CN109111742A - 一种计算机cpu用导热硅脂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于导热硅脂技术领域，具体涉及一种计算机CPU用导热硅脂及其制备方法。本发明首次采用丙烯酸基‑笼形聚倍半硅氧烷对导热填料进行包覆，与有机硅油基底材料和1‑烯丙基‑3‑甲基氯化咪唑组成了一种高热导率的导热硅脂组合物；本发明导热硅脂成分和制备方法简单，热导率高，可满足大型计算机CPU对热导率的要求。

Description

一种计算机CPU用导热硅脂及其制备方法
技术领域
本发明属于导热硅脂技术领域，具体涉及一种计算机CPU用导热硅脂及其制备方法。
背景技术
近年来，随着科学技术的发展，集成电路的密集化及微型化程度越来越高，电子元器件不断变小并且以更快的速度运行，功率密度不断增加，计算机等电子仪器在单位面积内会产生更多的热量。据统计，由于过热引起的CPU失效占CPU失效总数的55％，而且，工作温度每升高10％，可靠性就降低50％。
由此开发出许多散热技术和散热材料，其中热界面材料因为能有效降低发热源和散热器之间的界面热阻而得到广泛应用，并衍生出很多品种，导热硅脂就是其中一种。根据应用环境的不同，硅脂又分为导电导热型和绝缘导热型，主要区别在于其填充的粉体颗粒本身是否导电。由于硅脂往往比散热器还接近热源，其耐热性能的好坏直接决定了系统的寿命和可靠性。
为了提高导热硅脂组合物的热导率通常采用提高导热硅脂组合物中固含量，但是现有导热硅脂组合物的固含量已达到90％，所以单纯从提高固含量方面来提高导热硅脂组合物的热导率已经没有提升空间。清华大学陈克新等人(CN 101294067 B)中采用硅烷偶联剂在导热粉体的表面进行包覆制备出导热硅脂组合物，虽然在一定程度上解决了单纯提高导热硅脂组合物固含量无法提升热导率的缺陷，但是该方法制备出的导热硅脂组合物的热导率最高仅为6.9W/(m·K)。
人工智能和大数据时代对计算机CPU的散热性能要求不断提高，所以开发热导率更高的导热硅脂对于人工智能和大数据发展具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种高热导率的导热硅脂，本发明首次采用丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷对导热填料进行包覆，与有机硅油基底材料和1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑组成了一种高热导率的导热硅脂组合物；本发明导热硅脂成分和制备方法简单，热导率高，可满足大型计算机CPU对热导率的要求。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种计算机CPU用导热硅脂，所述计算机CPU用导热硅脂按重量百分比计算由以下成分组成：基底材料10.0％wt-60％wt，1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑0.1％wt-0.5％wt，余量为丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的导热填料；本发明采用丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷对导热填料进行包覆，增强了导热填料与基底材料的相容性，提高了导热硅脂体系热导率；
所述基底材料为二甲基硅油、环氧改性硅油、乙烯基硅油、苯甲基硅油、羟基硅油、甲基长链烷基硅油中的至少一种；
所述导热填料为金刚石、氧化铝、氧化锌、氮化铝、碳化硅、氮化硼中的至少一种；导热填料种类对导热硅脂热导率起着主要作用，不同填料种类热导率不同；
所述丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的导热填料是由以下制备方法制备：将导热填料和丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷分散于乙腈溶液中超声，然后加入硫酸亚铁和过硫酸钾于70-80℃下反应16-18h后降温至室温过滤、乙醇淋洗后干燥得丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的导热填料；本发明采用硫酸亚铁和过硫酸钾为引发剂形成自由基作用于导热填料上，然后与丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷发生聚合，最终在导热填料上形成丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷的包覆层；
优选的，所述丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的导热填料制备过程中按重量比计算，导热填料：丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷＝1:0.3-0.5；本发明通过调节丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷的加入量从而调节包覆层的厚度，试验证实加入的丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷大于导热填料重量的0.8时，导热硅脂的热导率骤降，可能是由于丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆量过多时导致包覆层过厚，反而影响热量在导热填料之间的传递；
优选的，所述丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的导热填料为丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的氧化铝、丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的氮化铝或丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的碳化硅；本发明采用丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷对导热填料进行包覆，包覆后大多数导热填料制备出导热硅脂的热导率有所提高，尤其是采用氧化铝、氮化铝和碳化硅作为导热填料时，更进一步优选为丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的氮化铝；
