CN108624056A - 一种高导热硅脂界面材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高导热硅脂界面材料及其制备方法，该高导热硅脂界面材料的特征在于具有低渗油高导热系数的膏状硅脂。本发明以导热系数较高的金属或无机粉状物为导热填料，并将其加入有机硅油混合物中，经三辊研磨机混合均匀，得到均质灰色膏状物硅脂。所述膏状物中，有机硅油质量百分比为5％～40％，所述金属或无机粉状物混合导热填料的质量百分比为60％～95％。所述填料的平均颗粒至少为三种，大粒径为15～30um，中等粒径为5～10um，小粒径为0.1～1um。本发明高导热硅脂界面材料的特征还在于通过加入添加剂来降低基础油的爬油倾向，从而降低导热硅脂的渗油。本发明高导热硅脂界面材料具有导热率高、散热效果好、渗油量小、制备工艺简单等特点，特别适用于需避免渗油的场合。

Description

一种高导热硅脂界面材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及导热材料技术领域，具体是一种用于解决卫星关键单机、元器件散热过程中遇到的接触热阻问题，增强高功率器件的散热性能，满足空间环境中对散热和避免渗油问题的需求。

技术背景

航天器在其飞行过程中需要经历极为恶劣的热环境，为了保证航天器能正常工作，需对航天器内外各组件、单机及仪器设备之间的导热过程进行有效控制。常见的单机内芯片热源产生的热量需先经由电路板传导到支架，再到单机外壳，然后才到卫星结构上，经由卫星热控制系统将热量最终通过卫星表面辐射至空间环境中。如简单地通过热源单机与外壳之间固体界面的机械接触来传递热量，无法实现热量的快速而有效的传导。一般固体材料，肉眼观察下非常平滑的固体表面在微尺度下实际上非常地不规整，呈现出波浪般的形貌，上面有着许多微小的“山峰”和“山谷”。正是由于存在着纳米尺度的“山峰”和“山谷”，固体界面之间的实际机械接触面积非常小，固体表面大部分区域被空气隔开。由于空气的热导率非常低，使得热源产生的大量热量不能有效传导出去。另一方面，一些单机装配时的紧固过程产生了局部应力，造成安装接触面的局部变形，进一步增大了接触空隙，从而加剧了热接触不良的程度。

目前市售的导热硅脂普遍存在一些缺点，如导热率低，容易发生基料与导热填料的分离，渗油严重，易出现“爬油”现象，不能满足新一代高密度单机的热控要求，也对设备的安全造成威胁。

针对现有导热硅脂导热率低的问题，本发明通过粒径复配，采取不同形态填料的协同作用，填料复配示意图如图1所示，改善制备工艺，从而提高导热硅脂界面材料的导热率。

针对现有导热硅脂渗油严重的问题，本发明通过加入添加剂来降低基础油的结构规整性，形成结构骨架，使基础油因毛细管作用被吸附和固定在结构骨架中，从而降低基础油的爬油倾向，可有效改善导热硅脂的渗油问题。

所述的高导热硅脂界面材料具有导热系数高，渗油率低、不易“爬油”等特点。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种具有高导热率的硅脂界面材料。

本发明的目的之二是提供一种具有低渗油特性的硅脂界面材料。

本发明的目的之三是提供一种具有高导热率低渗油特性硅脂界面材料的制备方法。

本发明制备的高导热硅脂界面材料用于解决卫星关键单机、元器件散热过程中遇到的接触热阻问题，增强高功率器件的散热性能，满足空间环境中对散热和避免渗油、“爬油”问题的需求，克服现有技术中的缺点和不足。为达到此目的，本发明的技术方案具体如下：

本发明所提供的高导热硅脂界面材料，其组成成分及其重量百分比为：

其中，先将硅烷偶联剂包覆在粉体的表面；所述的导热粉体由片状和球状两种，球状导热粉体有大、中、小三种粒径组成；所述的大粒径为15～30um，中等粒径为5～10um，小粒径为0.1～1um。

