CN111093969B - 复合材料 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了复合材料和用于制备其的方法。本申请可以提供这样的复合材料，其包含金属泡沫、聚合物组分和导热填料，并且在具有优异的热导率的同时具有其他优异的物理特性例如抗冲击性、可加工性和绝缘特性。

Description

复合材料
技术领域
本申请要求基于于2017年9月15日提交的韩国专利申请第10-2017-0118736号的优先权的权益，其公开内容通过引用整体并入本文。
本申请涉及复合材料。
背景技术
散热材料可以用于各种应用中。例如，由于电池和各种电子设备在运行期间产生热，因此需要能够有效地控制这样的热的材料。
作为具有良好的散热特性的材料，已知有具有良好热导率的陶瓷材料等，但是由于这样的材料的可加工性差，因此可以使用通过将表现出高热导率的陶瓷填料等共混在聚合物基体中而制造的复合材料。
然而，由于通过以上方法必须应用大量的填料组分以确保高热导率，因此出现了各种问题。例如，在包含大量填料组分的材料的情况下，材料本身趋于变硬，并且在这种情况下，抗冲击性等劣化。
发明内容
技术问题
本申请涉及复合材料或用于制造其的方法，并且在一个实例中，本申请旨在提供在具有优异的热导率的同时确保其他优异的物理特性例如抗冲击性和可加工性的复合材料。
技术方案
本申请涉及复合材料。在本申请中，术语复合材料可以意指包含至少金属泡沫和聚合物组分的材料。
在本说明书中，术语金属泡沫或金属骨架意指包含金属或金属合金作为主要组分的多孔结构。在此，金属等用作主要组分的事实意指：基于金属泡沫或金属骨架的总重量，金属等的比例为55重量％或更大、60重量％或更大、65重量％或更大、70重量％或更大、75重量％或更大、80重量％或更大、85重量％或更大、90重量％或更大、或者95重量％或更大。作为主要组分被包含的金属等的比例的上限没有特别限制，例如可以为100重量％、99重量％或98重量％左右。
在本说明书中，术语多孔特性可以意指这样的情况：孔隙率为至少10％或更大、20％或更大、30％或更大、40％或更大、50％或更大、60％或更大、70％或更大、75％或更大、或者80％或更大。孔隙率的上限没有特别限制，可以为例如小于约100％，约99％或更小、或者大概约98％或更小。孔隙率可以通过计算金属泡沫等的密度来以已知方式计算。
复合材料具有高的热导率，并因此，其可以用作用于控制热的材料，例如散热材料。
例如，复合材料的热导率可以为约0.4W/mK或更大、0.45W/mK或更大、0.5W/mK或更大、0.55W/mK或更大、0.6W/mK或更大、0.65W/mK或更大、0.7W/mK或更大、0.75W/mK或更大、0.8W/mK或更大、0.85W/mK或更大、0.9W/mK或更大、0.95W/mK或更大、1W/mK或更大、1.5W/mK或更大、2W/mK或更大、2.5W/mK或更大、3W/mK或更大、3.5W/mK或更大、4W/mK或更大、4.5W/mK或更大、5W/mK或更大。复合材料的热导率越高，复合材料可以具有越优异的热控制功能，其没有特别限制，并且在一个实例中，其可以为约100W/mK或更小、90W/mK或更小、80W/mK或更小、70W/mK或更小、60W/mK或更小、50W/mK或更小、40W/mK或更小、30W/mK或更小、20W/mK或更小、或者15W/mK或更小。测量热导率的方法没有特别限制，其可以通过例如以下实施例中描述的方法来测量。
此外，本说明书中所提及的复合材料的热导率根据下面将描述的实施例的描述方法来测量。
在本说明书中提到的物理特性中，当测量温度影响相关的物理特性时，除非另有说明，否则物理特性是在室温下测量的物理特性。术语室温是未经加热或冷却的自然温度，其可以为例如10℃至30℃范围内的任何温度，或者约23℃或约25℃左右的温度。
