CN109971179A - 导热复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种导热复合材料，包括：基体，具有导热通路结构的导热填料，其中该具有导热通路结构的导热填料在该基体中排列，优选至少一定程度有序排列，更优选有序定向排列。本发明还涉及所述导热复合材料的制备方法及其用途。
Description
技术领域
本发明的一般领域涉及导热复合材料及其制备与应用的技术领域。本发明进一步涉及包含具有导热通路结构的导热填料的复合材料，尤其是有机硅复合材料。
例如，对于有机硅复合材料来说，通过在有机硅胶中填入具有导热通路结构的导热填料来制备新型的高导热有机硅复合材料，从而提高有机硅材料的热导性能，扩大其在电子器件的散热等领域中的应用。
背景技术
有机硅材料具有优异的柔韧性、耐候性、耐高低温性、抗疲劳性等机械性能以及优异的电气绝缘、耐臭氧、耐辐射、难燃、憎水、耐腐蚀、无毒无味以及生理惰性等。特别是在极限条件下，有机硅材料的性能优异，在多次温度交变下，其性能也不受影响。现在，有机硅已被广泛地用于电子电气、建筑、纺织、轻工、医疗等各行业，并在汽车行业中有着广泛的应用。
随着电子技术的发展，电子产品越来越向小型化的方向发展。功率密度越来越高，人们对材料的散热性能要求也越来越高。导热型有机硅材料是电子器件热管理的一种关键材料，被广泛的应用于电子器件的散热。但是，由于有机硅材料本身的性能，其本身的导热率非常低，因此一般要对有机硅材料进行一些处理以提高其导热率。
目前提高有机硅材料的导热率的主要方式是向有机硅胶基体中填入高导热的无机填料。所述填料通常可以是Al2O3、ZnO、CaO、MgO、BeO等高导热率的氧化物；AlN、BN等高导热率的氮化物；SiC，B4C3等碳化物；Au、Ag、Cu等高导热金属；碳纤维、碳纳米管、石墨烯等高导热碳材料。通过向有机硅基体中填充高导热材料可以提高材料的导热率，但是这样做的缺点在于如果填料质量分数过少，无法有效地提高材料的导热率，如果填料分数过高又易导致材料的机械性能降低。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有高导热率复合材料(尤其是有机硅复合材料)存在的问题而提出一种新型的包含具有导热通路结构的导热填料的复合材料的设计及其制备方法。
本发明通过在基体材料中引入具有导热通路结构的导热填料而改善了所述材料的导热性能和机械性能。所述导热填料可以是能够形成导热通路结构的任何形式，例如可以为片状、网络状、块状或不规则状等的形式。优选地，所述导热填料为至少一定程度有序排列的，以更好地满足希望的导热要求。
例如，通过将具有网络结构的导热填料进行排列，优选至少一定程度有序排列，使其能够在较低填料含量下形成良好的、连续的导热网络，以简单地方式实现在特定方向的高效热传导，且最大程度地保留了基体材料的机械性能。与现有技术相比，本发明具有填料含量低、导热率高、机械性能好等优点。
具体地，本发明涉及一种导热复合材料，其特征在于，该复合材料包括：
基体，
具有导热通路结构的导热填料，优选预先制备的具有导热通路结构的导热填料，
其中该具有导热通路结构的导热填料在该基体中排列，优选至少一定程度有序排列，更优选有序定向排列。
在一种实施方案中，所述导热填料可为金属或非金属材料。
在另一种实施方案中，所述导热复合材料可为高导热率复合材料，和/或所述填料可为：
-具有高导热率的金属材料，优选选自金、银、铝、镍或铜等，
-具有高导热率的非金属材料，优选选自高导热氧化物如Al2O3、ZnO、CaO、MgO、BeO等；
-高导热氮化物，优选选自AlN、BN等；
-高导热碳化物，优选选自SiC，B4C3；
-高导热碳材料，优选选自碳纤维、碳纳米管、石墨烯等。
在又一种实施方案中，所述基体是聚合物材料的，例如选自有机聚合物材料和无机聚合物材料，特别优选选自有机硅、环氧树脂、聚氨酯、聚烯烃、聚酰胺等材料，最优选有机硅材料。
根据一种实施方案，所述导热填料为片状、网络状、块状或不规则状的形式，优选为规则排列的导热网络的形式。
根据又一种实施方案，所述基体在常温下为固态或液态。
根据再一种实施方案，所述基体具有一定的柔软性和弹性。
根据另一种实施方案，所述导热填料、优选高导热填料的质量分数为0.2％-90％，优选1％-50％，相对于所述导热复合材料的总质量计。
本发明还涉及用于制备如上定义的导热复合材料的方法，包括以下步骤：
1)将加工好的具有导热通路结构的导热填料放入模具中；
2)将基体材料浇注到模具中，直到导热填料被全部浸没；并且任选地，对所得中间产品进行真空处理；
3)使基体材料固化，例如通过将所得中间产品放在室温或烘箱或紫外光照环境中的方式来进行；并且
4)切割所得中间产品，以使具有导热通路结构的导热填料暴露出来，从而制得导热复合材料。
更特别地，例如参见附图2所示，用于制备导热复合材料的方法包括以下步骤：
1)将加工好的导热网络放入模具中，逐层叠加，使导热网络松散排列；
2)将有机硅材料如PDMS浇注到模具中，直到导热网络被全部浸没，并且进行真空处理；
3)将样品放在烘箱中，使基体固化；
4)将样品沿着垂直于导热网络平面的方向切割，使网格暴露出来，从而制得导热复合材料；
所述导热复合材料是高导热复合材料。
高导热网络填料可以是金属网和非金属无机材料，如金属网络、金属碳化物网络、金属氧化物网络、碳化物网络、碳纤维网络等。
