CN109777095B - 同时具有高韧性和高导热系数的复合材料、其制备方法、应用以及电子封装材料 - Google Patents

同时具有高韧性和高导热系数的复合材料、其制备方法、应用以及电子封装材料 Download PDF

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Abstract

本发明涉及材料领域，具体而言，涉及一种同时具有高韧性和高导热系数的复合材料、其制备方法、应用以及电子封装材料。同时具有高韧性和高导热系数的复合材料，其包括成纤聚合物制成的纤维、碳纳米纤维和乙烯共聚物，其中，成纤聚合物制成的纤维和乙烯共聚物的质量比为1‑9:1，碳纳米纤维的质量占成纤聚合物制成的纤维和乙烯共聚物总质量的5‑30％。该复合材料不仅仅具有良好的导热系数同时具有良好的韧性。

Description

同时具有高韧性和高导热系数的复合材料、其制备方法、应用 以及电子封装材料
技术领域
本发明涉及材料领域，具体而言，涉及一种同时具有高韧性和高导热系数的复合材料、其制备方法、应用以及电子封装材料。
背景技术
随着科技的发展和社会的进步，对高分子材料的性能提出了更高的要求，例如导热性能。大规模和超大规模集成电路的发展，高效发电机的研究以及电子封装材料的改进，都对高分子材料的导热性能提出了更高的要求。这些机器在运行过程中会产生大量的热，若是散热不及时，热量的累计会降低电机的工作效率，折损仪器的使用寿命。人工智能的兴起，为人类生活提供了更便捷的服务，导热系数直接决定了智能材料在温感方面应用的灵敏性。所以提高聚合物的导热率意义重大。现阶段提高聚合物导热性能的方式是将高导热系数的填料进入聚合物基体中，利用填料在基体中构筑导热通路实现热量的快速传递。虽然引入导热填料可以有效地提高材料的导热性能甚至由于填料本身具有较高的模量甚至会增加材料拉伸强度，但是会使得材料的韧性降低，材料的韧性低是限制其应用的主要因素，低韧性的材料很难满足实际应用的需求，所以对导热复合材料的增韧显得尤为重要。
发明内容
本发明提供了一种同时具有高韧性和高导热系数的复合材料的该复合材料不仅仅具有良好的导热系数同时具有良好的韧性。
本发明提供了一种同时具有高韧性和高导热系数的复合材料的制备方法，该制备方法操作简单，可重复、规模化生产。
本发明提供一种电子封装材料，该电子封装材料导热系数高，能够快速散热，同时韧性好，能够提升该电子密封材料的使用寿命和应用范围。
本发明提供了一种同时具有高韧性和高导热系数的复合材料的应用，进一步扩大了该复合材料的应用范围。
本发明是这样实现的：
一种同时具有高韧性和高导热系数的复合材料，其包括成纤聚合物制成的纤维、碳纳米纤维和乙烯共聚物，其中，成纤聚合物制成的纤维和乙烯共聚物的质量比为1-9:1，碳纳米纤维的质量占成纤聚合物制成的纤维和乙烯共聚物总质量的5-30％。
一种同时具有高韧性和高导热系数的复合材料的制备方法，包括以下步骤：将成纤聚合物制成的纤维、碳纳米纤维和乙烯共聚物混合后热熔挤出。
一种电子封装材料，其通过上述同时具有高韧性和高导热系数的复合材料制备得到。
上述同时具有高韧性和高导热系数的复合材料在集成电路中的应用。
本发明的有益效果是：本发明制备同时具有高韧性和高导热系数的复合材料通过成纤聚合物制成的纤维、碳纳米纤维和乙烯共聚物相互作用产生良好的协同作用，使得得到的复合材料不仅具有良好的导热性能，同时也具有良好的韧性，使得该复合材料可以大规模应用在电子封装等领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为实施例4-13和对比例1-5制备得到的复合材料的导热系数变化图；
图2为对比例6-9制备得到的复合材料的韧性检测结果图；
