CN108659536B - 导热材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种导热材料及其制备方法，其在导热金属箔片单面形成磁性材料层，该磁性材料层磁极方向与导热金属箔片平行，也可在导热金属箔片单或双面上生长石墨烯层，在石墨烯层上磁控溅射磁性材料层，形成磁性导热介质并粉碎成颗粒状后和非磁性导热介质及高分子材料基体混合，在成型的过程中给予一个磁场，使磁性导热介质颗粒沿磁场方向有序排布。利用导热金属箔片或其与石墨烯片为平展片状且具有一致导热方向可使热量传递路径缩短从而提高导热材料热传导效率；且含石墨烯的磁性导热介质颗粒还可充分利用石墨烯独有的平行方向导热系数高的各向异性，结合磁场使其与基体材料中的非磁性导热介质形成导热网络，从而提高该导热材料的导热系数。

Description

导热材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种导热材料及其制备方法，尤其涉及一种含有磁性导热介质颗粒的导热材料及其制备方法，属于导热界面材料及其制备技术领域。
背景技术
随着电子设备不断将更强大的功能集成到更小组件中，温度控制已经成为电子器件设计中至关重要的挑战之一，即在架构紧缩且操作空间越来越小的情况下，如何有效的带走更大单位功率所产生的更多热量。
为解决上述问题，目前市场上大多采用具有导热功能的散热材料应用在上述领域中，如当前市场上常见的导热垫片、导热橡胶、导热树脂、导热胶、导热油墨等等。这类导热材料在导热方面最关键的评价参数为导热系数，一般导热系数越高越好，在现有技术中导热系数每提到一瓦都是非常艰难的，因此如何提高上述导热材料的导热系数成为解决电子用导热材料最为关键的问题。
为提高所使用材料的导热系数，目前在该领域内导热材料在进行制备和技术方案的改进时，大多是从在高分子材料基体中添加导热填料，从导热填料的种类用量的选择、导热填料的粒径以及表面改性或包覆分散方式的改进、所使用助剂的种类选择等角度出发进行导热材料的改良，但目前来看其所能达到的导热系数也仅为几瓦而已，至多能够达到十几瓦，完全不能满足当前电子器件的散热要求。
在上述使用的导热填料中，石墨烯具有突出的热传导作用。这是因为石墨烯是一种由碳原子以SP2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的单层片状材料，是只有一个碳原子厚度的二维材料，由于石墨烯具有规整有序的石墨原子层，声子传导的阻碍较少，面内缺陷较少，从而使得其平行方向的导热效率很高，其平行方向的导热系数超过5000瓦，但垂直方向的导热系数相对较差，这也是石墨烯独有的热传导的各向异性。
虽然石墨烯具有平行方向非常高的导热系数，但目前含有石墨烯的导热材料的导热系数却并不高，从目前公开的现有技术来看，至多只能达到十几瓦，其在实际使用的效果也并不好。这是因为石墨烯是单层碳原子的二维结构，可以简单的理解为“单层石墨”，可以看做是一张纸，但由于目前市面常用的石墨烯以粒径10μm的居多，此时的石墨烯由于其长度与厚度的比例悬殊过大，其真实存在的状态并不是如理想状态下存在的石墨烯一样是一张呈平展状态的纸，其真实存在状态是如同一张纸被揉成一个纸团样，尤其当石墨烯被添加到基体材料中再经过研磨、搅拌混合等，这张纸被揉成纸团的无序性就更高了。这时处于“纸团”状态的石墨烯不仅本身的热传导过程的路径大大增加，使热量在传导过程中增加了衰减的机会，且石墨烯本身所具有的“各向异性”由于“纸团”的杂乱无序也根本发挥不出来，因此现有技术中含有石墨烯的导热材料的导热系数仍然得不到有效的大幅提高，甚至其导热的效果常规导热金属铜等的效果好。
发明内容
本申请需要解决的技术问题的本质是：1、如何让呈片状的导热介质在基体中所处的状态仍然是平展的片状结构，而不是揉成“纸团”样的无序团状物；2、如何让呈平展片状结构的导热介质在基体中听从指挥，按照最终导热材料需要的导热方向有序排布；3、如何将呈平展片状结构的导热介质和其他常规导热介质形成一个完整、高效的导热网络。
针对上述需要解决的问题，本发明提供了一种导热材料及其制备方法，由该制备方法制备所得的导热材料具有大幅提到的导热系数。
本申请所述发明创造的技术方案是：
一种导热材料的制备方法，包括下述步骤：
a.磁性导热介质的制备，包括步骤a2：以磁性材料为靶材物质，在第一导热金属箔片层的单面上以磁控溅射的方法形成磁场方向与该第一导热金属箔片层平行且在同一层上具有N极区和S极区的磁性材料层；
