CN108299933A - 散热涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种散热涂层及其制备方法，其中散热涂层的组成物包括：黏结剂和散热填料，所述散热填料是一种具有金属内核而且具有高表面面积的多孔性氧化物或氢氧化物外壳的金属粒子，本发明散热涂层可应用于例如但不限于灯丝、散热鳍片、外壳和握把这些装置的表面，所述装置的材质可以是塑料、陶瓷、金属及其复合材料；本发明散热涂层能够通过热对流和热传导的方式，提高所述装置的散热率。

Description

散热涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种散热材料，特别是使用一种具有金属内核而且具有高表面面积的多孔性氧化物或氢氧化物外壳的金属粒子作为散热填料的散热涂层及其制备方法。
背景技术
电子装置在运作时会产生热，这是因为电流通过电路的阻抗而产生的热，例如电流通过电阻而发热；随着电子装置的功率不断提高，以及电子装置的体积愈来愈小，所产生的热也愈来愈大，众所周知热会对电子装置造成不良的影响并且产生许多问题，例如严重损害电子装置的安全性、效能和可靠度。
目前已知的散热方式可以依据热的传播方式区分为三种，分别是热传导(Conduction)、热对流(Convention)和热辐射(Radiation)。其中热传导是通过物质的分子中的晶格的振动，或通过自由电子的运输，使热量从物体的高温部位向低温部位传递的过程，其中又以固体物质和固体物质之间的热传导现象最为明显，金属具有所有固体物质中最好的热传导效果。
由于热量会改变流体的密度，吸收热量的流体会因为密度变低而上升，使得附近密度较高的流体移动过来填补，这种通过流体的流动而传播热量的现象即为热对流，因此，热对流主要是通过流体(包括液体和气体)的分子的移动实现热量的传播。
热辐射是以电磁波的形式传播热量，而且不需要通过任何的物质就可以进行热量的传播，因此在真空环境也能通过热辐射进行热量的传播。
为了避免过多的热量对电子装置的零件造成损害，以及不影响电子装置的效能，散热涂层成为提高散热率的有效的方法，已公开的专利例如美国专利US20070249755A1“Thermally Conductive Composition”以及中国专利CN102181212A“一种散热材料及其制备方法”提出了用于涂布在散热鳍片的高效能热传导材料或是高效的红外线辐射粉末，上述二件已公开的专利技术主要是通过热传导和热辐射的方式进行散热，并且通过所述的材料提高冷却或散热的能力。例如其中的中国专利CN102181212A公开的一种散热材料，其中含有远红外发射率大于0.80或导热系数大于5W/m.K的混合材料。
关于热对流的散热方式，增加热源和流体接触的散热面积可以有效提高热对流的散热效果，已知通过热对流方式进行散热的方式主要是使用金属制的鳍片或是框架结构，增加热源和流体接触的散热面积，例如已公开的欧盟专利EP0559092 A1“Metal foam heatdissipator”，公开了一种可以和散热器组成作为散热鳍片的金属框架，其中金属框架被直接贴附在金属制的散热器的表面，但是这种设计因为接触面存在微小的空间和使用了低导热系数的黏胶，而会有较大的接触热阻介于金属散热器和金属框架的接触面；已公开的中国专利CN102368482A“多孔金属结构的高效散热器”，同样公开了一种将金属框架和散热器整合在一起的技术，但在实务上如何整合并且确保其完整性，在实务上仍是一项挑战。
在较早由本发明申请人提出的发明专利申请案(AMP07668&AMP07583)之中，提出了使用一种含有石墨烯(graphene)和六方氮化硼(hBN，hexagon BoronNitride)的墨水涂布于热源的表面，用以提高散热率的技术。在上述的二件发明专利中，薄片状的石墨烯和六方氮化硼可视为一种围绕在热源之外的微小鳍片，用以增加热源的表面积，而这种涂布于热源的表面含有石墨烯和六方氮化硼的墨水，可以显著地提高热对流的散热率。
