CN108728046A - 一种导热储热复合材料及其制备方法、导热储热散热装置 - Google Patents

一种导热储热复合材料及其制备方法、导热储热散热装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种导热储热复合材料及其制备方法，以及以该导热储热复合材料为基础的导热储热散热装置，涉及导热材料技术领域，包括以下步骤：准备原料：a、取一块金属箔，b、取导热硅胶基料，c、取相变材料基料；将导热硅胶基料均匀涂覆于金属箔的一侧的外表面上，放置于隧道炉中进行硫化，硫化完成后，形成导热硅胶层；将相变材料基料均匀热涂覆于金属箔的另一侧的外表面上，控制热涂覆的温度为80～90℃，形成相变材料层；最终得到导热储热复合材料，该导热储热复合材料借助相变储能传导技术,利用相变材料物态的转变进行能量的储存和释放，其优点是储能密度大，温度近似恒定，可实现相变化温度传导，快速降温。

Description

一种导热储热复合材料及其制备方法、导热储热散热装置
技术领域
本发明涉及导热材料技术领域，更具体地，涉及一种导热储热复合材料及其制备方法。并提供以该复合材料为基础的导热储热散热装置。
背景技术
研究表明，电子元器件温度每升高10℃，其寿命降低50％。所以为了防止局部热量积聚形成热点，需要采用高导热材料迅速把热点的热量传走。同时，为了适应电子设备内部狭小而复杂的结构，要求高导热材料具备超薄柔性的特点。通常情况下，为了解决发热电子元件的散热问题，工业界在电子元件上方安置散热片来对元器件进行散热。但是，限于现在的工业生产技术，电子元器件与散热片之间的接触面不能达到理想的平整面。当二者接触时，空气会存在于二者之间的界面缝隙中，增加界面热阻，严重影响整体的散热效果。由此开发出了许多散热技术及相关的散热材料，其中导热相变材料就是其中的一种。相变储热材料也被尝试用于电子设备散热，但由于其热导率低(<10W/mK)、响应时间慢、相变后易渗漏等特点，严重的阻碍了其在电子设备中的应用，目前为止尚未见大规模应用。
现有技术1：CN 103409113 A公开了一种储热材料，它包括中间层的热界面材料以及两边的热扩散材料和各相同性导热材料，所述储热材料为所述热扩散材料、所述热界面材料和所述各相同性导热材料复合而成，所述储热材料的边缘处仅有所述热扩散材料和所述各相同性导热材料。
该技术方案的优点是：储热材料的储热量相当大，与传统的散热方式相比，可以有效降低电子产品芯片温度3～4度，降低电子产品表面温度5～6度，有效促进了电子产品的高速发展。
再有，现有技术:2：CN 103545273 B公开了一种储能散热片，包括金属层，在金属层的一个侧面上涂覆有导热硅胶层，在金属层的另一个侧面上涂覆有相变材料层。一种储能散热片的制备方法，包括以下步骤：先将金属层刮涂上一层导热硅胶，隧道炉完全硫化后，在金属层的另外一面热刮涂上一层相变材料，冷却后即得到储能散热片。
该技术方案所述的储能散热片结合金属的优异导热性、导热硅胶的优异柔韧性和可压缩性、相变材料的相变储能特性，使得其能有效的运用界面接触，获得优异的导热、散热性能，同时在元器件高速运转时，能够将产生的大量热先储存起来，不至于影响芯片的工作。
发明内容
本发明设计目的是：为解决传统的散热器对电子产品进行散热降温不能满足现在高集成度、高发热量产品散热需求的问题，我们研发并提出一种导热储热复合材料及其制备方法，其改变了传统的电子产品降温思路，将普通的电子产品散热的方式改为将电子产品的热量先进行相变储能，再进行热量传导，从而降低电子产品的温度。具有良好的储热性与热传导性、减震、抗冲击，充分满足现有诸多散热产品对高导热性能的导热材料的强烈需求。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种导热储热复合材料，依次包括导热硅胶层、金属层和相变材料层。
所述导热硅胶层由按重量份计的以下原料制备而成：
