CN108485277B - 一种定向排列的高导热界面材料及其制备方法 - Google Patents

一种定向排列的高导热界面材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种定向排列的高导热界面材料及其制备方法，所述定向排列的高导热界面材料由导热界面材料原料经热固化制得，所述导热界面材料原料包括20～40质量份的各向异性导热填料、30～50质量份的氧化铝、60～80质量份的二甲基硅油或乙烯基硅油、40～60质量份的含氢硅油、0.5～1质量份的催化剂和0.5～1质量份的抑制剂，所述导热填料在所述定向排列的高导热界面材料中呈定向排列，形成定向排列的导热通道，提高了材料的导热系数。本发明提供的制备方法简单，解决了导热填料定向排列难的问题，并且可以实现工业化生产。

Description

一种定向排列的高导热界面材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及导热高分子复合材料领域，尤其是涉及一种定向排列的高导热界面材料及其制备方法。
背景技术
近年来，随着电子元件不断地向小型化、集成化、大功率化方向发展，在其使用功能和性能都不断提高的同时，功耗和发热量也随之持续增加。电子元器件的温度每升高2℃，其可靠性下降10％,由此可见，散热问题已成为制约电子技术高速发展的重要瓶颈问题。目前市售的热界面复合材料热导率多集中在3～5W/m·K，但随着微电子技术发展对散热的要求越来越高，提高热界面材料的热导率已势在必行。在传统的技术方案中，多数是将导热填料与硅橡胶进行均匀的混合，然后再加热固化成型。由于导热填料的随机取向使界面导热材料的导热系数很低。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种定向排列的高导热界面材料能够应用于CPU或其他电子元件散热，其制备方法简单，解决了导热填料定向排列的难排列的问题，并且可以实现工业化生产。
本发明所采取的技术方案是：
本发明提供一种定向排列的高导热界面材料，由导热界面材料原料经热固化制得，所述导热界面材料原料包括20～40质量份的各向异性导热填料、30～50质量份的氧化铝、60～80质量份的二甲基硅油或乙烯基硅油、40～60质量份的含氢硅油、0.5～1质量份的催化剂和0.5～1质量份的抑制剂，所述各向异性导热填料在所述定向排列的高导热界面材料中呈定向排列。其中，抑制剂用以减缓导热界面材料原料的固化速度，利于制备过程中对各项异性导热填料进行定向排列的操作。
本发明中氧化铝起到润滑作用，同时能够防止各向异性导热填料沉淀，利于各向异性导热填料定向排列。
优选本发明的各向异性导热填料为导电的各向异性导热填料，更优选地，所述各向异性导热填料包括碳纳米管、碳纤维、金属纳米线、石墨烯、金属微片中的至少一种。金属微片指的是微米级的金属片，如微米银片。
在一些具体实施例中，金属纳米线优选纳米银线。
优选地，所述催化剂为铂催化剂；所述抑制剂为乙炔基环已醇。
本发明还提供一种定向排列的高导热界面材料的制备方法，包括以下步骤：
取导热界面材料原料，所述导热界面材料原料中含有各向异性导热填料；
利用磁场部件对所述导热界面材料原料施加磁场，所述磁场部件与所述导热界面材料原料呈相对运动状态，在目标方向上对所述导热界面材料原料施加电场，并对所述导热界面材料原料加热，得到定向排列的高导热界面材料。
在一些具体实施例中，所述磁场部件为通电螺线管(即电磁铁)或磁铁。
优选地，所述电场的方向、所述磁场的方向与相对运动的方向三者相互垂直；或者所述电场的方向与所述磁场的方向平行，且均与相对运动的方向垂直；或者所述电场的方向与相对运动的方向平行，且均与磁场的方向垂直。
优选地，所述导热界面材料原料为上述的定向排列的高导热界面材料中的导热界面材料原料。
优选地，所述磁场部件与所述导热界面材料原料之间的相对运动速度为0.5～50m/s。可通过多种实施方式来实现磁场和导热界面材料原料相对运动，譬如在制备过程中，导热界面材料原料静止在绝缘无盖盒体中，同时施加水平方向运动的磁场部件；或者以一定速度将各项异性导热界面材料原料注入绝缘矩形管道中，同时施加静止的磁场；或者以一定速度在绝缘管道中注入导热界面材料原料，同时施加与注入方向相反的移动的磁场部件。磁场部件移动的速度越快越好，因为感生电动势U＝BLV，速度V越大产生的电动势越大，越利于各向异性导热填料的定向排列；而导热界面材料原料的速度不宜过大，优选0.5～2m/s，因为液态原料的流动可能会使导热填料沿流动方向取向，从而造成不能沿目标方向进行取向。