b.导热材料的制备，包括步骤：
b1.将前述磁性导热介质粉碎形成50nm-5mm的磁性导热介质颗粒；
b2.将前述磁性导热介质颗粒和非磁性导热介质均匀分散于尚未固化的高分子材料基体中形成混合物料，然后在该尚未固化的混合物料形成具有一定形状的导热材料的过程中加磁场，且所加磁场的方向与该成型后导热材料所需导热方向一致，形成导热材料初产品；
b3.将前述所得导热材料初产品经固化、后整理后形成所述导热材料。
其进一步的技术方案是：
步骤a磁性导热介质的制备中，在步骤a2前还包括步骤a1：在第一导热金属箔片层的单面或双面上以化学气相沉积法生长出N层石墨烯层，其中1≤N≤100；第一导热金属箔片层的厚度为10nm-100μm。
步骤a2中所述磁性材料层以磁控溅射的方法形成于所述石墨烯层上，所述磁性材料层的厚度为10nm-50μm。
步骤a磁性导热介质的制备中，在步骤a2后还包括步骤an：以导热金属为靶材物质，在所述磁性材料层上以溅射的方法形成第二导热金属箔片层，该第二导热金属箔片层的厚度为10nm-50μm，且该第二导热金属箔片层与第一导热金属箔片层所使用的导热金属为同种或不同种导热金属或合金。
所述第一导热金属箔片层和第二导热金属箔片层所采用的导热金属为铜、银、铝或其中至少两种导热金属的合金；所述磁性材料为钕铁硼、钐钴、铝钴镍、四氧化三铁、铜镍铁、铁钴钼、铁钴钒或锰铋。
步骤b2中所述非磁性导热介质包括长度为0.2-3000微米的线状导热介质和粒径为0.05μm-100μm的颗粒状导热介质，其中线状导热介质为碳纳米管、导热金属线或碳纳米管与导热金属线的混合物，其中颗粒状导热介质为铜粉、颗粒状石墨烯、银粉、氧化铝粉、氮化硼粉、碳化硅粉、颗粒状石墨、氧化铍粉、氧化锌粉、氧化镁粉和氮化铝粉中的至少一种。
本申请还公开了一种由上述制备方法制备所得的导热材料，该导热材料包括高分子材料基体、均匀分散浸润在该高分子材料基体内的非磁性导热介质以及同样均匀分散浸润在高分子材料基体内的磁性导热介质颗粒，且该导热材料为导热垫片、导热橡胶、导热油墨、导热胶或导热塑料。
其进一步的技术方案是：
每个所述磁性导热介质颗粒均包括有第一导热金属箔片层和形成于该第一导热金属箔片层上的功能层，该功能层包括与第一导热金属箔片层平行且在同一层上具有N极区和S极区的磁性材料层。
其更进一步的技术方案是：
所述功能层包括
溅射于第一导热金属箔片层单面上的磁性材料层；或
溅射于第一导热金属箔片层单面上的磁性材料层和溅射于该磁性材料层上的第二导热金属箔片层；或
生长于第一导热金属箔片层单面上的石墨烯层、溅射于所述石墨烯层上的磁性材料层和溅射于所述磁性材料层上的第二导热金属箔片层；或
由生长于第一导热金属箔片层单面上的石墨烯层和溅射于该石墨烯层上的磁性材料层构成的第一导热体、由第二导热金属箔片层和生长于第二导热金属箔片层单面上的石墨烯层构成的第二导热体、和位于第一导热体的磁性材料层与第二导热体的石墨烯层之间的含有所述磁性导热介质颗粒和非磁性导热介质的导热胶层；或
分别生长于第一导热金属箔片层双面上的石墨烯层和溅射于其中一面石墨烯层上的磁性材料层；或
分别生长于第一导热金属箔片层双面上的石墨烯层、溅射于其中一面石墨烯层上的磁性材料层和溅射于所述磁性材料层上的第二导热金属箔片层。
所述功能层中磁性材料层与第一导热金属箔片层平行且在同一层上具有N极区和S极区；每个所述磁性导热介质颗粒中同层磁性材料层的N极区和S极区方向均沿外加磁场的方向且与该成型后导热材料所需导热方向一致。
本发明的有益技术效果是：本申请在导热金属箔片的单面上形成有磁性材料层，该磁性材料层与导热金属箔片平行且磁性材料层同一层上具有N极区和S极区，也可以在导热金属箔片单面上生长处一层石墨烯，然后在石墨烯上磁控溅射方法形成一层上述的磁性材料层，形成磁性导热介质，然后将其粉碎成磁性导热介质颗粒后，和常规的非磁性导热介质以及高分子材料基体混合，在成型的过程中根据导热材料需要的导热方向给予一个磁场，使磁性导热介质颗粒可以有序排布。在这个过程中，磁性导热介质颗粒中的导热金属箔片或导热金属箔片和石墨烯始终是呈平展的片状结构的，且其一致的导热方向可以其热量传递路径较短可以减少热衰减，从而从一方面来提高整个导热材料的热传导效率，可以将导热材料的导热系数从现有的几瓦提到几十瓦；此外含有石墨烯的磁性导热介质颗粒不仅可以使导热金属箔片和石墨烯片处于平展的片状结构，还可以充分利用石墨烯独有的在平行方向导热系数非常高的各向异性，结合磁场使其与基体材料中分散的非磁性导热介质共同搭建成一个完整、高效的导热网络，从而提高该导热材料的导热系数，使现有技术导热材料的导热系数从几瓦、十几瓦提高到了200瓦以上。