优选的，所述导热硅胶层的导热系数为2～5W/mk，导热硅胶层的厚度为0.08～0.18mm。
优选的，所述交联剂为含氢有机聚硅氧烷，优选甲基含氢硅油，其分子中具有至少两个硅氢键，且硅氢键的位置可以是侧基或同时位于分子末端和侧链上，优选位于侧链上。优选的交联剂含氢量为0.01％～0.3％(质量)，在25℃的黏度为30～1500mPa·s，更优选为50～ 900mPa·s。
所述金属层为铜箔、银箔或金箔，优选的其厚度为0.02～0.08mm。
所述相变材料层由按重量份计的以下原料制备而成：
所述聚异丁烯优选高粘度聚异丁烯，粘度范围为200～1800mPa·s。
优选的，所述相变蜡选自微米级颗粒状或微米级切片状的石蜡、微晶蜡、棕榈蜡、白石蜡其中的一种或多种的混合物，所述相变蜡的相变温度范围为45.1～46.5℃，焓值范围为 195～220KJ/kg。
所述导热填料选自微米级无机氮化物粉末、微米级无机氧化物粉末、微米级金属单质粉末中的至少一种，优选氧化铝、氧化锌、氮化硼、氮化铝、氮化硅和铝粉中的一种或两种以上的混合物。
优选的，所述相变材料层的导热系数为2.5～3.8W/mk，相变温度为45～46℃，相变材料层的厚度为0.18～0.28mm。
进一步地，所述分散剂为失水山梨糖醇脂肪酸酯、聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯的混合物，二者摩尔比为1:1～1：1.5。
下面提供一种导热储热复合材料的制备方法，包括以下工艺步骤：
步骤1)：准备原料：a、取一块金属箔(铜箔或金箔或银箔)，b、取导热硅胶基料，c、取相变材料基料；
步骤2)：将步骤1)中的导热硅胶基料均匀涂覆于金属箔的一侧的外表面上，放置于隧道炉中进行硫化，硫化完成后，形成导热硅胶层；
步骤3)：将步骤1)中的相变材料基料均匀热涂覆于金属箔的另一侧的外表面上，控制热涂覆的温度为80～90℃，形成相变材料层；最终得到导热储热复合材料。
进一步地，在步骤2)中，硫化的过程依次经过四个温度区进行硫化，分别为：100℃、 120℃、120℃、135℃，每个温度区的硫化时间均为5分钟。经过此步骤，能够让导热硅胶固化成型，同时使得导热硅胶能够在固化过程中与金属箔牢牢贴覆。
制备合格的导热储热复合材料，其产品性能参数如下：
参数 测试参考 范围 单位
导热系数Thermal Conductivity ASTM D5470 45～215 W/m*k
厚度Thickness ASTM D374 ≤0.6 mm
耐温范围Continuous Use Temp ASTM B114 -45～360 ℃
密度Density ASTM D792 —— g/cm3
体积电阻率Resistance ASTM D257 ≤10.2x1014 Ω·cm
介电常数Permittivity ASTM D150 6±0.1 C^2/(N*M^2)
热阻 ASTM D5470 ≤0.45 ℃/W
拉伸强度 ASTM D412 ≥23 MPa
撕裂强度 ASTM D624 ≥26 MPa
击穿电压Breakdown Voltage ASTM D149 ≥12.0 KV/mm
另外，作为一种导热储热复合材料的用途，本发明提出一种以该导热储热复合材料为基础的导热储热散热装置，包括导热硅胶层、金属层和相变材料层，还包括最外侧设有的散热鳍片，所述导热硅胶层与热源界面接触，所述散热鳍片将所述相变材料层封装在内部，所述金属层与所述散热鳍片牢固贴合。
进一步地，所述散热鳍片上部可设有抽热风扇。
本发明带来的有益效果是：
1.该导热储热复合材料借助相变储能传导技术,利用相变材料物态的转变进行能量的储存和释放，其优点是储能密度大，温度近似恒定，其达到一定相变温度发生相变的性能(即在电子产品温度升高后发生相变化)，可实现相变化温度传导，快速降温；