图3为对比例1-5和实施例4-8制备得到的复合材料的韧性检测结果图；
图4为对比例1-5和实施例9-13制备得到的复合材料的韧性检测结果图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的同时具有高韧性和高导热系数的复合材料、其制备方法、应用以及电子封装材料进行具体说明。
一种同时具有高韧性和高导热系数的复合材料，其包括成纤聚合物制成的纤维、碳纳米纤维和乙烯共聚物，其中，成纤聚合物制成的纤维和乙烯共聚物的质量比为1-9:1，碳纳米纤维的质量占成纤聚合物制成的纤维和乙烯共聚物总质量的5-30％。通过控制成纤聚合物制成的纤维、碳纳米纤维和乙烯共聚物的比例，使得上述物质可以产生良好的协同作用，使得得到的复合材料不仅具有良好的导热性能，同时也具有良好的韧性。
或者碳纳米纤维的质量占所述成纤聚合物制成的纤维和所述乙烯共聚物总质量的10-30％，优选为15-20％。成纤聚合物制成的纤维和所述乙烯共聚物的质量比为2-6:1，优选为7:3或者85:15。进一步控制，成纤聚合物制成的纤维、碳纳米纤维和乙烯共聚物的用量，使得制备得到的复合材料具有更优良的导热性能和韧性。
进一步地，成纤聚合物制成的纤维为聚酰胺制成的纤维、聚丙烯腈制成的纤维或者聚丙烯制成的纤维中的任意一种或者至少两种。
聚酰胺制成的纤维为尼龙-6或者尼龙-66或者尼龙-610中的任意一种或者至少两种；
优选，所述聚丙烯腈制成的纤维为腈纶；
优选，所述聚丙烯制成的纤维为丙纶。
采用上述合成纤维作为复合材料的原料，能够进一步保证制备得到的复合材料具有良好的性能。
进一步地，乙烯共聚物为改性乙烯共聚物，优选为酸酐改性的乙烯共聚物。
进一步地，乙烯共聚物为改性乙烯共聚物，优选为酸酐改性的乙烯共聚物。具体地，本发明实施例中采用的酸酐改性的乙烯共聚物为杜邦公司生产的Fusabond系列的改性乙烯共聚物，例如牌号为杜邦TM
Figure BDA0001946203390000051
N493的产品。
本实施例还提供一种同时具有高韧性和高导热系数的复合材料的制备方法，包括以下步骤：将成纤聚合物制成的纤维、碳纳米纤维和乙烯共聚物混合后热熔挤出。
进一步地，将成纤聚合物制成的纤维、碳纳米纤维和乙烯共聚物在220-240℃的条件下混合5分钟，而后挤出。具体地，将成纤聚合物制成的纤维、所述碳纳米纤维和所述乙烯共聚物按照配方比称量，放入封装袋中，混合均匀，然后倒入220℃-240℃的密炼机中，等到物料全部倒入密炼机中，计时5分钟，使得物料熔融共混，转速设置为40-80rpm。
而后将密炼得到的混合物，在220℃-240℃的模压机上热压成薄片，剪碎，放入碎料机中，打碎成较小尺寸的物料。
将打碎成较小尺寸的物料进行微型注塑，得到标准冲击样条。注塑机的筒温设置为235℃-245℃，模具温度设置为50℃。
本发明实施例还提供一种电子封装材料，其通过上述的同时具有高韧性和高导热系数的复合材料制备得到。该电子密封材料具有良好的导热性能和韧性，使得电子密封材料能够应用在更广的范围。
本发明实施例还提供一种上述同时具有高韧性和高导热系数的复合材料在集成电路中的应用。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1-实施例13
实施例1-实施例13提供的同时具有高韧性和高导热系数的复合材料的原料一致，具体地，成纤聚合物制成的纤维为尼龙-6(编号为PA6)，乙烯共聚物为杜邦公司购买的酸酐改性的乙烯共聚物(编号为N493)以及碳纳米纤维(编号为CNF)。而区别在于原料的用量不同，而各个物料的用量参见表1。
表1各个物料的配比
Figure BDA0001946203390000071
实施例1-实施例13还提供同时具有高韧性和高导热系数的复合材料的制备方法，操作步骤基本一致，区别在于操作条件不同。