附图说明
图1是具体实施例磁性导热介质颗粒一的纵向剖面结构示意图；
图2是具体实施例磁性导热介质颗粒二的纵向剖面结构示意图；
图3是具体实施例磁性导热介质颗粒三的纵向剖面结构示意图；
图4是具体实施例磁性导热介质颗粒四的纵向剖面结构示意图；
图5为具体实施例磁性导热介质颗粒七的纵向剖面结构示意图；
图6为具体实施例磁性导热介质颗粒八的纵向剖面结构示意图；
图7是具体实施例三所述导热垫片的纵向剖面结构示意图，图中所示箭头方向为所加磁场方向；
其中：
1-高分子树脂基体；2-非磁性导热介质；201-线状导热介质；202-颗粒状导热介质；3-磁性导热介质颗粒；301-第一导热金属箔片层；302-功能层；302a-石墨烯层；302b-磁性材料层；302c-第二导热金属箔片层；302d-导热胶层。
具体实施方式
为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
磁性导热介质颗粒：
磁性导热介质颗粒一：铜/铁钴钒，且每层对应的厚度为5μm/5μm。其制备方法为：以铁钴钒合金为靶材物质，在5μm厚的铜箔单面上以磁控溅射的方法形成与该铜箔平行且在同一层上具有N极区和S极区的铁钴钒层，然后采用粉碎设备将该铜/铁钴钒粉碎成粒径80μm的颗粒。上述磁控溅射的方法为本领域常规方法，本申请中不再赘述。(参见图1所示)
磁性导热介质颗粒二：铜/铁钴钒/铜，且每层对应的厚度为10μm/8μm/10μm。其制备方法为：以铁钴钒合金为靶材物质，在10μm厚的铜箔单面上以磁控溅射的方法形成与该铜箔平行且在同一层上具有N极区和S极区的铁钴钒层，该铁钴钒层的厚度为8μm，然后以铜为靶材物质，在铁钴钒层上以溅射的方法形成10μm厚的铜箔；再采用粉碎设备将铜/铁钴钒/铜粉碎成粒径100μm的颗粒。上述的磁控溅射和溅射的方法均为本领域常规方法，本申请中不再赘述。(参见图2所示)
磁性导热介质颗粒三：铜/石墨烯/钕铁硼/铜，且每层对应的厚度为6μm/0.334nm/2μm/1μm。其制备方法为：在6μm厚的铜箔单面上以化学气相沉积法CVD生长出单层石墨烯，该单层石墨烯的厚度仅为一个碳原子的粒径即0.334nm；然后该单层石墨烯层为底物，以钕铁硼为靶材物质，在该单层石墨烯上以磁控溅射的方法形成2μm厚的钕铁硼磁性材料层；最后以该钕铁硼磁性材料层为底物，以铜为靶材物质，在钕铁硼磁性材料层上以溅射的方法形成1μm厚的铜；再采用粉碎设备将铜/石墨烯/钕铁硼/铜粉碎成50μm粒径的颗粒。其中所涉及的铜层上生长单层石墨烯的化学气相沉积法CVD、磁控溅射和溅射方法均为本领域常规技术方法，本申请中不再赘述。(参见图3所示)
磁性导热介质颗粒四：铜/石墨烯/钕铁硼/导热胶/石墨烯/铜，且每层对应的厚度为6μm/0.334nm/2μm/2μm/0.334nm/6μm。其制备方法为：在6μm厚的铜箔单面上以化学气相沉积法CVD生长出单层石墨烯，该单层石墨烯的厚度仅为一个碳原子的粒径即0.334nm，然后该单层石墨烯层为底物，以钕铁硼为靶材物质，在该单层石墨烯上以磁控溅射的方法形成2μm厚的钕铁硼磁性材料层，上述铜/石墨烯/钕铁硼共同构成第一导热体；在在6μm厚的铜箔单面上以化学气相沉积法CVD生长出单层石墨烯，该单层石墨烯的厚度仅为一个碳原子的粒径即0.334nm，上述石墨烯/铜共同构成第二导热体；以含有本申请所述磁性导热介质颗粒和非磁性导热介质的导热胶层将第一导热体中钕铁硼层与第二导热体石墨烯层之间粘合起来，其中导热胶层中含有的磁性导热介质颗粒可以为本具体实施例中所述的磁性导热介质颗粒一至六中的任意一种；最后采用用粉碎设备粉碎成70μm粒径的颗粒。其中所涉及的铜层上生长单层石墨烯的化学气相沉积法CVD、磁控溅射、溅射方法粘合方法均为本领域常规技术方法，本申请中不再赘述。(参见图4所示)
磁性导热介质颗粒五：银/石墨烯/钐钴/银，且每层对应的厚度为50nm/0.334nm/2μm/50nm。其制备方法为：在50nm厚的银箔单面上以化学气相沉积法CVD生长出单层石墨烯，该单层石墨烯的厚度仅为一个碳原子的粒径即0.334nm；然后以该单层石墨烯层为底物，以钐钴为靶材物质，在该单层石墨烯上以磁控溅射的方法形成2μm厚的钐钴磁性材料层；最后以该钐钴磁性材料层为底物，以银为靶材物质，在钐钴磁性材料层上以溅射的方法形成50nm厚的银；再采用粉碎设备将银/石墨烯/钐钴/银粉碎成60μm粒径的颗粒。其中所涉及的银层上生长单层石墨烯的化学气相沉积法CVD、磁控溅射和溅射方法均为本领域常规技术方法，本申请中不再赘述。