上述高导热硅脂界面材料中所述的有机硅油是二甲基硅油、羟基封端聚二甲基硅油、甲基苯基硅油、含氢硅油等有机硅油中一种或者两种以上混合物。

上述高导热硅脂界面材料中所述的硅烷偶联剂是指3-氨基丙基三乙氧基硅烷(简称KH550)、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(英文名3-Glycidoxypropyltrimethoxysilane简称KH560)、甲基丙烯酰氧基官能团硅烷(英文名3-Methacryloxypropyltrimethoxysilane简称KH570)及它们的混合物。

上述高导热硅脂界面材料所述的导热粉体是指非金属粉体、金属粉体或它们之间的混合物，其粒径为0.1～30um。

上述将导热粉体按大、中、小三种粒径进行极配，是为了使导热硅脂达到填料最密集堆积、最高填充率、最佳导热率，并具有合适的涂敷性。

上述导热粉体的形状为球状和片状。

上述高导热硅脂界面材料中所述的金属粉体是指铝、银、铜等金属粉体中的一种或两种以上的混合物。

上述高导热硅脂界面材料中所述的非金属粉体是指氮化铝、氮化硼、氮化硅、石墨烯、碳纳米管等非金属粉体中的一种或两种以上的混合物。

上述导热粉体须在其表面包覆一层硅烷偶联剂。

上述高导热硅脂界面材料中所述的添加剂为聚硅氮烷前驱体、纳米无机粉体(包括纳米AlN、BN、ZnO等)和它们的混合物。

以含有金属粉体的导热填料为例，说明本发明高导热硅脂界面材料的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)将导热粉体包覆一层硅烷偶联剂：利用粉体包覆设备，将不同粒径的导热粉体分别进行表面处理，得到表面包覆一层硅烷偶联剂的导热粉体。

(2)将步骤(1)所得的导热粉体进行粒径极配，将大、中、小三种粒径的导热粉体分别加入到硅油混合物中；所述的导热粉体可以是非金属粉体、金属粉体或它们之间的混合物。

(3)将步骤(2)所得的导热粉体与有机硅油及改性剂的混合物在三辊研磨机上进行研磨至混合均匀，初步得到高导热硅脂界面材料。

(4)将步骤(3)所得的样品进行抽真空处理，得到所述高导热硅脂界面材料。

上述制备方法中所述的导热粉体的大粒径为15～30um，中等粒径为5～10um，小粒径为0.1～1um。

上述制备方法中所述的金属粉体是指铝、银、铜等金属粉体中的一种或两种以上的混合物。所述的非金属粉体是指氮化铝、氮化硼、氮化硅、石墨烯、碳纳米管等非金属粉体中的一种或两种以上的混合物。

如制备的导热硅脂界面材料没有绝缘要求，可采用金属和非金属粉体共同参与极配。因为金属粉体一般导热性能较好，但因其硬度不够，容易变形，最终影响填充效果。所以将金属粉与较硬的导热系数相对较高的非金属粉体如氮化铝一起加工，能够改善这一情况。

与传统的导热硅脂直接将粉体、硅油、偶联剂一起简单混合相比，本发明将不同粒径的导热粉体包覆一层硅烷偶联剂后进行极配，有如下优点：(1)避免偶联剂被硅油包覆，从而降低其对粉体的分散作用和对粉体、硅油之间的偶联作用，同时减少了高温下不稳定的偶联剂的含量。(2)避免偶联剂与偶联剂之间反应或结合，降低其对粉体的分散作用和对粉体、硅油的偶联作用。(3)预先包覆一层偶联剂，可以使粉体表面形成更均匀、结合强度更高的偶联层。(4)增强导热粉体与硅油的浸润性，一方面提高了导热填料的填充率，另一方面使导热粉体与硅油紧密结合，从而抑制硅油高温下降解的可能性，降低其高温下老化的速度。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：(1)本发明高导热硅脂界面材料制备工艺较简单；(2)本发明通过填料复配和不同填料的协同作用形成导热链，使制备的导热硅脂界面材料具有较高的热导率；(3)本发明通过改性剂降低硅油的结构规整性，形成结构骨架，使基础油因毛细管作用被吸附和固定在结构骨架中，降低高导热硅脂界面材料的分油量和蒸发量，使渗油、“爬油”问题得到有效改善；(4)本发明高导热硅脂具有良好的流动性，涂覆工艺较简单。