在本申请的复合材料具有如上优异的导热特性的同时，还可以稳定地确保诸如可加工性和抗冲击性的其他特性，并且通过本说明书中描述的内容可以实现这样的效果。
复合材料中包含的金属泡沫的形状没有特别限制，但是在一个实例中可以为膜状。在本申请的复合材料中，添加有至少存在于呈膜形式的金属泡沫的表面上或内部中的聚合物组分。
这样的聚合物组分可以在金属泡沫的至少一个表面上形成表面层，或者可以填充并存在于金属泡沫内部的空隙中，并且在一些情况下，其也可以在形成表面层的同时填充到金属泡沫中。在形成表面层的情况下，聚合物组分可以在金属泡沫的表面中的至少一个表面、一些表面或全部表面上形成表面层。在一个实例中，聚合物组分可以在至少作为金属泡沫的主要表面的上表面和/或下表面上形成表面层。表面层可以形成为覆盖金属泡沫的整个表面，或者也可以形成为仅覆盖表面的一部分。
复合材料中的金属泡沫的孔隙率可以在约10％至99％的范围内。具有这样的孔隙率的金属泡沫具有形成合适的传热网络的多孔金属框架，并因此即使应用少量的相关金属泡沫也可以确保优异的热导率。在另一个实例中，孔隙率可以为15％或更大、20％或更大、25％或更大、30％或更大、35％或更大、40％或更大、45％或更大、或者50％或更大，或者可以为98％或更小。
如上所述，金属泡沫可以呈膜的形式。在这种情况下，在根据下面描述的方法制造复合材料时可以考虑期望的热导率或厚度比等来调节膜的厚度。为了确保目标热导率，膜的厚度可以为例如约10μm或更大、约20μm或更大、约30μm或更大、约40μm或更大、约45μm或更大、约50μm或更大、约55μm或更大、约60μm或更大、约65μm或更大、或者约70μm或更大。膜的厚度的上限根据目的来控制，其没有特别限制，但是可以为例如约1000μm或更小、约900μm或更小、约800μm或更小、约700μm或更小、约600μm或更小、约500μm或更小、约400μm或更小、约300μm或更小、约200μm或更小、或者大概约150μm或更小。
在本说明书中，当相关目标的厚度不恒定时，厚度可以为目标的最小厚度、最大厚度或平均厚度。
金属泡沫可以为具有高热导率的材料。在一个实例中，金属泡沫可以包含具有以下热导率的金属或金属合金或者由具有以下热导率的金属或金属合金组成：约8W/mK或更大、约10W/mK或更大、约15W/mK或更大、约20W/mK或更大、约25W/mK或更大、约30W/mK或更大、约35W/mK或更大、约40W/mK或更大、约45W/mK或更大、约50W/mK或更大、约55W/mK或更大、约60W/mK或更大、约65W/mK或更大、约70W/mK或更大、约75W/mK或更大、约80W/mK或更大、约85W/mK或更大、或者约90W/mK或更大。热导率没有特别限制，其可以为例如大概约1000W/mK或更小，因为数值越高，可以在应用少量金属泡沫的同时确保期望的热控制特性。
金属泡沫的骨架可以由各种金属或金属合金构成，其中能够表现出上述范围内的热导率的材料可以选自这些金属或金属合金。这样的材料可以例示为选自铜、金、银、铝、镍、铁、钴、镁、钼、钨和锌中的任何金属，或者其中两者或更多者的合金等，但不限于此。
这样的金属泡沫是各种各样地已知的，并且用于制备金属泡沫的各种方法也是各种各样地已知的。在本申请中，可以应用这样的已知金属泡沫或通过已知方法制备的金属泡沫。
作为用于制备金属泡沫的方法，已知有对成孔剂(例如盐)和金属的复合材料进行烧结的方法、将金属涂覆在支撑物(例如聚合物泡沫)上并在这种状态下对其进行烧结的方法、或浆料法等。此外，金属泡沫也可以通过韩国专利申请第2017-0086014号、第2017-0040971号、第2017-0040972号、第2016-0162154号、第2016-0162153号或第2016-0162152号等中公开的方法来制备，所述韩国专利申请是本申请人的在先申请。