2.该导热储热复合材料具有优异的散热性：由于金属层为金属铜箔或者银箔或者金箔，均具有超高的导热性能，其导热率可持续维持在54-215w/mk。铜的导热系数达到380w/mk，金的导热系数高达317w/mk，甚至银的导热系数高达429w/mk，均具有强大的散热功能。从而使得本发明的导热储热复合材料具有很好的散热性；
3.该导热储热复合材料具有优异的可压缩性：由于金属层表面附着有导热硅胶层，导热硅胶层为弹性体，具有很好的柔韧性和可压缩性，其最大压缩比可达70％；使得材料与热源界面接触的时候，大大减小了材料与热源的接触热阻，同时可以与热源的不规则表面紧密接触，能将热量很好的从热源端传递到金属表面。
4.该导热储热复合材料具有储能性：金属层表面附着的相变材料层具有从固相到液相的相转变性能，在相变过程中将吸收大量的潜热，能够较好地解决短时、周期性工作的大功率元器件或受周期性和间歇性热流密度影响设备的温度控制问题。
5.综合以上优点：本发明提出的导热储热复合材料，结合金属的优异导热性、导热硅胶的优异柔韧性和可压缩性、相变材料的相变储能特性，使得其能有效的与热源界面接触，获得优异的导热、散热性能，同时在元器件高速运转时，能够将产生的大量热先储存起来，不至于影响芯片的工作。它可以广泛应用于智能手机、平板电脑等的芯片和外壳散热器之间散热，也可运用于手机后背外壳和金属手机套之间的散热。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明所述导热储热散热装置的结构示意图；
图2为本发明所述散热鳍片与所述抽热风扇的结构示意图；
其中，1-导热硅胶层，2-金属层，3-相变材料层，4-散热鳍片，5-抽热风扇。
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案以具体实施例方式进行清楚、完整地描述。
实施例1：
本实施例提供一种导热储热复合材料，依次包括导热硅胶层、金属层和相变材料层。
所述导热硅胶层由按重量份计的以下原料制备而成：
进一步的实施方案是，所述导热硅胶层的厚度为0.12mm。
进一步的实施方案是，所述交联剂(甲基含氢硅油)在25℃的黏度为780～800mPa·s。
所述金属层为铜箔，其厚度为0.06mm。
所述相变材料层由按重量份计的以下原料制备而成：
所述高粘度聚异丁烯的粘度范围为600～1200mPa·s。
进一步的实施方案是，所述相变蜡选自微米级颗粒状石蜡、微晶蜡的混合物，所述相变蜡的相变温度范围为46～46.5℃，焓值范围为195～220KJ/kg。
进一步的实施方案是，所述导热填料选自氧化铝、氧化锌的混合物。
进一步的实施方案是，所述相变材料层的导热系数为2.6～3.0W/mk，相变温度为45～46℃，相变材料层的厚度为0.22mm。
下面提供该导热储热复合材料的制备方法，包括以下工艺步骤：
步骤1)：准备原料：a、取一块铜箔，b、取导热硅胶基料，c、取相变材料基料；
步骤2)：将步骤1)中的导热硅胶基料均匀涂覆于铜箔的一侧的外表面上，放置于隧道炉中进行硫化，硫化完成后，形成导热硅胶层；
步骤3)：将步骤1)中的相变材料基料均匀热涂覆于铜箔的另一侧的外表面上，控制热涂覆的温度为80～90℃，形成相变材料层；最终得到导热储热复合材料。
进一步地，在步骤2)中，硫化的过程依次经过四个温度区进行硫化，分别为：100℃、 120℃、120℃、135℃，每个温度区的硫化时间均为5分钟。经过此步骤，能够让导热硅胶固化成型，同时使得导热硅胶能够在固化过程中与铜箔牢牢贴覆。
实施例2：
本实施例提供一种导热储热复合材料，依次包括导热硅胶层、金属层和相变材料层。
所述导热硅胶层由按重量份计的以下原料制备而成：
进一步的实施方案是，所述导热硅胶层的厚度为0.15mm。
进一步的实施方案是，所述交联剂(甲基含氢硅油)在25℃的黏度为820～850mPa·s。
所述金属层为金箔，其厚度为0.05mm。
所述相变材料层由按重量份计的以下原料制备而成：
所述高粘度聚异丁烯的粘度范围为800～1400mPa·s。