附图说明

图1多种粒径填料复配示意图。

图2渗油测试示意图。

图3测试样品渗油图片。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的高导热硅脂界面材料及其制备方法进行具体描述，但实施例只用于对本发明进一步说明，并不限制本发明的权利范围。

实施例1：高导热硅脂GDZ-1

①将导热填料铝粉、银粉包覆一层硅烷偶联剂：将不同粒径的导热铝粉、银粉分别进行表面处理，将相当于填料铝粉、银粉质量1％～2％的硅烷偶联剂KH570溶于无水乙醇，搅拌使其溶解，称取预设质量的填料铝粉、银粉分别放入硅烷偶联剂溶液中，利用粉体包覆设备，60℃搅拌3h，取出后静置，抽滤后，取滤并用无水乙醇洗涤3次，80℃烘干24h，得到表面包覆一层硅烷偶联剂的导热铝粉、银粉；

②将步骤①所得的导热铝粉、银粉进行粒径极配，按重量份计，将23份30um铝粉、16份15um铝粉、26份5um铝粉和6份1um铝粉和16份5um球状银粉、4份1um片状银粉，按顺序加入到2份二甲基硅油、2份甲基苯基硅油和4份羟基封端二甲基硅油及极微量添加剂的混合物中；

③将步骤②所得的导热粉体与有机硅油和含改性剂的混合物在三辊研磨机上进行研磨至混合均匀，初步得到高导热硅脂界面材料；

④将步骤③所得的样品进行抽真空处理，得到所述高导热硅脂界面材料。

实施例2～6：高导热硅脂GDZ-2～GDZ-6

实施例2～6的实验步骤参照实施例1，按重量份计，参照表1中高导热硅脂界面材料的组成，制得高导热硅脂界面材料实施例2～6。

表1 实施例2～6高导热硅脂界面材料的组成

注：原料组分说明如下：

(B)有机硅油

A1：二甲基硅油

A2：甲基苯基硅油

A3：羟基封端二甲基硅油

(C)硅烷偶联剂

B1：KH550

B2：KH560

B3：KH570

(D)导热填料

C1：铝粉(球状，平均粒径30um)

C2：铝粉(球状，平均粒径15um)

C3：铝粉(球状，平均粒径5um)

C4：铝粉(球状，平均粒径1um)

C5：银粉(球状，平均粒径5um)

C6：银粉(片状，平均粒径5um)

(E)添加剂

D1：实验室自制聚硅氮烷前驱体

D2：纳米AlN

对实施例1～6根据ASTM C1113、ASTM D5930进行导热系数测试，对实施例1～4按SH/T0324、ASTM D1742进行分油量测试和渗油测试，结果如表2所示。

表2 高导热硅脂界面材料性能测试

测试1高导热硅脂界面材料导热系数测试试验。

使用XIATECH TC3000E导热系数仪来测试制得的导热硅脂的导热系数，测量原理为瞬态热线法。结果表明，本发明制备的高导热硅脂界面材料具有较高的导热系数。

测试2高导热硅脂界面材料渗油测试。

将制备的导热硅脂涂敷在喷有环氧树脂黑漆的钢板上，进行渗油测试。渗油测试样品的直径为30mm，厚度为1mm，如图2所示。将测试样品放入45℃烘箱，保温96h，测试样品的渗油能力。其渗油能力用已从导热硅脂中渗出的油迹的直径与导热硅脂样品初始直径的比值(渗油比)r＝D’/D来评估，其中D为样品的初始直径，D’为样品渗油后包含油迹的直径。未渗油时r＝1，r值越大，表明渗油越明显。为降低测量误差，每组试验选取两个测试样品，每个样品取4组数据，取点位置如图2箭头所示，最后的渗油比r值为8组数据的平均值。