优选的，当丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的导热填料为丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的氮化铝时，所述基底材料为苯甲基硅油；按照重量百分比计算，苯甲基硅油为40％wt-45％wt，1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑0.1％wt-0.5％wt，余量为丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的氮化铝；导热填料填充量对导热硅脂的热导率影响比较明显，导热填料填充量少，填料粒子均匀地分散在苯甲基硅油中，处于悬浮状态，但是粒子之间无相互接触，而热量的传递主要通过导热填料来传递，因而不能形成导热通路，对热导率贡献不大；本发明控制基底材料苯甲基硅油为40％wt-45％wt时，导热硅脂的热导率较高。
根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种计算机CPU用导热硅脂的制备方法，将丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的导热填料、基底材料和1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑均质后超声即得，具体步骤为：取丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的导热填料和基底材料置于均质机中于6000-8000rpm的转速下均质30-60min，然后降低转速至3000-4000rpm加入1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑均质10-20min，最后置于超声波反应器中超声12h以上得本发明所述计算机CPU用导热硅脂。
本发明首次报道了采用丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷对导热填料进行包覆制备导热硅脂，与现有技术相比本发明具有如下有益效果：
1)本发明首次采用丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷对导热填料进行包覆制备导热硅脂，大大提高了导热硅脂的热导率；
2)本发明制备导热硅脂的步骤简单，仅通过均质和超声即可完成；
3)本发明通过对基底材料和导热填料筛选最终确定以氮化铝为导热填料、以苯甲基硅油为基底材料，严格控制二者的比例，制备出的导热硅脂其热导率可高达7.92W/(m·K)。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。
本发明实施例所用丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷来自于西安莱茵生物科技有限公司，目录号为POSS021，CAS号为1620202-27-8，分子式为(C6H9O2)n(SiO1.5)n，n＝8,10,12，即为三者的混合物，为无色液体。
热导率测试：采用型号为DRL-III-P的导热系数测试仪利用热流法测试本发明不同实施例制备出导热硅脂的热导率，测试标准为MIL-I-49456A。
实施例1
一、制备丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的导热填料：
将10.0g导热填料(平均粒径为20μm)和5.0g丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷分散于50ml乙腈溶液中超声10-15min，然后加入0.3g硫酸亚铁和0.6g过硫酸钾于70-80℃下反应16-18h后降温至室温过滤、乙醇淋洗后90℃下减压干燥至恒重得丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的导热填料。
二、制备导热硅脂
取10.0g丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的导热填料和10.0g二甲基硅油置于均质机中于6000-8000rpm的转速、20-30℃下均质30-60min，然后降低转速至3000-4000rpm加入0.04g 1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑均质10-20min，最后置于超声波反应器中20-30℃下超声14h得本发明所述计算机CPU用导热硅脂，对不同导热填料制备的导热硅脂进行热导率测试，结果见表1所示，并采用未经丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的导热填料作为对比实施例：
表1不同导热填料制备导热硅脂的热导率
以上结果表明，丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的不同导热填料制备出的导热硅脂的热导率大都在不同程度上得到了提高，尤其是导热填料为氧化铝、氮化铝和碳化硅时；氧化锌和氮化硼包覆前后热导率提高不明显。
实施例2
本发明选定丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的氮化铝作为导热填料，对基底材料的种类做了进一步筛选，步骤如下：
取10.0g丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的氮化铝(平均粒径粉碎至20μm)和10.0g不同种类的基底材料置于均质机中于6000-8000rpm的转速、20-30℃下均质30-60min，然后降低转速至3000-4000rpm加入0.04g 1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑均质10-20min，最后置于超声波反应器中20-30℃下超声13h得本发明所述计算机CPU用导热硅脂，对不同基底材料制备的导热硅脂进行热导率测试，结果见表2所示：
表2基底材料对导热硅脂热导率的影响
实施例3
在选定丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的氮化铝作为导热填料、苯甲基硅油作为基底材料后，本发明对组分的配比做了优化，以期能够提高导热硅脂的热导率，方法如下：
取丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的氮化铝(平均粒径粉碎至20μm)和苯甲基硅油置于均质机中于6000-8000rpm的转速下均质30-60min，然后降低转速至3000-4000rpm加入1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑均质10-20min，最后置于超声波反应器中超声16h得本发明所述计算机CPU用导热硅脂，对重量配比原料制备的导热硅脂进行热导率测试，结果见表3所示：