在上述步骤3)中，所述固化可通过本领域技术人员已知的方式来实施。在基体材料为有机硅材料的情况下，所述有机硅材料的固化例如可以是加成型液体有机硅的固化、缩合型有机硅的交联固化，过氧化物固化型有机硅的固化，紫外固化型有机硅的固化等。
本发明还涉及如上定义的导热复合材料的用途，尤其用在电子电气、建筑、纺织、轻工、医疗、汽车等领域中。
附图说明
附图1示出了根据本发明的导热复合材料的示意简图；
附图2涉及根据本发明的导热复合材料样品的制备示意简图，其中基体材料采用包含PDMS(聚二甲基硅氧烷)的有机硅体系材料作为实例进行说明；
附图3是以铜网为填料的样品照片。
具体实施方式
可通过以下实施例的说明来更好地理解本发明的特点和益处，但所述实施例并不意图以任何方式限制本发明。
实施例1：
1)将切好的铜网(1cm×1cm，200目，纯度99.8％，线径0.05cm)堆放在一起，形成20层块，放在容器内；
2)将液态有机硅注入容器中，直至铜网全部浸没。将容器抽真空，使其中的气泡排出；
3)将材料放置在烘箱中，在60℃下固化2小时。
4)在有机硅完全固化后，将上述材料切断，使铜网暴露于外部。
将所制备的复合材料切成10×10×5mm的块而制成样品。将样品在耐驰公司的LFA447中测量扩散系数。测定了热容量和密度。结果如下：
以铜网为填料的样品例如可参见附图3所示的照片。
实施例2：
1)将切好的镍网(1cm×1cm，200目，纯度99.8％，线径0.05mm)堆放在一起，形成20层块，放在容器内。
2)将液态有机硅注入容器中，直至镍网全部浸没。将容器抽真空，使其中的气泡排出；
3)将材料放置在烘箱中，在60℃下固化2小时。
4)在液态有机硅完全固化后，将上述材料切断，使镍网暴露于外部。
将所制备的复合材料切成10×10×5mm的块而制成样品。将样品在耐驰公司的LFA447中测量扩散系数。测定了热容量和密度。结果如下：
实施例3：
1)将切好的铜网(1cm×1cm，200目，纯度99.8％，线径0.05mm)放置在200℃的加热台上2-3分钟，使其表面氧化，令其绝缘；
2)将氧化处理好的铜网堆放在一起，形成20层块，放在容器内。
3)将与凝固剂混合的PDMS注入容器中，直至铜网全部浸没。将容器抽真空，使其中的气泡排出；
4)将材料放置在烘箱中，在60℃下固化2小时。
5)在PDMS完全固化后，将上述材料切断，使铜网暴露于外部。
将所制备的复合材料切成10×10×5mm的块而制成样品。将样品在耐驰公司的LFA447中测量扩散系数。测定了热容量和密度。结果如下：
Claims (11)
1.一种导热复合材料，其特征在于，该复合材料包括：
基体，
具有导热通路结构的导热填料，优选预先制备的具有导热通路结构的导热填料，
其中该具有导热通路结构的导热填料在该基体中排列，优选至少一定程度有序排列，更优选有序定向排列。
2.根据权利要求1所述的导热复合材料，其特征在于，所述导热填料为金属或非金属材料。
3.根据上述权利要求任一项所述的导热复合材料，其特征在于，所述导热复合材料为高导热率复合材料，和/或所述填料例如为：
-具有高导热率的金属材料，优选选自金、银、铝、镍或铜，
-具有高导热率的非金属材料，优选选自高导热氧化物如Al2O3、ZnO、CaO、MgO、BeO；
-高导热氮化物，优选选自AlN、BN；
-高导热碳化物，优选选自SiC，B4C3；
-高导热碳材料，优选选自碳纤维、碳纳米管、石墨烯。
4.根据上述权利要求任一项所述的导热复合材料，其特征在于，所述基体是聚合物材料的，例如选自有机聚合物材料和无机聚合物材料，特别优选选自有机硅、环氧树脂、聚氨酯、聚烯烃、聚酰胺等材料，最优选有机硅材料。
5.根据上述权利要求任一项所述的导热复合材料，其特征在于，所述导热填料为片状、网络状、块状或不规则状的形式，优选为规则排列的导热网络的形式。
6.根据上述权利要求任一项所述的导热复合材料，其特征在于，所述基体在常温下为固态或液态。
7.根据上述权利要求任一项所述的导热复合材料，其特征在于，所述基体具有一定的柔软性和弹性。
8.根据上述权利要求任一项所述的导热复合材料，其特征在于，所述导热填料、优选高导热填料的质量分数为0.2％-90％，更优选1-50％，相对于所述导热复合材料的总质量计。
9.用于制备根据权利要求1-8任一项所述的导热复合材料的方法，包括以下步骤：
1)将加工好的具有导热通路结构的导热填料放入模具中；
2)将基体材料浇注到模具中，直到导热填料被全部浸没；并且任选地，对所得中间产品进行真空处理；
3)使基体材料固化，例如通过将所得中间产品放在室温或烘箱或紫外光照环境中的方式来进行；并且
4)切割所得中间产品，以使具有导热通路结构的导热填料暴露出来，从而制得导热复合材料。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述基体材料为有机硅材料，所述有机硅材料的固化例如是加成型液体有机硅的固化、缩合型有机硅的交联固化，过氧化物固化型有机硅的固化，紫外固化型有机硅的固化。
11.根据权利要求1-8任一项所述的导热复合材料的用途，尤其用在电子电气、建筑、纺织、轻工、医疗、汽车领域中。
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