利用水热法(hydrothermal method)或是酸蚀法(acid-eching)在铝粉的表面合成一种多孔性且具有高表面面积的氧化铝(Al2o3)的核壳结构的方法已被提出“ChemCatChem,6(2014)2642”，“Cent.Eur.J.Phys,8(2010)1015”。但是这种核壳结构应用于散热仍存在一些问题，例如利用水热法合成一种在金属粒子的表面具有多孔性氧化物的核壳结构，需要在高于水的沸点的温度条件下在高压釜(autoclave)中反应生成，而这种利用水热法制成的金属粒子具有厚的金属氧化层，会导致较差的导热性。采用酸蚀法合成的方式，硝酸的使用将会产生大量的有毒溶剂，并且会对环境造成污染。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种散热涂层及其制备方法，特别是使用一种具有金属内核而且具有高表面面积的多孔性氧化物或氢氧化物外壳的金属粒子作为散热填料的散热涂层，具有散热率佳而且制备方法简单、环保和快速的优点。
在本发明散热涂层的一实施例，包括：散热填料和黏结剂，其中散热填料是一种具有金属内核而且具有高表面面积的多孔性氧化物或氢氧化物外壳的金属粒子，其中多孔性外壳的平均孔径小于500纳米(nm)。
在本发明的一实施例，其中散热填料是表面具有多孔性氧化物或氢氧化物的铝金属粒子。
在本发明的一实施例，其中散热填料的金属内核的平均粒径介于0.1-200微米(μm)。
在本发明的一实施例，其中散热填料的金属内核是铝(Al)、铟(In)、锡(Sn)、锌(Zn)、铜(Cu)、银(Ag)、钴(Co)、镍(Ni)、锑(Sb)、铋(Bi)、铁(Fe)、锰(Mn)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、钛(Ti)、锆(Zr)、镁(Mg)和钙(Ca)其中的任一种。
在本发明的一实施例，较佳地其中散热填料的金属内核是铝(Al)。
在本发明的一实施例，其中黏结剂可以是热塑性树脂(Thermoplastic resin)、硅胶(silicone resin)、甲基丙烯酸树脂((meth)acrylic resin)、聚氨酯树脂胶(urethaneresin)和环氧树脂(epoxy resin)其中的任一种。
在本发明的一实施例，其中散热涂层进一步地还包括：陶瓷、金属氧化物和金属氢氧化物其中的任一种填料，与本发明的散热填料共同使用。
为了提高应用于散热涂层的散热填料的表面面积，在此、本发明公开了一种简单、环保和快速的散热填料制备方法，可以在相对温升的条件下以水浴法制备一种具有金属内核而且具有高表面面积的多孔性氧化物或氢氧化物外壳的散热填料。
本发明的制备方法还包括使用所述的散热填料制备散热涂层的方法。
本发明散热涂层的制备方法的一实施例包括：
将金属粉末以水浴法(water bath)合成一种具有金属内核而且具有多孔性氧化物或氢氧化物外壳的金属粒子作为散热填料；以及
将散热填料和黏结剂均匀混合成所述的散热涂层。
本发明制备方法的一实施例，其中水浴法的反应温度为摄氏20-100度(20-100℃)。
本发明制备方法的一实施例，其中水浴法的反应温度较佳地是摄氏50-100度(50-100℃)。
在本发明制备方法的一实施例，其中进一步包括：
水洗的步骤，用以清洗水浴法合成的散热填料；以及
干燥的步骤，用以移除清洗完成的散热填料的水分。
在本发明制备方法的一实施例，其中进一步包括：将包含散热填料和黏结剂的散热涂层与溶剂均匀混合的步骤。