优选地，所述磁场的强度为0.3～3T。
优选地，所述电场的强度为60Kv/m～600Kv/m。电场的强度和磁场的强度越大越好，而将磁场的强度控制在0.3～3T，电场的强度控制在60Kv/m～600Kv/m利于在实验室完成操作。
优选地，对所述导热界面材料原料加热的温度为80～100℃。
在一些具体的实施例中，本发明将含有各向异性导热填料的导热界面材料原料置于绝缘盒体中，利用磁场部件对所述导热界面材料原料施加磁场，所述磁场部件与所述导热界面材料原料呈相对运动状态，在所述绝缘盒体相对的两侧设置通电的金属板，使得所述金属板对所述导热界面材料原料施加目标方向上的电场，并对所述导热界面材料原料加热如通过对绝缘盒体侧壁设置恒温加热板，然后进行加热，得到定向排列的高导热界面材料。
优选地，所述绝缘盒体的材料为玻璃、塑料中的任一种。
在一些具体实施例中，绝缘盒体为矩形盒体，通过更换矩形盒体尺寸，能够直接改变产品的尺寸，快速满足市场需求。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供一种定向排列的高导热界面材料，导热填料在材料中定向排列从而形成沿定向排列的定向排列的导热通道，进而提高材料的导热系数。
2、本发明提供一种定向排列的高导热界面材料的制备方法，利用各向异性的导热填料在与磁场相对运动的同时与磁感线产生切割进而感应出电势，从而在外加电场的作用下定向排列，本发明通过电磁场耦合制备定向排列的高导热界面材料，相较于仅施加电场进行定向排列的方式，本发明提供的制备方法作用效果更明显，导热填料的取向度非常高。
3、本发明可以利用导热填料与硅油组成的混合物在管道移动的过程中实现定向排列，制备方法简单且可以工业化生产，同时可根据实际需求通过改变放置导热界面材料原料的容器的形状和尺寸，进而直接改变产品的尺寸，达到快速满足市场需求的目的。
4、本发明的制备方法能够对所有各向异性的导热填料进行定向取向，适用性广泛。
附图说明
图1为实施例1中定向排列的高导热界面材料的制备示意图；
图2为实施例8中定向排列的高导热界面材料的制备示意图；
图3为实施例9中定向排列的高导热界面材料的制备示意图；
图4为实施例10中定向排列的高导热界面材料的制备示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种定向排列的高导热界面材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)预混：取200g碳纤维、300g球形氧化铝粉末、600g乙烯基硅油、400g含氢硅油、10g铂催化剂、10g乙炔基环已醇抑制剂加入到真空搅拌机中，搅拌10min形成导热界面材料原料1；
(2)注射：参见图1，将上述导热界面材料原料1置于注射装置中，注射装置连接长3000mm，宽度20mm，厚度3mm的矩形绝缘管道2，导热界面材料原料1的注射速度为0.5m/s(注射方向沿图1中实线箭头的方向，水平向右)；
(3)定向排列：在矩形绝缘管道下表面的铜板接0.09kV正高压，上表面铜板接0.09kV负高压，侧面恒温加热板设定温度80度，施加静止的水平磁场，水平磁场的强度为1T，方向为由外向里(磁场方向为图1中虚线箭头的方向，实线箭头方向与虚线箭头方向垂直)，该磁场通过设置在矩形绝缘管道上的通电螺线管产生，导热界面材料原料流经矩形管道后得到定向排列的高导热界面材料。本实施例施加的磁场方向为由外向里，电场方向为从下到上，也可以设置成磁场方向由里到外，电场方向为从上到下。
本实施例的制备过程中电场的方向、磁场的方向与相对运动的方向三者相互垂直，经上述制备方法得到的定向排列的高导热界面材料中，各项异性导热填料定向排列形成了导热通道。
实施例2
本实施例提供一种定向排列的高导热界面材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)预混：取200g碳纤维、300g球形氧化铝粉末、600g乙烯基硅油、400g含氢硅油、10g铂催化剂、10g乙炔基环已醇抑制剂加入到真空搅拌机中，搅拌10min形成导热界面材料原料；