具体地，实施例1的制备方法包括以下步骤：将尼龙-6、所述碳纳米纤维和酸酐改性的乙烯共聚物按照配方比称量，放入封装袋中，混合均匀，然后倒入230℃的密炼机中，等到物料全部倒入密炼机中，计时5分钟，使得物料熔融共混，转速设置为60rpm。
而后将密炼得到的混合物，在230℃的模压机上热压成薄片，剪碎，放入碎料机中，打碎成较小尺寸的物料。
将打碎成较小尺寸的物料进行微型注塑，得到标准冲击样条。注塑机的筒温设置为235℃，模具温度设置为50℃。
实施例2的制备方法：混合密炼时温度为220℃，转速为40rpm，模压时温度为240℃，注塑时温度为235℃。
实施例3的制备方法：混合密炼时温度为240℃，转速为80rpm，模压时温度为235℃，注塑时温度为245℃。
实施例4：混合密炼时温度为230℃，转速为70rpm，模压时温度为225℃，注塑时温度为240℃。
实施例5：混合密炼时温度为237℃，转速为50rpm，模压时温度为237℃，注塑时温度为237℃。
实施例6:混合密炼时温度为222℃，转速为45rpm，模压时温度为222℃，注塑时温度为242℃。
实施例7:混合密炼时温度为237℃，转速为75rpm，模压时温度为232℃，注塑时温度为244℃。
实施例8：混合密炼时温度为236℃，转速为65rpm，模压时温度为228℃，注塑时温度为238℃。
实施例9：混合密炼时温度为233℃，转速为58rpm，模压时温度为239℃，注塑时温度为237℃。
实施例10：混合密炼时温度为229℃，转速为72rpm，模压时温度为232℃，注塑时温度为242℃。
实施例11：混合密炼时温度为239℃，转速为53rpm，模压时温度为231℃，注塑时温度为243℃。
实施例12：混合密炼时温度为226℃，转速为68rpm，模压时温度为229℃，注塑时温度为244℃。
实施例13：混合密炼时温度为231℃，转速为66rpm，模压时温度为234℃，注塑时温度为244℃。
实施例14-实施例18
实施例14-实施例18提供的同时具有高韧性和高导热系数的复合材料与实施例1提供的同时具有高韧性和高导热系数的复合材料结构相同，区别在于原料和比例有所不同，具体地采用的原料以及原料的比例参见表2。
表2采用的原料和原料的比例
Figure BDA0001946203390000091
Figure BDA0001946203390000101
对比例1-5：按照表3的原料比例制备复合材料，制备方法和实施例1相同。
表3对比例1-5的原料比例
Figure BDA0001946203390000102
对比例6-9：按照表4的原料比例制备复合材料，制备方法和实施例1相同。
表4对比例6-9的原料比例
Figure BDA0001946203390000103
对实施例4-13和对比例1-9制备得到的复合材料进行韧性检测和导热性能检测，导热系数测试采用仪器为Hot Disk热常数分析仪(TPS 2200，Sweden),遵循国际标准ISO22007-2；采用型号为XC-22Z的悬臂梁冲击试验机对样品进行缺口冲击测试，依照ASTMD256-0.4标准；在进行冲击测试前，先用XQS-V型手动缺口试样机对样品铣出深度为2mm的V型缺口。检测结果参见图1-图4，其中图1为实施例4-13和对比例1-5制备得到的复合材料的导热系数变化图，图2为对比例6-9制备得到的复合材料的韧性检测结果图，图3为对比例1-5和实施例4-8制备得到的复合材料的韧性检测结果图，图4为对比例1-5和实施例9-13制备得到的复合材料的韧性检测结果图。且各个图中的C代表CNF。