有关本发明的其它功效及实施例的详细内容，配合图式说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1，为本发明散热涂层的微结构示意图；
图2，为图1的局部结构放大图，绘示作为散热填料的金属粒子的结构；
图3，为本发明散热涂层涂布于装置的表面的结构示意图；
图4，为涂布有本发明散热涂层的测试样本3对比于测试样本2及测试样本1的散热曲线；
图5，为涂布于测试样本3的本发明散热涂层其中的散热填料的扫瞄式电子显微镜影像；
图6，为涂布于测试样本2的第一种散热涂层其中的散热填料的扫瞄式电子显微镜影像。
符号说明
10 散热填料 11 金属内核
12 外壳 20 黏结剂
30 装置 A 散热涂层
具体实施方式
首先请参阅图1及图2，为本发明散热涂层的微结构示意图及其局部结构放大图。
本发明散热涂层A的一实施例，包括：散热填料10(heat dissipation filler)和黏结剂20(binder)，其中散热填料10是一种具有金属内核11而且具有高表面面积的多孔性氧化物或氢氧化物外壳12的金属粒子；换言之，散热填料10包含：微粒状的金属中心部，和形成于金属中心部的表面的多孔性氧化物或氢氧化物外壳12，其中金属中心部构成散热填料10的金属内核11，多孔性氧化物或氢氧化物构成一种具有高表面面积的外壳12，由金属内核11和形成于金属内核11的表面的外壳12构成一种核壳结构(core-shell structure)。
请参阅图3，为本发明散热涂层A涂布于装置30的表面的结构示意图。本发明公开的散热涂层A可以直接涂布于装置30的表面，其中的散热填料10是一种具有金属内核11而且具有高表面面积的多孔性氧化物或氢氧化物外壳12的金属粒子，依据金属内核11使用的金属，通过水浴法合成的外壳12可能是金属氧化物、陶瓷和金属氢氧化物其中的任一种，这种具有高表面面积的多孔性的外壳12可以通过热传导和热对流两种方式提高装置30的散热率(heat dissipation rate)或冷却率(cooling rate)。
本发明公开的散热涂层A可适用于灯丝(filament)，握把，柱体，散热鳍片(heatsink)和外壳(case)等装置的表面，其中所述装置的材质可以是塑料、陶瓷、金属及其复合材料。
在本发明的一实施例，其中散热填料10的金属内核11的平均粒径介于0.1-200微米(μm)。较佳地，其中多孔性的外壳12的平均孔径小于500纳米(nm)。
在本发明的一实施例，其中散热填料10的金属内核是铝(Al)、铟(In)、锡(Sn)、锌(Zn)、铜(Cu)、银(Ag)、钴(Co)、镍(Ni)、锑(Sb)、铋(Bi)、铁(Fe)、锰(Mn)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、钛(Ti)、锆(Zr)、镁(Mg)和钙(Ca)其中的任一种。
在本发明的一实施例，较佳地其中散热填料10的金属内核11是铝(Al)。
在本发明的一实施例，其中黏结剂20可以是热塑性树脂(Thermoplastic resin)、硅胶(silicone resin)、甲基丙烯酸树脂(methacrylic resin)、聚氨酯树脂胶(urethaneresin)和环氧树脂(epoxy resin)其中的任一种。
在本发明的一实施例，其中散热涂层进一步地还包括：陶瓷、金属氧化物和金属氢氧化物其中的任一种填料，与本发明的散热填料共同使用。
为了提高应用于散热涂层A的散热填料10的表面面积，在此、本发明公开了一种简单、环保和快速的散热填料10制备方法，可以在相对温升的条件下以水浴法制备一种具有金属内核11而且具有高表面面积的多孔性氧化物或氢氧化物外壳12的散热填料10。
本发明的制备方法还包括使用所述的散热填料10制备散热涂层A的方法。