表3物料配比对热导率的影响
以上结果表明，导热填料填充量对导热硅脂的热导率影响比较明显，导热填料填充量少，填料粒子均匀地分散在苯甲基硅油中，处于悬浮状态，但是粒子之间无相互接触，而热量的传递主要通过导热填料来传递，因而不能形成导热通路，对热导率贡献不大；本发明控制基底材料苯甲基硅油为40％wt-45％wt时，导热硅脂的热导率较高；另外少量离子液体1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑的加入可以增强导热硅脂的热导率，具备一定的增效作用。
实施例4
现有技术“CN 101294067 B”和“大功率LED散热用导热硅脂的制备与性能研究，重庆大学硕士学位论文，2011年5月”均报道了导热填料的粒径对导热硅脂的热导率具有一定的影响，本发明固定丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的氮化铝(54.7wt％)、苯甲基硅油(45.0wt％)、1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑(0.3wt％)的配比，研究丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的氮化铝粒径对热导率的影响，结果如表4所示：
表4导热填料的粒径对导热硅脂热导率的影响
平均粒径/μm 热导率W/(m·K)
1.0 7.09
10.0 7.92
20.0 7.32
30.0 7.22
40.0 7.41
50.0 6.12
注：本发明是通过控制氮化铝的平均粒径来控制最终丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的氮化铝的粒径，且以氮化铝的平均粒径代表最终包覆后的粒径。
以上结果表明随着导热填料粒径的减小，热导率有所提升，但平均粒径为1μm时，热导率反而下降；导热填料粒径较小，尽管填充比较致密，但是热传导的微观粒子在单位长度内需通过的基底材料-导热填料界面增多，界面使微观粒子的散射严重，体系的热导率降低。
尽管已经详细描述了本发明的实施方式，但是应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明的实施方式做出各种改变、替换和变更。

Claims (9)

1.一种计算机CPU用导热硅脂，其特征在于：所述计算机CPU用导热硅脂按重量百分比计算由以下成分组成：基底材料10.0%wt-60%wt，1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑0.1%wt-0.5%wt，余量为丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的导热填料；
所述基底材料为二甲基硅油、环氧改性硅油、乙烯基硅油、苯甲基硅油、羟基硅油、甲基长链烷基硅油中的至少一种；
所述导热填料为金刚石、氧化铝、氧化锌、氮化铝、碳化硅、氮化硼中的至少一种；导热填料种类对导热硅脂热导率起着主要作用，不同填料种类热导率不同。
2.根据权利要求1所述的计算机CPU用导热硅脂，其特征在于：所述丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的导热填料是由以下制备方法制备：将导热填料和丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷分散于乙腈溶液中超声，然后加入硫酸亚铁和过硫酸钾于70-80℃下反应16-18h后降温至室温过滤、乙醇淋洗后干燥得丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的导热填料。
3.根据权利要求2所述的计算机CPU用导热硅脂，其特征在于：所述丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的导热填料制备过程中按重量比计算，导热填料：丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷=1:0.3-0.5。
4.根据权利要求3所述的计算机CPU用导热硅脂，其特征在于：所述丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的导热填料为丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的氧化铝、丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的氮化铝或丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的碳化硅。
5.根据权利要求4所述的计算机CPU用导热硅脂，其特征在于：所述丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的导热填料为丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的氮化铝。
6.根据权利要求5所述的计算机CPU用导热硅脂，其特征在于：所述基底材料为苯甲基硅油。
7.根据权利要求6所述的计算机CPU用导热硅脂，其特征在于：按照重量百分比计算，苯甲基硅油为40%wt-45%wt，1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑0.1%wt-0.5%wt，余量为丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的氮化铝。
8.一种权利要求1-7任一项所述计算机CPU用导热硅脂的制备方法，其特征在于：将丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的导热填料、基底材料和1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑均质后超声所得。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：具体步骤为：取丙烯酸基-笼形聚倍半硅氧烷包覆的导热填料和基底材料置于均质机中于6000-8000rpm的转速下均质30-60min，然后降低转速至3000-4000rpm加入1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑均质10-20min，最后置于超声波反应器中超声12h以上得本发明所述计算机CPU用导热硅脂。
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