进一步的实施方案是，所述相变蜡选自微米级颗粒状石蜡、微晶蜡的混合物，所述相变蜡的相变温度范围为45.5～46.2℃，焓值范围为195～220KJ/kg。
进一步的实施方案是，所述导热填料选自氮化硼、氮化铝和氮化硅的混合物。
下面提供该导热储热复合材料的制备方法，包括以下工艺步骤：
步骤1)：准备原料：a、取一块金箔，b、取导热硅胶基料，c、取相变材料基料；
步骤2)：将步骤1)中的导热硅胶基料均匀涂覆于金箔的一侧的外表面上，放置于隧道炉中进行硫化，硫化完成后，形成导热硅胶层；
步骤3)：将步骤1)中的相变材料基料均匀热涂覆于金箔的另一侧的外表面上，控制热涂覆的温度为80～90℃，形成相变材料层；最终得到导热储热复合材料。
进一步地，在步骤2)中，硫化的过程依次经过四个温度区进行硫化，分别为：100℃、 120℃、120℃、135℃，每个温度区的硫化时间均为5分钟。经过此步骤，能够让导热硅胶固化成型，同时使得导热硅胶能够在固化过程中与金箔牢牢贴覆。
实施例3：
本实施例提供一种导热储热复合材料，依次包括导热硅胶层、金属层和相变材料层。
所述导热硅胶层由按重量份计的以下原料制备而成：
进一步的实施方案是，所述导热硅胶层的厚度为0.1mm。
进一步的实施方案是，所述交联剂(甲基含氢硅油)在25℃的黏度为750～800mPa·s。
所述金属层为银箔，其厚度为0.07mm。
所述相变材料层由按重量份计的以下原料制备而成：
所述高粘度聚异丁烯的粘度范围为900～1200mPa·s。
进一步地实施方案是，所述相变蜡选自微米级颗粒状微晶蜡、棕榈蜡、白石蜡的混合物，所述相变蜡的相变温度范围为45.2～46℃，焓值范围为198～220KJ/kg。
进一步地实施方案是，所述导热填料选自氧化锌、氮化硼、氮化铝的混合物。
下面提供该导热储热复合材料的制备方法，包括以下工艺步骤：
步骤1)：准备原料：a、取一块银箔，b、取导热硅胶基料，c、取相变材料基料；
步骤2)：将步骤1)中的导热硅胶基料均匀涂覆于银箔的一侧的外表面上，放置于隧道炉中进行硫化，硫化完成后，形成导热硅胶层；
步骤3)：将步骤1)中的相变材料基料均匀热涂覆于银箔的另一侧的外表面上，控制热涂覆的温度为80～90℃，形成相变材料层；最终得到导热储热复合材料。
进一步地，在步骤2)中，硫化的过程依次经过四个温度区进行硫化，分别为：100℃、 120℃、120℃、135℃，每个温度区的硫化时间均为5分钟。经过此步骤，能够让导热硅胶固化成型，同时使得导热硅胶能够在固化过程中与银箔牢牢贴覆。
对比例1：
本对比例选自现有技术2的实施例1：
参照图1，一种储能散热片，包括金属层1，在金属层1的一个侧面上涂覆有导热硅胶层 2，在金属层1的另一个侧面上涂覆有相变材料层3。金属层1为铜箔。
一种储能散热片的制备方法，其依次包括以下工艺步骤：
1)准备原料：a、取一块0.05mm厚的铜箔，b、取导热硅胶基料，c、取相变材料基料；其中，导热硅胶基料由5重量份的甲基乙烯基硅橡胶、15重量份的乙烯基硅胶、20重量份的二甲基硅油、200重量份的球形氧化铝粉、1重量份的含氢硅油、0.5重量份的铂金催化剂混合制备而成。相变材料基料由15重量份的聚异丁烯、10重量份的切片石蜡、74重量份的球形氧化铝粉、0.5重量份的偶联剂、0.5重量份的分散剂混合制备而成。
2)将步骤1)中的导热硅胶基料均匀涂覆于金属层的一侧的外表面上，放置于隧道炉中进行硫化，硫化完成后，形成导热硅胶层；其中，硫化的过程依次经过四个温度区进行硫化，分别为：120℃、130℃、130℃、140℃，每个温度区的硫化时间均为2分钟。导热硅胶层的厚度为0.08mm。
3)将步骤1)中的相变材料基料均匀热涂覆于金属层的另一侧的外表面上，控制热涂覆的温度为70℃，形成相变材料层；从而最终得到储能散热片。
综合以上实施例和对比例的具体方案说明，将经过对应方法制备的产品进行检测获得的性能参数表如下：
参数 实施例1 实施例2 实施例3 对比例1 单位