(2)注射：将上述导热界面材料原料置于注射装置中，注射装置连接长3000mm，宽度20mm，厚度3mm的矩形绝缘管道，导热界面材料原料的注射速度为0.5m/s；
(3)定向排列：在矩形绝缘管道下表面的铜板接0.09kV正高压，上表面铜板接0.09kV负高压，侧面恒温加热板设定温度80度，施加静止的水平磁场，水平磁场的强度为3T，该磁场通过设置在矩形绝缘管道上的通电螺线管产生，方向为由外向里，导热界面材料原料流经矩形管道后得到定向排列的高导热界面材料。
实施例3
本实施例提供一种定向排列的高导热界面材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)预混：取200g石墨烯、300g球形氧化铝粉末、600g乙烯基硅油、400g含氢硅油、10g铂催化剂、10g乙炔基环已醇抑制剂加入到真空搅拌机中，搅拌10min形成导热界面材料原料；
(2)注射：将上述导热界面材料原料置于注射装置中，注射装置连接长3000mm，宽度20mm，厚度3mm的矩形绝缘管道，导热界面材料原料1的注射速度为0.5m/s；
(3)定向排列：在矩形绝缘管道下表面的铜板接0.09kV正高压，上表面铜板接0.09kV负高压，侧面恒温加热板设定温度80度，施加静止的水平磁场，水平磁场的强度为1T，该磁场通过设置在矩形绝缘管道上的通电螺线管产生，方向为由外向里，导热界面材料原料流经矩形管道后得到定向排列的高导热界面材料。
实施例4
本实施例提供一种定向排列的高导热界面材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)预混：取200g碳纳米管、300g球形氧化铝粉末、600g乙烯基硅油、400g含氢硅油、10g铂催化剂、10g乙炔基环已醇抑制剂加入到真空搅拌机中，搅拌10min形成导热界面材料原料；
(2)注射：将上述导热界面材料原料置于注射装置中，注射装置连接长3000mm，宽度20mm，厚度3mm的矩形绝缘管道，导热界面材料原料的注射速度为0.5m/s；
(3)定向排列：在矩形绝缘管道下表面的铜板接0.09kV正高压，上表面铜板接0.09kV负高压，侧面恒温加热板设定温度80度，施加静止的水平磁场，水平磁场的强度为3T，该磁场通过设置在矩形绝缘管道上的通电螺线管产生，方向为由外向里，导热界面材料原料流经矩形管道后得到定向排列的高导热界面材料。
实施例5
本实施例提供一种定向排列的高导热界面材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)预混：取400g微米银片、500g球形氧化铝粉末、800g二甲基硅油、600g含氢硅油、5g铂催化剂、10g乙炔基环已醇抑制剂加入到真空搅拌机中，搅拌10min形成导热界面材料原料；
(2)注射：将上述导热界面材料原料置于注射装置中，注射装置连接长3000mm，宽度20mm，厚度3mm的矩形绝缘管道，导热界面材料原料的注射速度为2m/s；
(3)定向排列：在绝缘管道下表面的铜板接0.09kV正高压，上表面铜板接0.09kV负高压，侧面恒温加热板设定温度80度，施加静止的水平磁场，水平磁场的强度为3T，该磁场通过设置在矩形绝缘管道上的通电螺线管产生，方向为由外向里，导热界面材料原料流经矩形管道后得到定向排列的高导热界面材料。
实施例6
本实施例提供一种定向排列的高导热界面材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)预混：取300g金属纳米银线、400g球形氧化铝粉末、700g二甲基硅油、500g含氢硅油、8g铂催化剂、10g乙炔基环已醇抑制剂加入到真空搅拌机中，搅拌10min形成导热界面材料原料；
(2)注射：将上述导热界面材料原料置于注射装置中，注射装置连接长3000mm，宽度20mm，厚度3mm的矩形绝缘管道，导热界面材料原料的注射速度为1.5m/s；
(3)定向排列：在绝缘管道下表面的铜板接0.09kV正高压，上表面铜板接0.09kV负高压，侧面恒温加热板设定温度80度，施加静止的水平磁场，水平磁场的强度为3T，该磁场通过设置在矩形绝缘管道上的通电螺线管产生，方向为由外向里，导热界面材料原料流经矩形管道后得到定向排列的高导热界面材料。
实施例7
本实施例提供一种定向排列的高导热界面材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)预混：取200g碳纤维、300g球形氧化铝粉末、600g乙烯基硅油、400g含氢硅油、10g铂催化剂、10g乙炔基环已醇抑制剂加入到真空搅拌机中，搅拌10min形成导热界面材料原料；