磁性导热介质颗粒六：铜/石墨烯/四氧化三铁/铜，且每层对应的厚度为15μm/0.668nm/5μm/15μm。其制备方法为：在15μm厚的铜箔单面上以化学气相沉积法CVD生长出两层石墨烯，其中单层石墨烯的厚度仅为一个碳原子的粒径即0.334nm，两层的厚度为0.668nm；然后以该石墨烯层为底物，以四氧化三铁为靶材物质，在石墨烯层上以磁控溅射的方法形成5μm厚的四氧化三铁磁性材料层；最后以该四氧化三铁磁性材料层为底物，以铜为靶材物质，在四氧化三铁磁性材料层上以溅射的方法形成15μm厚的铜；再采用粉碎设备将铜/石墨烯/四氧化三铁/铜粉碎成120μm粒径的颗粒。其中所涉及的铜层上生长双层石墨烯的化学气相沉积法CVD、磁控溅射和溅射方法均为本领域常规技术方法，本申请中不再赘述。
磁性导热介质颗粒七：石墨烯/铜/石墨烯/钕铁硼，且每层对应的厚度为0.334nm/5μm/0.334nm/3μm。其制备方法为：在5μm厚的铜箔双面上以化学气相沉积法CVD分别生长出单层石墨烯，该单层石墨烯的厚度仅为一个碳原子的粒径即0.334nm；然后以单侧的单层石墨烯层为底物，以钕铁硼为靶材物质，在该单侧的单层石墨烯上以磁控溅射的方法形成3μm厚的钕铁硼磁性材料层；再采用粉碎设备将石墨烯/铜/石墨烯/钕铁硼粉碎成80μm粒径的颗粒。其中所涉及的铜箔双面生长单层石墨烯的化学气相沉积法CVD、磁控溅射和溅射方法均为本领域常规技术方法，本申请中不再赘述。(参见图5)
磁性导热介质颗粒八：石墨烯/银/石墨烯/钕铁硼/银，且每层对应的厚度为0.334nm/4μm/0.334nm/5μm/4μm。其制备方法为：在4μm厚的银箔双面上以化学气相沉积法CVD分别生长出单层石墨烯，该单层石墨烯的厚度仅为一个碳原子的粒径即0.334nm；然后以单侧的单层石墨烯层为底物，以钕铁硼为靶材物质，在该单侧的单层石墨烯上以磁控溅射的方法形成5μm厚的钕铁硼磁性材料层；最后以该钕铁硼磁性材料层为底物，以银为靶材物质，在钕铁硼磁性材料层上以溅射的方法形成4μm厚的银；再采用粉碎设备将石墨烯/银/石墨烯/钕铁硼/银粉碎成70μm粒径的颗粒。其中所涉及的银箔双面生长单层石墨烯的化学气相沉积法CVD、磁控溅射和溅射方法均为本领域常规技术方法，本申请中不再赘述。(参见图6)
非磁性导热介质：
本申请所述的非磁性导热介质包括长度为0.2-3000μm的线状导热介质和粒径为0.05μm-100μm的颗粒状导热介质。具体实施例中所使用的线状导热介质为碳纳米管，或碳纳米管和长度1-3000μm的铜丝、长度1-3000μm的银丝、长度1-3000μm的铝丝和长度1-3000μm的铜银合金金属丝中的至少一种构成的混合线状导热介质；具体实施例中所使用的颗粒状导热介质为铜粉、颗粒状石墨烯、银粉、氧化铝粉、氮化硼粉、碳化硅粉、颗粒状石墨、氧化铍粉、氧化锌粉、氧化镁粉和氮化铝粉中的至少一种，可以是粒径3μm铜粉、2.5μm铜粉、1μm铜粉、0.3μm铜粉、0.1μm铜粉、0.05μm铜粉、2.5μm银粉、0.05μm氧化铝粉、3.0μm氮化铝粉、3μm氧化铍粉、15μm氧化锌粉、8μm氧化镁粉、22μm氮化硼粉、6μm碳化硅粉、3μm石墨粉和0.3μm石墨烯粉中的至少一种。
高分子材料基体：
本申请中所述高分子材料基体可以根据所需要制备的导热材料进行高分子材料基体的选择，常用的高分子材料基体可以为热塑性高分子材料，如PE、PS、PC、PP、PI、ABS、PET、PES、环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂等；还可以为热塑性弹性体，如TPE、TPR、TPU等各种不含硅的橡胶以及含硅橡胶等。上述的高分子材料基体中根据最后导热材料成品的不同还可以包括有各种添加剂和助剂，如增韧剂、相容剂、润滑剂、催化剂、分散剂、阻燃剂、有色填料等本领域技术人员所熟知的各种高分子材料加工领域中所使用的添加剂和助剂，本申请中不再赘述。
下面以导热垫片、导热油墨及导热胶为例对本申请所述导热材料及其制备方法进行详细描述，其中所述各组分含量以占整个导热材料总重量百分比计。
具体实施例1：导热垫片一及其制备。
该导热垫片所使用的各组成及用量为：
磁性导热介质颗粒：磁性导热介质颗粒一：铜/铁钴钒，余量。
