CN110591658A - 通道式柔性复合材料高导热体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

通道式柔性复合材料高导热体，该导热体设有多个由柔性丝状或片状高导热材料构建的导热通道，导热材料为碳纤维、铜、金、银中的一种或多种的组合，所述导热通道由树脂固定，树脂中填充有导热粉体，导热粉体与树脂的重量比为5：1～9：1。本发明还提供了一种通道式柔性复合材料高导热体的制备方法。本发明可根据导热需求进行导热通道的构建，通过柔性高导热材料分布的密度的大小来控制导热体的导热系数，同时柔性高导热材料又能够提升复合材料的力学性能。此外，由于碳纤维丝等柔性高导热材料为整体不中断的结构，内部不存在接触热阻，在树脂中相当于热量传输的高速公路，以提高传热效率。

Description

通道式柔性复合材料高导热体及其制备方法
【技术领域】
本发明涉及一种导热体，特别是涉及一种具有导热效果好、力学性能佳的通道式柔性复合材料高导热体及其制备方法。
【背景技术】
随着科技的发展，技术及工艺的进步使芯片等器件的集成度越来越高，相应的热流密度也越来越大。而高温对芯片的性能会产生极其有害的影响，研究表明，芯片温度每升高1℃，其运行可靠性下降3.8％，且芯片温度每下降10％，其寿命增加50％。据统计，电子设备失效案例中有超过50％是由于过热导致的。目前主流的散热方式是采用铜或铝等金属散热器，再加上主动散热风扇，将热源处的温度传递到空气中。但由于加工工艺的原因，铜或铝金属散热器与发热源以及散热风扇和金属散热器之间总会存在微观上粗糙不平，这些微小的空隙充满空气，而空气是热的不良导体，导致接触热阻非常大，散热效果不好。因此需要一种柔性的高导热材料来填充进界面，排除空气，实现热量从热源处高效传递到金属散热器中，进而控制热源处温度不至于过高。
目前常规的柔性导热复合材料采用有机硅、聚氨酯、丙烯酸、环氧树脂等为基材，填充以球形或非球形的氧化锌、氧化铝、氮化硼、氮化硅、氮化铝、铝粉、银粉等导热粉体，辅助以其他助剂，固化成型后形成柔性导热复合材料。此类导热复合材料导热系数一般能达到5.0W/m·K，继续添加导热粉体，导热系数能进一步提升到10W/m·K左右，但是力学性能会大幅下降，同时会产生掉粉的现象，以至于无法满足应用需求。
【发明内容】
本发明旨在解决上述问题，而提供一种导热效果好且力学性能佳的通道式柔性复合材料高导热体。
本发明还提供了一种通道式柔性复合材料高导热体的制备方法。
为实现本发明的目的，本发明提供了一种通道式柔性复合材料高导热体，其特征在于，该导热体设有多个由柔性丝状或片状高导热材料构建的导热通道，所述高导热材料为碳纤维、铜、金、银中的一种或多种的组合，所述导热通道由树脂固定，所述树脂中填充有导热粉体，所述导热粉体与树脂的重量比为5：1～9：1。
优选地，所述柔性高导热材料导热丝，其为碳纤维丝、铜丝、金丝、银丝中的一种，所述导热通道由多根在水平、竖直方向或水平及竖直方向上均匀间隔分布的导热丝构建而成。
优选地，所述导热丝的直径为0.01毫米～0.3毫米。
优选地，所述相邻两根导热丝之间的间隔为0.2毫米～10毫米。
优选地，所述导热丝的分布面密度为4根/平方米～5000根/平方米。
第二种方案中，所述高导热材料为电镀、磁控溅射或电子束蒸镀有银、金或铜的玻璃纤维丝或聚丙烯腈纤维。
第三种方案中，所述导热材料为超细碳纤维网、铜网或厚度小于0.3毫米的铜片。
所述树脂为有机硅树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂中的一种。