(2)注射：将上述导热界面材料原料置于注射装置中，注射装置连接长3000mm，宽度20mm，厚度3mm的矩形绝缘管道，导热界面材料原料的注射速度为0.5m/s；
(3)定向排列：在矩形绝缘管道下表面的铜板接0.09kV正高压，上表面铜板接0.09kV负高压，侧面恒温加热板设定温度80度，施加静止的水平磁场，水平磁场的强度为3T，该磁场通过设置在矩形绝缘管道上的通电螺线管产生，方向为由外向里，导热界面材料原料流经矩形管道后得到定向排列的高导热界面材料。
实施例8
本实施例提供一种定向排列的高导热界面材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)预混：取300g金属纳米线、400g球形氧化铝粉末、700g二甲基硅油、500g含氢硅油、8g铂催化剂和5g乙炔基环已醇抑制剂加入到真空搅拌机中，搅拌10min形成导热界面材料原料；
(2)将上述导热界面材料原料置于绝缘的无盖盒体中，盒体长3000mm，宽度20mm，厚度3mm；
(3)定向排列：参见图2，设置水平方向移动的磁场部件，所述磁性部件包括磁铁20和磁铁21，磁铁型号N52，所述磁场部件对所述导热界面材料原料施加磁场，所述磁场部件沿图2中实线箭头方向移动，移动速度为2m/s，磁性部件产生的磁场方向沿图2中虚线箭头方向(实线箭头方向与虚线箭头方向垂直)，磁场的强度为0.3T，在所述绝缘盒体的上下两侧设置通电的金属铜板30和金属铜板31(金属铜板31在绝缘盒体的下侧)，在金属铜板31接入0.9kV正高压，金属铜板30接0.9kV负高压，所述金属铜板通电后对所述导热界面材料原料施加电场，对所述绝缘盒体的侧面恒温加热板设定温度100度加热，得到定向排列的高导热界面材料。
实施例9
本实施例提供一种定向排列的高导热界面材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)预混：取20g碳纤维、30g球形氧化铝粉末、60g乙烯基硅油、40g含氢硅油、1g铂催化剂和1g乙炔基环已醇抑制剂加入到真空搅拌机中，搅拌10min形成导热界面材料原料；
(2)将上述导热界面材料原料置于绝缘的无盖盒体中，盒体长300mm，宽度200mm，厚度3mm；
(3)定向排列：参见图3，设置水平方向移动的磁场部件，所述磁性部件包括磁铁20和磁铁21，磁铁型号N52，所述磁场部件对所述导热界面材料原料施加磁场，所述磁场部件沿图3中实线箭头方向移动(磁场部件运动方向为水平向左)，移动速度为50m/s，磁性部件产生的磁场方向沿图3中虚线箭头方向(磁场方向为竖直向下，实线箭头方向与虚线箭头方向垂直)，磁场的强度为0.3T，在所述绝缘盒体的上下两侧设置通电的金属铜板30和金属铜板31(金属铜板31在绝缘盒体的下侧)，在金属铜板31接入0.15kV正高压，金属铜板30接0.15kV负高压，所述金属铜板通电后对所述导热界面材料原料施加电场(电场方向为竖直向下)，对所述绝缘盒体的侧面恒温加热板设定温度80度加热，得到定向排列的高导热界面材料。本实施例施加的磁场方向为从上到下，电场方向为从上到下，也可以设置成磁场方向由下到上，电场方向为从下到上。
实施例10
本实施例提供一种定向排列的高导热界面材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)预混：取20g碳纤维、30g球形氧化铝粉末、60g乙烯基硅油、40g含氢硅油、1g铂催化剂和1g乙炔基环已醇抑制剂加入到真空搅拌机中，搅拌10min形成导热界面材料原料；
(2)将上述导热界面材料原料置于绝缘的无盖盒体中，盒体长300mm，宽度200mm，厚度3mm；
(3)定向排列：参见图4，设置水平方向移动的磁场部件，所述磁性部件包括磁铁20和磁铁21，磁铁型号N52，所述磁场部件对所述导热界面材料原料施加磁场，所述磁场部件沿图4中实线箭头方向移动(磁场部件运动方向为竖直向下)，移动速度为50m/s，磁性部件产生的磁场方向沿图4中虚线箭头方向(磁场方向为水平向右，实线箭头方向与虚线箭头方向垂直)，磁场的强度为0.3T，在所述绝缘盒体的上下两侧设置通电的金属铜板30和金属铜板31(金属铜板31在绝缘盒体的下侧)，在金属铜板31接入0.09kV正高压，金属铜板30接0.09kV负高压，所述金属铜板通电后对所述导热界面材料原料施加电场(电场方向为竖直向下)，对所述绝缘盒体的侧面恒温加热板设定温度80度加热，得到定向排列的高导热界面材料。本实施例施加的磁场方向为从左到右，电场方向为从上到下，也可以设置成磁场方向由右到左，电场方向为从下到上。