非磁性导热介质：碳纳米管1wt.％、3μm铜粉12wt.％、1μm铜粉4wt.％、0.3μm铜粉1wt.％、0.1μm铜粉0.2wt.％和0.05μm铜粉0.05wt.％。
高分子材料基体：甲基硅橡胶5wt.％、含氢硅油1wt.％、甲基硅油0.2wt.％、乙烯基硅油1wt.％、铂盐催化剂0.01wt.％和助剂2wt.％，其中助剂为分散剂。
将磁性导热介质颗粒一、非磁性导热介质与助剂放入球磨机进行研磨至混合均匀，取出后将其与高分子材料基体混合均匀并使其均匀分散于尚未固化的高分子材料基体中形成混合物料。将该混合物料倒入厚1mm，长和宽分别为30mm的离型模具中后，在该尚未固化的混合物料的上下方用电磁铁各给一个相对的磁场，磁场强度为1特拉斯，时间为持续5s。然后撤掉所加磁场，将离型模具内的混合物料升温至120℃后加热10min，使混合物料完全固化后取出，形成导热垫片一。
具体实施例2：导热垫片二及其制备。
该导热垫片所使用的各组成及用量为：
磁性导热介质颗粒：磁性导热介质颗粒二：铜/铁钴钒/铜，余量。
非磁性导热介质：碳纳米管1wt.％、3μm铜粉12wt.％、1μm铜粉4wt.％、0.3μm铜粉1wt.％、0.1μm铜粉0.2wt.％和0.05μm铜粉0.05wt.％。
高分子材料基体：甲基硅橡胶5wt.％、含氢硅油1wt.％、甲基硅油0.2wt.％、乙烯基硅油1wt.％、铂盐催化剂0.01wt.％和助剂2wt.％，其中助剂为分散剂。
将磁性导热介质颗粒二、非磁性导热介质与助剂放入球磨机进行研磨至混合均匀，取出后将其与高分子材料基体混合均匀并使其均匀分散于尚未固化的高分子材料基体中形成混合物料。将该混合物料倒入厚1mm，长和宽分别为30mm的离型模具中后，在该尚未固化的混合物料的上下方用电磁铁各给一个相对的磁场，磁场强度为1特拉斯，时间为持续5s。然后撤掉所加磁场，将离型模具内的混合物料升温至120℃后加热10min，使混合物料完全固化后取出，形成导热垫片二。
具体实施例3：导热垫片三及其制备。
该导热垫片所使用的各组成及用量为：
磁性导热介质颗粒：磁性导热介质颗粒三：铜/石墨烯/钕铁硼/铜，余量。
非磁性导热介质：碳纳米管1wt.％、3μm铜粉12wt.％、1μm铜粉4wt.％、0.3μm铜粉1wt.％、0.1μm铜粉0.2wt.％和0.05μm铜粉0.05wt.％。
高分子材料基体：甲基硅橡胶5wt.％、含氢硅油1wt.％、甲基硅油0.2wt.％、乙烯基硅油1wt.％、铂盐催化剂0.01wt.％和助剂2wt.％，其中助剂为分散剂。
将磁性导热介质颗粒三、非磁性导热介质与助剂放入球磨机进行研磨至混合均匀，取出后将其与高分子材料基体混合均匀并使其均匀分散于尚未固化的高分子材料基体中形成混合物料。将该混合物料倒入厚1mm，长和宽分别为30mm的离型模具中后，在该尚未固化的混合物料的上下方用电磁铁各给一个相对的磁场，磁场强度为1特拉斯，时间为持续5s。然后撤掉所加磁场，将离型模具内的混合物料升温至120℃后加热10min，使混合物料完全固化后取出，形成导热垫片三。(参见图7所示)
具体实施例4：导热垫片四及其制备。
该导热垫片所使用的各组成及用量为：
磁性导热介质颗粒：磁性导热介质颗粒四：铜/石墨烯/钕铁硼/导热胶/石墨烯/铜，余量。
非磁性导热介质：碳纳米管1wt.％、3μm铜粉12wt.％、1μm铜粉4wt.％、0.3μm铜粉1wt.％、0.1μm铜粉0.2wt.％和0.05μm铜粉0.05wt.％。
高分子材料基体：甲基硅橡胶5wt.％、含氢硅油1wt.％、甲基硅油0.2wt.％、乙烯基硅油1wt.％、铂盐催化剂0.01wt.％和助剂2wt.％，其中助剂为分散剂。
将磁性导热介质颗粒四、非磁性导热介质与助剂放入球磨机进行研磨至混合均匀，取出后将其与高分子材料基体混合均匀并使其均匀分散于尚未固化的高分子材料基体中形成混合物料。将该混合物料倒入厚1mm，长和宽分别为30mm的离型模具中后，在该尚未固化的混合物料的上下方用电磁铁各给一个相对的磁场，磁场强度为1特拉斯，时间为持续5s。然后撤掉所加磁场，将离型模具内的混合物料升温至120℃后加热10min，使混合物料完全固化后取出，形成导热垫片四。
具体实施例5：导热垫片五及其制备。
该导热垫片所使用的各组成及用量为：
磁性导热介质颗粒：磁性导热介质颗粒六：铜/石墨烯/四氧化三铁/铜，余量。
非磁性导热介质：碳纳米管1wt.％、3μm铜粉12wt.％、1μm铜粉4wt.％、0.3μm铜粉1wt.％、0.1μm铜粉0.2wt.％和0.05μm铜粉0.05wt.％。