所述导热粉体为氧化铝、氮化铝、氮化硼、铝、金刚石、金、银、铜中的一种。
本发明还提供了一种通道式柔性复合材料高导热体的制备方法，该方法包括如下步骤：
a、将柔性丝状或片状高导热材料间隔分布于容器内，并将高导热材料的两端固定于容器上构建导热通道；
b、将所述重量比的导热粉体填充于树脂内；
c、向步骤a中构建有导热通道的容器内灌注填充有导热粉体的树脂，使导热通道由树脂固定，经固化后即得到所述的通道式柔性复合材料高导热体。
本发明的贡献在于，其有效解决了现有导热体无法同时满足导热性能及力学性能要求的问题。本发明可根据导热需求进行二维面、三维体进行导热通道的构建，通过柔性高导热材料分布的密度的大小来控制复合材料的导热系数，同时柔性高导热材料又能够提升复合材料的力学性能。另一方面，由于碳纤维丝等柔性高导热材料为整体不中断的结构，内部不存在接触热阻，在树脂中相当于热量传输的高速公路，从而避免了传统的导热复合材料内部颗粒之间存在的大量接触热阻导致的低效率传热。
【附图说明】
图1是本发明的一种导热通道的结构示意图。
图2是本发明的另一种导热通道的结构示意图。
【具体实施方式】
本发明的通道式柔性复合材料高导热体设有多个由柔性丝状或片状高导热材料构建的导热通道，其中，高导热材料为碳纤维、铜、金、银中的一种或多种的组合，该导热通道由树脂固定，得到的导热体具有超高导热系数，且力学性能优异，可满足电子元器件的散热需求，特别是高功率密度器件、5G芯片的散热需求。
下列实施例是对本发明的进一步解释和补充，对本发明不构成任何限制。
如图1、图2所示，导热通道由柔性高导热材料10构建而成，其中，柔性高导热材料10可以为丝状，本实施例中的柔性高导热材料为导热丝，具体为碳纤维丝、铜丝、金丝或银丝，也可以是碳纤维丝、铜丝、金丝、银丝中两种或两种以上的组合。将导热丝两端固定于容器内便形成了本实施例的导热通道，此外，可根据需要自由选择容器的水平方向或者垂直方向布置导热丝，还可同时在水平和竖直方向上布置导热丝，从而形成特定方向的导热通道，以实现二维面、三维体导热通道的构建。此外，布局的导热丝的分布密度与得到的导热体的导热系数正相关。本实施例中，导热丝的直径为0.01毫米～0.3毫米，相邻两根导热丝之间的间隔为0.2毫米～10毫米，导热丝的分布密度为4根/平方米～5000根/平方米。
第二种实施例中，高导热材料10也可是在玻璃纤维丝或者聚丙烯晴纤维等各种纤维上电镀一层银、金或者铜等导热镀层，再将电镀有导热镀层的玻璃纤维丝或者聚丙烯晴纤维的两端固定于容器内形成导热通道。还可通过磁控溅射或电子束蒸镀的方式使玻璃纤维丝或聚丙烯晴纤维等各种纤维上镀一层银、金或者铜等导热镀层。第三种实施例中，高导热材料10还可为超细碳纤维网、铜网或铜片，其中，铜片的厚度小于0.3毫米，以保证其柔性。将超细碳纤维网、铜网或铜片均匀间隔地设于容器内，以形成导热通道。
在设有导热通道的容器内灌注树脂，使树脂将导热通道固定，以形成高导热体，其中，树脂可为有机硅树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂中的一种。为了提高导热体的导热性能，在灌注的树脂内可先行填充导热粉体，使填充有导热粉体的树脂固定导热通道，经固化后即得到本实施例的通道式柔性复合材料高导热体。其中，添加导热粉体的量不能影响树脂的流平性，以保证填充有导热粉体的树脂能够在构建的导热通道中自由流平。本实施例中，导热粉体与树脂的重量比为5：1～9：1，从而保证树脂的流平性。导热粉体可以为氧化铝、氮化铝、氮化硼、铝、金刚石、金、银、铜等粉体，导热粉体形貌可以是球形或者非球形。制得的通道式柔性复合材料高导热体的形状可根据实际需要进行设计，本实施例中制得的通道式柔性复合材料高导热体的形状为片状。