如图3(1)为现有导热硅脂(2)(3)(4)为自制高导热硅脂界面材料。由图3测试样品渗油图片可知，45℃放置96h后，现有导热硅脂渗油严重，而自制高导热硅脂界面材料仅轻微渗油或无渗油现象，实用性能显著优于对比例。

测试3高导热硅脂界面材料分油量测试。

按照SH/T0324、ASTM D1742《润滑脂钢网分油测定法》标准，使用SYP4108润滑脂钢网分油试验器来测定导热硅脂的分油量。将约10g样品装在金属丝钢网中，在静止状态下100℃±1℃，经30h后，测定经过钢网流出油的质量百分数。实验测得自制导热硅脂界面材料的分油量远小于1％，甚至接近于零。

Claims (6)

1.一种高导热硅脂界面材料，其特征在于，所述的高导热硅脂界面材料为灰色膏状物，其组成成分及其质量百分比为：

所述的有机硅油混合物是二甲基硅油、羟基封端二甲基硅油、甲基苯基硅油、含氢硅油等有机硅油中的一种或者两种以上混合物；

所述的硅烷偶联剂是3-氨基丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷和/或甲基丙烯酰氧基官能团硅烷的混合物；

所述的导热粉体填料是指金属粉体和/或非金属粉体的混合物；

所述的添加剂为聚硅氮烷前驱体和/或纳米无机粉体混合物；

其中所述的导热粉体填料包括片状和球状两种，球状导热粉体至少由大、中、小三种粒径组成；所述的大粒径为15～30um，中等粒径为5～10um，小粒径为0.1～1um。

2.权利要求1所述的高导热硅脂界面材料的制备方法，其特征在于，以有机硅油混合物、硅烷偶联剂、导热粉体填料以及添加剂为原料，按照一定比例混合，经剪切混合均匀而制得，具体包括如下步骤：

(1)导热粉体的表面修饰：利用粉体包覆设备，用硅烷偶联剂对不同粒径的导热粉体分别进行表面修饰，得到表面包覆硅烷偶联剂的导热粉体填料；

(2)将步骤(1)所得的不同粒径的导热粉体填料按一定比例进行粒径极配，并按一定的添加顺序分别将导热填料和添加剂加入到有机硅油混合物中；

(3)将步骤(2)所得的导热粉体与有机硅油的混合物在三辊研磨机上进行研磨混合均匀，初步得到高导热硅脂界面材料；

(4)将步骤(3)得到的样品进行抽真空处理，得到所述高导热硅脂界面材料。

3.按照权利要求1所述的高导热硅脂界面材料，其特征在于，所述纳米粉体是纳米AlN、BN或ZnO。

4.按照权利要求2所述的高导热硅脂界面材料的制备方法，其特征在于所述的组成为：有机硅油混合物质量分数为5～40％，优选5～30％，更优选5～25％；导热粉体填料质量分数为60～95％，优选70～95％，更优选75～95％；硅烷偶联剂质量分数为0.05～1.5％；添加剂质量分数为0.05～1％。

5.按照权利要求1所述的高导热硅脂界面材料，其特征在于所述的金属粉体是指铝、银、铜等金属粉体中的一种或两种以上的混合物。

6.按照权利要求1所述的高导热硅脂界面材料，其特征在于所述的非金属粉体是指氮化铝、氮化硼、氮化硅、石墨烯、碳纳米管非金属粉体中的一种或两种以上的混合物。