本发明散热涂层的制备方法的一实施例包括：
将金属粉末以水浴法(water bath)合成一种具有金属内核11而且具有多孔性氧化物或氢氧化物外壳12的金属粒子作为散热填料10；以及
将散热填料10和黏结剂20均匀混合成所述的散热涂层A。
本发明制备方法的一实施例，其中水浴法的反应温度为摄氏20-100度(20-100℃)。
本发明制备方法的一实施例，其中水浴法的反应温度较佳地是摄氏50-100度(50-100℃)。
在本发明制备方法的一实施例，其中进一步包括：
水洗的步骤，用以清洗水浴法合成的散热填料10；以及
干燥的步骤，用以移除清洗完成的散热填料10的水分。
在本发明制备方法的一实施例，其中进一步包括：将包含散热填料10和黏结剂20的散热涂层与溶剂均匀混合的步骤。其中溶剂的一实施例包括：异丙醇(isopropylalcohol,IPA)、N-甲基吡咯烷酮(Methyl-2-pyrrolidone,NMP)，乙醇(ethanol)，甘油(glycerol)，乙二醇(ethylene glycol)，丁醇(butanol)，丙二醇甲醚(propylene glycolmonomethyl ether,PGME)，和丙二醇甲醚乙酸酯(propylene glycol monomethyl etheracetate,PGMEA)其中的任一种。
为了评估本发明散热涂层A的散热率，本发明进行了以下所述的测试；在下述的测试中本发明使用相同的铜柱制作了三种测试样本进行散热率的测试，这三种测试样本的测试条件如下：
样本1，表面未作散热涂层处理的铜柱。
样本2，表面经过第一种散热涂层处理的铜柱，所用的第一种散热涂层含有未经处理的金属铝粒子作为散热填料，其中第一种散热涂层的组成及其制备方法请参考下文的说明。
样本3，表面经过本发明公开的散热涂层处理的铜柱，采用本发明提出的散热涂层的组成及其制备方法请参考下文的说明。
【样本2使用的第一种散热涂层的组成及其制备方法】
取30克(30g)未经处理的金属铝粉(平均粒径为10微米(μm)在摄氏140度(140℃)的真空烤箱中静置一夜进行干燥，所述未经处理的铝粉中所含铝粒子的扫瞄式电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)影像如图6所示。使用上述干燥的金属铝粉制成的第一种散热涂层的组成包括：18.7％重量百分比的上述铝粉作为填料，5.8％重量百分比的塑性黏结剂，以及75.5％重量百分比的异丙醇(isopropyl alcohol,IPA)作为溶剂，用以降低黏性；将上述组成成分以行星搅拌机充分搅拌1小时制成所述的第一种散热涂层，再以喷雾制程将第一种散热涂层喷涂于铜柱表面进行下文所述的散热率的测试。
【样本3所使用的本发明散热涂层的组成的一种实施例及其制备方法】
取30克(30g)未经处理的金属铝粉(平均粒径为10微米(μm)置入500毫升(ml)的烧杯，于烧杯中加入300克(300g)的去离子水，以水浴法在绝对温度323度(323K)的条件下1小时，用以合成一种具有铝金属内核而且具有多孔性氧化物或氢氧化物外壳的铝金属粒子作为本发明散热涂层的填料，以水洗制程清洗上述具有铝金属内核而且具有多孔性氧化物或氢氧化物外壳的铝金属粒子，将清洗完成的铝金属粒子在摄氏140度(140℃)的真空烤箱中静置一夜进行干燥，所述作为本发明散热涂层中的散热填料10其中所含铝粒子的扫瞄式电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)影像如图5所示。使用上述干燥的金属铝粉制成的第一种散热涂层的组成包括：18.7％重量百分比的上述铝粉作为填料，5.8％重量百分比的塑性黏结剂，以及75.5％重量百分比的异丙醇(isopropyl alcohol,IPA)作为溶剂，用以降低黏性；将上述组成成分以行星搅拌机充分搅拌1小时制成所述的第一种散热涂层，再以喷雾制程将第一种散热涂层喷涂于铜柱表面进行下文所述的散热率的测试。