根据图1可知，在PA6中引入CNF，可以有效地提高复合材料的导热性。随着CNF含量增加，复合材料的导热系数增加，将CNF含量增加到30wt％时，复合材料的导热系数可以达到2.0W/mK。加入N493用以提高复合材料的韧性，结果表明引入N493并没有对复合材料的导热性能造成过多的损失。当PA6和N493的质量比为7：3时，在CNF含量小于等于20％时，复合材料的导热性能与PA6/CNF相比并没有明显差别，发明人猜测N493的引入会使得体系粘度增加但是对20％的CNF的分散没有造成明显的阻碍。继续增加N493含量为50％，发现样品的导热降低略微明显，但是依然保持在较高的水平，发明人猜测这是因为大量N493的引入，使得复合材料的粘度增加，影响了填料在聚合物中的良好分散。对于PA6/CNF30的样品而言，引入30份的弹性体时，导热性能降低较多。将30％的CNF加入PA6中，导热效果增加明显，推测材料内部形成了导热网络，在此基础上引入N493会阻碍CNF导热网络的搭建，导致导热性能降低，但是导热系数依然达到了1.5W/mK。
根据图2可知，当PA6和N493的质量比为34:6时，材料实现了脆韧转变。当PA6：N493的质量比为9:1时,样品的冲击强度依然很低，当PA6：N493的质量比为34:6时，样品的韧性增加明显甚至出现了无法冲断的情况，继续P6A：N493的质量比为4:1和7:3，发现样品都无法被冲断，说明N493对于PA6的增韧效果明显，当PA：N493的质量比从9:1增加至34:6时，样品出现了脆韧转变。
而根据图3和图4可知，当PA6和N493的质量比为7:3时，样品的冲击强度增加明显，只有CNF含量为30％的样品被冲断，但是冲击强度依然为29.34KJ/m2，则其他未被冲断的样品的冲击强度远远高于29.34KJ/m2，这时的样品已具备优异的冲击强度并且样品的导热系数并没有因为增韧剂的加入而明显降低。根据图4，当增加PA6和N493的质量比为5:5,全部的样品都无法被冲断，表明PA6/CNF/N50的样品具有非常优异的韧性，其真实冲击强度远远高于50KJ/m2。与此同时样品依然保持高的导热系数，所以本发明成功制备了高导热系数及高韧性的PA6导热复合材料。
综上所述，本发明制备同时具有高韧性和高导热系数的复合材料通过成纤聚合物制成的纤维、碳纳米纤维和乙烯共聚物相互作用产生良好的协同作用，使得得到的复合材料不仅具有良好的导热性能，同时也具有良好的韧性，使得该复合材料可以大规模应用在电子封装领域。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种同时具有高韧性和高导热系数的复合材料，其特征在于，其包括成纤聚合物制成的纤维、碳纳米纤维和乙烯共聚物，其中，所述成纤聚合物制成的纤维和所述乙烯共聚物的质量比为7:3，所述碳纳米纤维的质量占所述成纤聚合物制成的纤维和所述乙烯共聚物总质量的15-20％；
所述成纤聚合物制成的纤维为聚酰胺制成的纤维；
所述聚酰胺制成的纤维为尼龙-6或者尼龙-66或者尼龙-610中的任意一种或者至少两种；
所述乙烯共聚物为酸酐改性的乙烯共聚物。
2.一种权利要求1所述的同时具有高韧性和高导热系数的复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将所述成纤聚合物制成的纤维、所述碳纳米纤维和所述乙烯共聚物混合后热熔挤出。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，混合后热熔挤出是将所述成纤聚合物制成的纤维、所述碳纳米纤维和所述乙烯共聚物在220-240℃的条件下混合5分钟，而后挤出。
4.一种电子封装材料，其特征在于，其通过权利要求1所述的同时具有高韧性和高导热系数的复合材料制备得到。
5.权利要求1所述的同时具有高韧性和高导热系数的复合材料在集成电路中的应用。
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