对制得的其中一块通道式柔性复合材料高导热体进行导热系数测试，测试方法为：将0.2毫米的铜片按相邻两个铜片的间隔为2毫米置于容器中，形成导热通道，然后将重量比为6：1的球状氧化铝和有机硅树脂混合均匀，再将填充有氧化铝的有机硅树脂灌注于容器中，使填充有氧化铝的有机硅树脂将导热通道固定，经固化后，得到片状通道式柔性复合材料高导热体，对该导热体经Hotdisk仪器测试其导热系数，测试结果为13.5W/mK，高于常规方法制备的导热体的导热系数。
籍此，本发明可根据导热需求进行二维面、三维体进行导热通道的构建，通过柔性高导热材料分布的密度的大小来控制复合材料的导热系数，同时柔性高导热材料又能够提升复合材料的力学性能。另一方面，由于碳纤维丝等柔性高导热材料为整体不中断的结构，内部不存在接触热阻，在树脂中相当于热量传输的高速公路，从而避免了传统的导热复合材料内部颗粒之间存在的大量接触热阻导致的低效率传热。
尽管通过以上实施例对本发明进行了揭示，但本发明的保护范围并不局限于此，在不偏离本发明构思的条件下，对以上各构件所做的变形、替换等均将落入本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种通道式柔性复合材料高导热体，其特征在于，该导热体设有多个由柔性丝状或片状高导热材料(10)构建的导热通道，所述高导热材料为碳纤维、铜、金、银中的一种或多种的组合，所述导热通道由树脂固定，在所述树脂内填充有导热粉体，所述导热粉体与树脂的重量比为5：1～9：1。
2.如权利要求1所述的通道式柔性复合材料高导热体，其特征在于，所述高导热材料(10)为导热丝，其为碳纤维丝、铜丝、金丝、银丝中的一种或多种的组合，所述导热通道由多根在水平、竖直方向或水平及竖直方向上均匀间隔分布的导热丝构建而成。
3.如权利要求2所述的通道式柔性复合材料高导热体，其特征在于，所述导热丝的直径为0.01毫米～0.3毫米。
4.如权利要求2所述的通道式柔性复合材料高导热体，其特征在于，所述相邻两根导热丝之间的间隔为0.2毫米～10毫米。
5.如权利要求2所述的通道式柔性复合材料高导热体，其特征在于，所述导热丝的分布面密度为4根/平方米～5000根/平方米。
6.如权利要求1所述的通道式柔性复合材料高导热体，其特征在于，所述高导热材料(10)为电镀、磁控溅射或电子束蒸镀有银、金或铜的玻璃纤维丝或聚丙烯腈纤维。
7.如权利要求1所述的通道式柔性复合材料高导热体，其特征在于，所述导热材料(10)为超细碳纤维网、铜网或厚度小于0.3毫米的铜片。
8.如权利要求1所述的通道式柔性复合材料高导热体，其特征在于，所述树脂为有机硅树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂中的一种。
9.如权利要求1所述的通道式柔性复合材料高导热体，其特征在于，所述导热粉体为氧化铝、氮化铝、氮化硼、铝、金刚石、金、银、铜中的一种。
10.一种制备如权利要求1所述的通道式柔性复合材料高导热体的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
a、将柔性丝状或片状高导热材料(10)间隔分布于容器内，并将高导热材料(10)的两端固定于容器上构建导热通道；
b、将所述重量比的导热粉体填充于树脂内；
c、向步骤a中构建有导热通道的容器内灌注填充有导热粉体的树脂，使导热通道由树脂固定，经固化后即得到所述的通道式柔性复合材料高导热体。
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