【测试步骤】
(1)将上述三种测试样本在烤箱中以摄氏100度(100℃)加热30分钟；
(2)将上述加热后的三种测试样本(样本1、样本2和样本3)移至室温环境冷却，并纪录下三种测试样本的冷却曲线如图4所示。
由图4的测试结果可以发现，其中表面涂布有本发明公开的散热涂层的测试样本3(图4中曲线-Coating by treated Al core-shell particles)的散热率明显优于测试样本1(图4中曲线-Pristine Cu Cylinder)和测试样本2(图4中曲线-Coating by non-treated Al particles)。
以上所述的实施例及/或实施方式，仅是用以说明实现本发明技术的较佳实施例及/或实施方式，并非对本发明技术的实施方式作任何形式上的限制，任何本领域技术人员，在不脱离本发明内容所公开的技术手段的范围，当可作些许的更动或修饰为其它等效的实施例，但仍应视为与本发明实质相同的技术或实施例。

Claims (16)

1.一种散热涂层，其特征在于，包括：散热填料和黏结剂，该散热填料采用水浴法合成的一种核壳结构，该散热填料包含：微粒状的金属中心部，和形成于该金属中心部的表面的多孔性氧化物外壳，其中该金属中心部构成该散热填料的金属内核，该多孔性外壳的平均孔径小于500纳米。
2.如权利要求1所述的散热涂层，其特征在于，该散热填料的该金属内核的平均粒径介于0.1-200微米。
3.如权利要求1所述的散热涂层，其特征在于，该散热填料的该金属内核是铝、铟、锡、锌、铜、银、钴、镍、锑、铋、铁、锰、铬、钼、钨、钒、钛、锆、镁和钙其中的任一种。
4.如权利要求1所述的散热涂层，其特征在于，更包含：陶瓷、金属氧化物和金属氢氧化物其中的任一种填料。
5.如权利要求1所述的散热涂层，其特征在于，该黏结剂可以是热塑性树脂、硅胶、甲基丙烯酸树脂、聚氨酯树脂胶和环氧树脂其中的任一种。
6.如权利要求1所述的散热涂层，其特征在于，该外壳包括陶瓷和金属氢氧化物其中的任一种。
7.如权利要求1所述的散热涂层，其特征在于，该水浴法的反应温度为摄氏20-100度。
8.如权利要求1所述的散热涂层，其特征在于，该水浴法的反应温度为摄氏50-100度。
9.一种散热涂层的制备方法，其特征在于，包括：
将金属粉末以水浴法合成一种具有金属内核而且具有多孔性氧化物或氢氧化物外壳的金属粒子，用以作为散热填料；以及
将该散热填料和黏结剂均匀混合成该散热涂层。
10.如权利要求9所述散热涂层的制备方法，其特征在于，该散热填料的该金属内核的平均粒径介于0.1-200微米。
11.如权利要求9所述散热涂层的制备方法，其特征在于，该散热填料的该金属内核是铝、铟、锡、锌、铜、银、钴、镍、锑、铋、铁、锰、铬、钼、钨、钒、钛、锆、镁和钙其中的任一种。
12.如权利要求9所述散热涂层的制备方法，其特征在于，该黏结剂可以是热塑性树脂、硅胶、甲基丙烯酸树脂、聚氨酯树脂胶和环氧树脂其中的任一种。
13.如权利要求9所述散热涂层的制备方法，其特征在于，该水浴法的反应温度为摄氏20-100度。
14.如权利要求9所述散热涂层的制备方法，其特征在于，该水浴法的反应温度为摄氏50-100度。
15.如权利要求9所述散热涂层的制备方法，其特征在于，更包括：水洗的步骤，用以清洗以水浴法合成的该散热填料；以及干燥的步骤，用以移除清洗完成的该散热填料的水分。
16.如权利要求9所述散热涂层的制备方法，其特征在于，包括：将包含该散热填料和该黏结剂的该散热涂层与溶剂均匀混合的步骤。
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