高分子材料基体：甲基硅橡胶5wt.％、含氢硅油1wt.％、甲基硅油0.2wt.％、乙烯基硅油1wt.％、铂盐催化剂0.01wt.％和助剂2wt.％，其中助剂为分散剂。
将磁性导热介质颗粒六、非磁性导热介质与助剂放入球磨机进行研磨至混合均匀，取出后将其与高分子材料基体混合均匀并使其均匀分散于尚未固化的高分子材料基体中形成混合物料。将该混合物料倒入厚1mm，长和宽分别为30mm的离型模具中后，在该尚未固化的混合物料的上下方用电磁铁各给一个相对的磁场，磁场强度为1特拉斯，时间为持续5s。然后撤掉所加磁场，将离型模具内的混合物料升温至120℃后加热10min，使混合物料完全固化后取出，形成导热垫片五。
具体实施例6：导热油墨一及其制备。
该导热油墨所使用的各组成及用量为：
磁性导热介质颗粒：磁性导热介质颗粒五：银/石墨烯/钐钴/银，余量。
非磁性导热介质：碳纳米管1.5wt.％、2.5μm银粉8wt.％、3.0μm氮化铝粉4wt.％、2.5μm银粉2wt.％和0.3μm石墨烯粉0.2wt.％。
高分子材料基体：环氧树脂20wt.％，酚醛树脂5wt.％，固化剂3.5wt.％，油溶性着色剂5wt.％，助剂0.5wt.％，其中助剂为分散剂和消泡剂。
将磁性导热介质颗粒五、非磁性导热介质与助剂中的分散剂放入球磨机进行研磨至混合均匀，取出后将其与除消泡剂外的其他高分子材料基体再次放入球磨机中混合均匀并使其均匀分散于尚未固化的高分子材料基体中形成混合物料，加入消泡剂并搅拌均匀后将该混合物料过滤消泡，得到导热油墨初产品。将该导热油墨采用丝网印刷的方式印刷在离型模具上，厚度为50μm；在进行丝网印刷过程中，在离型模具的上下方用电磁铁各给一个相对的磁场，磁场强度为1特拉斯，待油墨印刷在离型模具上后所加磁场时间为持续10s。然后撤掉所加磁场，将带有该导电油墨的离型模具在230℃下烘烤直至油墨彻底干透为止，然后将油墨层从离型模具上取下。
具体实施例7：导热油墨二及其制备。
该导热油墨所使用的各组成及用量为：
磁性导热介质颗粒：磁性导热介质颗粒七：石墨烯/铜/石墨烯/钕铁硼，余量。
非磁性导热介质：碳纳米管1.5wt.％、2.5μm银粉8wt.％、22μm氮化硼粉4wt.％、2.5μm银粉2wt.％、6μm碳化硅粉0.2wt.％。
高分子材料基体：环氧树脂25wt.％，酚醛树脂3wt.％，固化剂3.5wt.％，油溶性着色剂5wt.％，助剂0.5wt.％，其中助剂为分散剂和消泡剂。
将磁性导热介质颗粒七、非磁性导热介质与助剂中的分散剂放入球磨机进行研磨至混合均匀，取出后将其与除消泡剂外的其他高分子材料基体再次放入球磨机中混合均匀并使其均匀分散于尚未固化的高分子材料基体中形成混合物料，加入消泡剂并搅拌均匀后将该混合物料过滤消泡，得到导热油墨初产品。将该导热油墨采用丝网印刷的方式印刷在离型模具上，厚度为50μm；在进行丝网印刷过程中，在离型模具的上下方用电磁铁各给一个相对的磁场，磁场强度为1特拉斯，待油墨印刷在离型模具上后所加磁场时间为持续10s。然后撤掉所加磁场，将带有该导电油墨的离型模具在230℃下烘烤直至油墨彻底干透为止，然后将油墨层从离型模具上取下。
具体实施例8：导热胶一及其制备。
该导热胶所使用的各组成及用量为：
磁性导热介质颗粒：磁性导热介质颗粒三：铜/石墨烯/钕铁硼/铜，余量。
非磁性导热介质：碳纳米管2.0wt.％、3μm长铜线0.2wt.％、0.05μm氧化铝1.2wt.％、3.0μm铜粉6wt.％、2.5μm铜粉4.0wt.％和0.3μm石墨烯粉1.0wt.％。
高分子材料基体：改性丙烯酸树脂15wt.％、过氧化苯甲酰叔丁酯1.5wt.％、甲基丙烯酸酯-丁二烯-苯乙烯共聚物7.8wt.％、抗氧剂1076为0.2wt.％、稳定剂2,6-二叔丁基对甲酚1.0wt.％和助剂0.2wt.％，其中助剂为分散剂。
将磁性导热介质颗粒三、非磁性导热介质与助剂放入球磨机进行研磨至混合均匀，取出后将其与高分子材料基体中的改性丙烯酸树脂、甲基丙烯酸酯-丁二烯-苯乙烯共聚物和抗氧剂1076使用行星动力混合机混合搅拌均匀后呈膏状混合物，然后将该膏状混合物倒入三辊研磨机研磨三遍直至该膏状混合物完全均匀流动连续的膏状流动体后，再倒入行星动力混合机中，加入过氧化苯甲酰叔丁酯和稳定剂2,6-二叔丁基对甲酚搅拌均匀，后进行抽真空除气泡，得到导热胶初产品。将该导热胶初产品采用辊涂的方式涂覆在离型模具上，厚度为5mm；在进行涂覆过程中，在离型模具的上下方用电磁铁各给一个相对的磁场，磁场强度为1.5特拉斯，待导热胶涂覆在离型模具上后所加磁场时间为持续15s。然后撤掉所加磁场，将带有该导热胶的离型模具在室温下静置直至导热胶彻底干透为止，然后将导热胶层从离型模具上取下。