对比例1：(1)取200g碳纤维、300g球形氧化铝粉末、600g乙烯基硅油、400g含氢硅油、10g铂催化剂、10g乙炔基环已醇抑制剂加入到真空搅拌机中，搅拌10min；
(2)将上述搅拌后的混合物置于注射装置中，注射装置连接长3000mm，宽度20mm，厚度3mm的矩形绝缘管道，导热界面材料原料1的注射速度为0.5m/s；
(3)在绝缘管道下表面的铜板接0.09kV正高压，上表面铜板接0.09kV负高压，侧面恒温加热板设定温度80度，不施加磁场，混合物流经矩形管道后得到导热界面材料。
取实施例1-10和对比例1中制备得到的导热界面材料，分别测定材料的性能，结果如表1所示。
表1实施例1-10和对比例1中的导热界面材料的性能参数
Figure BDA0001654950690000131
Figure BDA0001654950690000141
从表中可以看出，相较于仅施加电场的制备方式，本发明采用电磁场耦合制备得到的定向排列的高导热界面材料具有更高的导热系数，在CPU或其他电子元件散热方面具有较好的应用前景。

Claims (8)

1.一种定向排列的高导热界面材料，其特征在于，由导热界面材料原料经热固化制得，所述导热界面材料原料包括20～40质量份的各向异性导热填料、30～50质量份的氧化铝、60～80质量份的二甲基硅油或乙烯基硅油、40～60质量份的含氢硅油、0.5～1质量份的催化剂和0.5～1质量份的抑制剂，所述各向异性导热填料在所述定向排列的高导热界面材料中呈定向排列；
所述定向排列的方法包括以下步骤：
利用磁场部件对所述导热界面材料原料施加磁场，所述磁场部件与所述导热界面材料原料呈相对运动状态，在目标方向上对所述导热界面材料原料施加电场，并对所述导热界面材料原料加热，得到定向排列的高导热界面材料；
其中，所述电场的方向、所述磁场的方向与相对运动的方向三者相互垂直；或者所述电场的方向与所述磁场的方向平行，且均与相对运动的方向垂直；或者所述电场的方向与相对运动的方向平行，且均与磁场的方向垂直。
2.根据权利要求1所述的定向排列的高导热界面材料，其特征在于，所述各向异性导热填料包括碳纳米管、碳纤维、金属纳米线、石墨烯、金属微片中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的定向排列的高导热界面材料，其特征在于，所述催化剂为铂催化剂；所述抑制剂为乙炔基环己醇。
4.一种定向排列的高导热界面材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
取导热界面材料原料，所述导热界面材料原料包括20～40质量份的各向异性导热填料、30～50质量份的氧化铝、60～80质量份的二甲基硅油或乙烯基硅油、40～60质量份的含氢硅油、0.5～1质量份的催化剂和0.5～1质量份的抑制剂；
利用磁场部件对所述导热界面材料原料施加磁场，所述磁场部件与所述导热界面材料原料呈相对运动状态，在目标方向上对所述导热界面材料原料施加电场，并对所述导热界面材料原料加热，得到定向排列的高导热界面材料；
其中，所述电场的方向、所述磁场的方向与相对运动的方向三者相互垂直；或者所述电场的方向与所述磁场的方向平行，且均与相对运动的方向垂直；或者所述电场的方向与相对运动的方向平行，且均与磁场的方向垂直。
5.根据权利要求4所述的定向排列的高导热界面材料的制备方法，其特征在于，所述磁场部件与所述导热界面材料原料的相对运动速度为0.5～50m/s。
6.根据权利要求4所述的定向排列的高导热界面材料的制备方法，其特征在于，所述磁场的强度为0.3～3T。
7.根据权利要求4所述的定向排列的高导热界面材料的制备方法，其特征在于，所述电场的强度为60Kv/m～600Kv/m。
8.根据权利要求4所述的定向排列的高导热界面材料的制备方法，其特征在于，对所述导热界面材料原料加热的温度为80～100℃。
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