导热系数 5.25 5.24 5.29 3 W/m*k
厚度(标定) 0.54 0.55 0.52 0.2 mm
耐温范围 -42～+264 -39～+269 -44～+264 -34～+244 ℃
最大压缩比 71％ 71％ 72％ 70％
热阻 0.448 0.446 0.445 0.532 ℃/W
储热量 279 271 278 220 J/g
拉伸强度 14 15 15 11 MPa
撕裂强度 27 27 28 21 MPa
由上述统计数据显示：本发明的导热储热复合材料在各项性能上较现有技术的储能散热片均有大幅度提升，耐温性能均有跨越式的提升。
上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种导热储热复合材料，依次包括导热硅胶层、金属层和相变材料层，其特征在于：
所述导热硅胶层由按重量份计的以下原料制备而成：
所述金属层为铜箔、银箔或金箔；
所述相变材料层由按重量份计的以下原料制备而成：
。
2.如权利要求1所述导热储热复合材料，其特征在于：所述交联剂为含氢有机聚硅氧烷，其分子中具有至少两个硅氢键，且硅氢键的位置可以是侧基或同时位于分子末端和侧链上，优选的交联剂含氢量为0.01％～0.3％(质量)，在25℃的黏度为30～1500mPa·s，更优选为50～900mPa·s。
3.如权利要求1所述导热储热复合材料，其特征在于：所述导热硅胶层的导热系数为2～5W/mk，导热硅胶层的厚度为0.08～0.18mm，所述相变材料层的导热系数为2.5～3.8W/mk，相变温度为45～46℃，相变材料层的厚度为0.18～0.28mm。
4.如权利要求1所述导热储热复合材料，其特征在于：所述金属层厚度为0.02～0.08mm。
5.如权利要求1所述导热储热复合材料，其特征在于：所述相变蜡选自微米级颗粒状或微米级切片状的石蜡、微晶蜡、棕榈蜡、白石蜡其中的一种或多种的混合物，所述相变蜡的相变温度范围为45.1～46.5℃，焓值范围为195～220KJ/kg。
6.如权利要求1所述导热储热复合材料，其特征在于：所述导热填料选自微米级无机氮化物粉末、微米级无机氧化物粉末、微米级金属单质粉末中的至少一种，优选氧化铝、氧化锌、氮化硼、氮化铝、氮化硅和铝粉中的一种或两种以上的混合物。
7.如权利要求1所述导热储热复合材料，其特征在于：所述分散剂为失水山梨糖醇脂肪酸酯、聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯的混合物，二者摩尔比为1:1～1：1.5。
8.如权利要求1所述导热储热复合材料，提出一种导热储热复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下工艺步骤：
步骤1)：准备原料：a、取一块金属箔(铜箔或金箔或银箔)，b、取导热硅胶基料，c、取相变材料基料；
步骤2)：将步骤1)中的导热硅胶基料均匀涂覆于金属箔的一侧的外表面上，放置于隧道炉中进行硫化，硫化完成后，形成导热硅胶层；
步骤3)：将步骤1)中的相变材料基料均匀热涂覆于金属箔的另一侧的外表面上，控制热涂覆的温度为80～90℃，形成相变材料层，最终得到导热储热复合材料。
9.如权利要求8所述导热储热复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤2)中，硫化的过程依次经过四个温度区进行硫化，分别为：100℃、120℃、120℃、135℃，每个温度区的硫化时间均为5分钟。
10.一种导热储热散热装置，包括导热硅胶层、金属层和相变材料层，其特征在于：还包括最外侧设有的散热鳍片，所述导热硅胶层与热源界面接触，所述散热鳍片将所述相变材料层封装在内部，所述金属层与所述散热鳍片牢固贴合，所述散热鳍片上部可设有抽热风扇。
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