具体实施例9：导热胶二及其制备。
该导热胶所使用的各组成及用量为：
磁性导热介质颗粒：磁性导热介质颗粒八：石墨烯/银/石墨烯/钕铁硼/银，余量。
非磁性导热介质：碳纳米管2.0wt.％、3μm长银线0.2wt.％、2.5μm银粉1.2wt.％、15μm氧化锌粉6wt.％、3μm氧化铍粉4.0wt.％和3μm石墨粉1.0wt.％。
高分子材料基体：改性丙烯酸树脂15wt.％、过氧化苯甲酰叔丁酯1.5wt.％、甲基丙烯酸酯-丁二烯-苯乙烯共聚物7.8wt.％、抗氧剂1076为0.2wt.％、稳定剂2,6-二叔丁基对甲酚1.0wt.％和助剂0.2wt.％，其中助剂为分散剂。
将磁性导热介质颗粒八、非磁性导热介质与助剂放入球磨机进行研磨至混合均匀，取出后将其与高分子材料基体中的改性丙烯酸树脂、甲基丙烯酸酯-丁二烯-苯乙烯共聚物和抗氧剂1076使用行星动力混合机混合搅拌均匀后呈膏状混合物，然后将该膏状混合物倒入三辊研磨机研磨三遍直至该膏状混合物完全均匀流动连续的膏状流动体后，再倒入行星动力混合机中，加入过氧化苯甲酰叔丁酯和稳定剂2,6-二叔丁基对甲酚搅拌均匀，后进行抽真空除气泡，得到导热胶初产品。将该导热胶初产品采用辊涂的方式涂覆在离型模具上，厚度为5mm；在进行涂覆过程中，在离型模具的上下方用电磁铁各给一个相对的磁场，磁场强度为1.5特拉斯，待导热胶涂覆在离型模具上后所加磁场时间为持续15s。然后撤掉所加磁场，将带有该导热胶的离型模具在室温下静置直至导热胶彻底干透为止，然后将导热胶层从离型模具上取下。
上述导热垫片、导热油墨和导热胶在成型过程中所加磁场的方向与成型后导热垫片、导热油墨层及导热胶层的厚度方向一致。
将上述具体实施例1-9中制备所得的导热垫片、导热油墨层和导热胶层放置到冷却后，采用激光闪射法(ASTM-E1461)测试导热系数，测试所得的结果参见表1所述。
表1具体实施例1-9导热系数测试结果
Figure BDA0001606466350000141
由于本申请具体实施例中导热垫片、导热油墨和导热胶在成型过程中所加磁场的方向与成型后导热垫片、导热油墨层及导热胶层的厚度方向一致，因此磁性导热介质颗粒中的磁性材料层受磁场方向影响，带动整个磁性导热介质颗粒“竖立”起来，这样就使得磁性导热介质颗粒中与磁性材料层平行的导热金属箔片和/或石墨烯“片”也呈平展的“竖立”状态固定在高分子材料基体中，而不是揉成一团的状态固定在高分子材料基体中。
这样的结构，首先可以使磁性导热介质颗粒中的导热金属箔片处于“平展”的呈片状结构的状态，再结合该导热金属箔片也处于“竖立”状态，可以充分缩短导热金属箔片的热量的传递路径从而减少热衰减，此外还可以与基体材料中分散的非磁性导热介质共同搭建成一个完整、高效的导热网络，从而有效的提高该导热材料的导热系数。这可以从具体实施例1和2中看出，在这两个具体实施例中仅使用了导热金属箔片和磁性材料层，利用磁场将其“竖立”起来，固化后垫片的导热系数从现有技术的小于10W/(m.k)升高至接近30W/(m.k)，其导热性能大大提高。
这样的结构，其次也可以使磁性导热介质颗粒中的石墨烯“片”处于“平展”的呈片状结构的状态，除去可以充分缩短石墨烯呈“竖直”状态热量传递的路径减少热衰减外，还可以充分利用石墨烯独有的在平行方向导热系数非常高的“各向异性”，再其与基体材料中分散的非磁性导热介质共同搭建成一个完整、高效的导热网络，从而非常有效的提高该导热材料的导热系数。这可以从具体实施例3至9中看出，在这几个具体实施例中不仅使用了导热金属箔片、磁性材料层，还使用了一层或多层石墨烯，当利用磁场将其该磁性导热介质颗粒“竖立”起来后并固化后，形成的导热材料的导热系数从现有技术的小于10W/(m.k)、已经本申请仅含有磁性材料层和导热金属箔片材料的30W/(m.k)，提高到了200W/(m.k)以上，其导热性能大大提高，这些均是现有技术所做不到的。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种导热材料的制备方法，其特征在于：包括下述步骤：
a.磁性导热介质的制备，包括步骤a2：以磁性材料为靶材物质，在第一导热金属箔片层的单面上以磁控溅射的方法形成磁场方向与该第一导热金属箔片层平行且在同一层上具有N极区和S极区的磁性材料层；
