆组合物的涂层可以表现出改善的散热性能。特别地,经涂覆的音频散热器的温度与未涂覆的音频散热器的温度相差11.3℃,因此呈现优异的散热性能。
另一方面,在70℃的炉中,未涂覆的音频散热器的温度在30分钟的输出时间是143.3℃,涂覆有传统单个陶瓷材料CuO的音频散热器的温度在30分钟的输出时间是137.5℃,并且阳极氧化的音频散热器的温度在30分钟的输出时间是137.2℃。然而,涂覆有包括根据本发明实施方式的基于FeO-SiO2的复合陶瓷化合物的散热涂覆组合物的音频散热器的温度在30分钟的输出时间是132.3℃。
在高温下的散热性能测试中,涂覆有包括根据本发明实施方式的复合陶瓷化合物的散热涂覆组合物的音频散热器的温度在30分钟的输出时间被测量为较低,从而相比于其它情况,表现出优异的散热性能。此外,其温度比未涂覆的音频散热器的温度更低11.0℃。
如上所述,根据本发明的复合陶瓷化合物配置成使得多种陶瓷材料形成为化合物,而不是简单的物理混合物,最终获得优异的散热性能。因此,散热涂覆组合物的散热性显著增强。
尽管本发明的优选实施方式已被公开用于示例说明的目的,但是本领域的技术人员将理解,在不脱离如所附权利要求中公开的本发明的范围和精神的情况下,可以进行各种修改、添加和替换。

Claims (8)

1.一种散热涂覆组合物,包括:
复合陶瓷化合物,其通过化学结合多种具有单一组成的陶瓷材料而获得;以及
包含树脂和稀释剂的粘合剂。
2.根据权利要求1所述的散热涂覆组合物,其中所述复合陶瓷化合物是通过将FeO和SiO2混合、熔融且淬灭而制备的FeO-SiO2化合物。
3.根据权利要求2所述的散热涂覆组合物,其中所述FeO-SiO2化合物以1:1~4的重量比包括FeO和SiO2
4.一种制备散热涂覆组合物的方法,包括:
制备复合陶瓷化合物;以及
将所述复合陶瓷化合物与包含树脂和稀释剂的粘合剂混合,从而制备所述散热涂覆组合物,
其中所述复合陶瓷化合物通过化学结合多种具有单一组成的陶瓷材料而获得。
5.根据权利要求4所述的方法,其中制备所述复合陶瓷化合物的处理包括:
混合所述多种陶瓷材料,从而制备陶瓷混合物;
对所述陶瓷混合物进行球磨,从而制备混合陶瓷粉末;
经由加热使所述混合陶瓷粉末熔融,从而制备陶瓷溶液;以及
经由淬灭使所述陶瓷溶液固化,从而制备所述复合陶瓷化合物。
6.根据权利要求5所述的方法,其中所述多种陶瓷材料以1:1~4的重量比包括FeO和SiO2
7.根据权利要求5所述的方法,其中执行对所述陶瓷混合物进行球磨的处理,使得所述陶瓷混合物具有45μm或更小但不为零的粒径。
8.根据权利要求5所述的方法,其中使所述混合陶瓷粉末熔融的处理在惰性气氛中在1400~1600℃下执行。
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