b.导热材料的制备，包括步骤：
b1.将前述磁性导热介质粉碎形成50nm-5mm的磁性导热介质颗粒；
b2.将前述磁性导热介质颗粒和非磁性导热介质均匀分散于尚未固化的高分子材料基体中形成混合物料，然后在该尚未固化的混合物料形成具有一定形状的导热材料的过程中加磁场，且所加磁场的方向与该成型后导热材料所需导热方向一致，形成导热材料初产品；
b3.将前述所得导热材料初产品经固化、后整理后形成所述导热材料。
2.根据权利要求1所述导热材料的制备方法，其特征在于：步骤a磁性导热介质的制备中，在步骤a2前还包括步骤a1：在第一导热金属箔片层的单面或双面上以化学气相沉积法生长出N层石墨烯层，其中1≤N≤100；第一导热金属箔片层的厚度为10nm-100μm。
3.根据权利要求2所述导热材料的制备方法，其特征在于：步骤a2中所述磁性材料层以磁控溅射的方法形成于所述石墨烯层上，所述磁性材料层的厚度为10nm-50μm。
4.根据权利要求1所述导热材料的制备方法，其特征在于：步骤a磁性导热介质的制备中，在步骤a2后还包括步骤an：以导热金属为靶材物质，在所述磁性材料层上以溅射的方法形成第二导热金属箔片层，该第二导热金属箔片层的厚度为10nm-50μm，且该第二导热金属箔片层与第一导热金属箔片层所使用的导热金属为同种或不同种导热金属或合金。
5.根据权利要求4所述导热材料的制备方法，其特征在于：所述第一导热金属箔片层和第二导热金属箔片层所采用的导热金属为铜、银、铝或其中至少两种导热金属的合金；所述磁性材料为钕铁硼、钐钴、铝钴镍、四氧化三铁、铜镍铁、铁钴钼、铁钴钒或锰铋。
6.根据权利要求1所述导热材料的制备方法，其特征在于：步骤b2中所述非磁性导热介质包括长度为0.2-3000微米的线状导热介质和粒径为0.05μm-100μm的颗粒状导热介质，其中线状导热介质为碳纳米管、导热金属线或碳纳米管与导热金属线的混合物，其中颗粒状导热介质为铜粉、颗粒状石墨烯、银粉、氧化铝粉、氮化硼粉、碳化硅粉、颗粒状石墨、氧化铍粉、氧化锌粉、氧化镁粉和氮化铝粉中的至少一种。
7.一种由权利要求1至6中任一权利要求所述制备方法制备所得的导热材料，其特征在于：所述导热材料包括高分子材料基体(1)、均匀分散浸润在该高分子材料基体内的非磁性导热介质(2)以及同样均匀分散浸润在高分子材料基体内的磁性导热介质颗粒(3)，且该导热材料为导热垫片、导热橡胶、导热油墨、导热胶或导热塑料。
8.根据权利要求7所述的导热材料，其特征在于：每个所述磁性导热介质颗粒均包括有第一导热金属箔片层(301)和形成于该第一导热金属箔片层上的功能层(302)，该功能层包括与第一导热金属箔片层平行且在同一层上具有N极区和S极区的磁性材料层(302b)。
9.根据权利要求8所述的导热材料，其特征在于：所述功能层(302)包括
溅射于第一导热金属箔片层(301)单面上的磁性材料层(302b)；或
溅射于第一导热金属箔片层(301)单面上的磁性材料层(302b)和溅射于该磁性材料层上的第二导热金属箔片层(302c)；或
生长于第一导热金属箔片层单面上的石墨烯层(302a)、溅射于所述石墨烯层上的磁性材料层(302b)和溅射于所述磁性材料层上的第二导热金属箔片层(302c)；或
由生长于第一导热金属箔片层(301)单面上的石墨烯层(302a)和溅射于该石墨烯层上的磁性材料层(302b)构成的第一导热体、由第二导热金属箔片层(302c)和生长于第二导热金属箔片层单面上的石墨烯层(302a)构成的第二导热体、和位于第一导热体的磁性材料层(302b)与第二导热体的石墨烯层(302a)之间的含有所述磁性导热介质颗粒和非磁性导热介质的导热胶层(302d)；或
分别生长于第一导热金属箔片层(301)双面上的石墨烯层(302a)和溅射于其中一面石墨烯层上的磁性材料层(302b)；或
分别生长于第一导热金属箔片层(301)双面上的石墨烯层(302a)、溅射于其中一面石墨烯层上的磁性材料层(302b)和溅射于所述磁性材料层上的第二导热金属箔片层(302c)。
10.根据权利9所述的导热材料，其特征在于：所述功能层中磁性材料层与第一导热金属箔片层平行且在同一层上具有N极区和S极区；每个所述磁性导热介质颗粒中同层磁性材料层的N极区和S极区方向均沿外加磁场的方向且与该成型后导热材料所需导热方向一致。
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