金属泡沫也可以通过来自在先申请中描述的方法的感应加热法来制备，其中金属泡沫可以包含至少导电磁性金属。在这种情况下，基于重量，金属泡沫可以包含30重量％或更多、35重量％或更多、40重量％或更多、45重量％或更多、或者50重量％或更多的导电磁性金属。在另一个实例中，金属泡沫中的导电磁性金属的比例可以为约55重量％或更大、60重量％或更大、65重量％或更大、70重量％或更大、75重量％或更大、80重量％或更大、85重量％或更大、或者90重量％或更大。导电磁性金属的比例的上限没有特别限制，并且可以为例如小于约100重量％或者为95重量％或更小。
在本申请中，术语导电磁性金属是具有预定的相对磁导率和电导率的金属，其可以意指能够产生热至使得金属可以通过感应加热法被烧结的程度的金属。
在一个实例中，作为导电金属，可以使用相对磁导率为90或更大的金属。相对磁导率(μr)是相关材料的磁导率(μ)与真空中的磁导率(μ0)之比(μ/μ0)。在另一个实例中，相对磁导率可以为95或更大、100或更大、110或更大、120或更大、130或更大、140或更大、150或更大、160或更大、170或更大、180或更大、190或更大、200或更大、210或更大、220或更大、230或更大、240或更大、250或更大、260或更大、270或更大、280或更大、290或更大、300或更大、310或更大、320或更大、330或更大、340或更大、350或更大、360或更大、370或更大、380或更大、390或更大、400或更大、410或更大、420或更大、430或更大、440或更大、450或更大、460或更大、470或更大、480或更大、490或更大、500或更大、510或更大、520或更大、530或更大、540或更大、550或更大、560或更大、570或更大、580或更大、或者590或更大。相对磁导率越高，在施加用于感应加热的电磁场时产生的热越高，这在下面进行描述，因此上限没有特别限制。在一个实例中，相对磁导率的上限可以为例如约300000或更小。
导电磁性金属在20℃下的电导率可以为约8MS/m或更大、9MS/m或更大、10MS/m或更大、11MS/m或更大、12MS/m或更大、13MS/m或更大、或者14.5MS/m或更大。电导率的上限没有特别限制，例如，电导率可以为约30MS/m或更小、25MS/m或更小、或者20MS/m或更小。
这样的导电磁性金属的具体实例包括镍、铁或钴等，但不限于此。
如上所述，复合材料还包含存在于金属泡沫的表面上或存在于金属泡沫的内部中的聚合物组分，其中这样的复合材料的总厚度(T)与金属泡沫的厚度(MT)的比率(T/MT)可以为3或更小，或2.5或更小。在另一个实例中，厚度比可以为约2或更小、1.5或更小、1.4或更小、1.3或更小、1.2或更小、1.15或更小、或者1.1或更小。厚度比的下限没有特别限制，但在一个实例中，其可以为约1或更大、约1.01或更大、约1.02或更大、约1.03或更大、约1.04或更大、或者约1.05或更大。在这样的厚度比下，可以提供在确保期望的热导率的同时具有优异的可加工性或抗冲击性等的复合材料。
本申请的复合材料中包含的聚合物组分的种类没有特别限制，其可以考虑例如复合材料的可加工性、抗冲击性、绝缘特性等来选择。本申请中可应用的聚合物组分的实例可以包括选自已知的丙烯酸类树脂、有机硅树脂、环氧树脂、氨基甲酸酯树脂、氨基树脂和酚树脂中的一者或更多者，但不限于此。
在复合材料的情况下，可以通过应用上述金属泡沫来在使主要确保热导率的组分的比例最小化的同时确保优异的热导率，从而在不损害可加工性或抗冲击性等的情况下确保期望的物理特性。
在一个实例中，复合材料中包含的金属泡沫的体积(MV)与聚合物组分的体积(PV)的比率(MV/PV)可以为10或更小。在另一个实例中，比率(MV/PV)可以为9或更小、8或更小、7或更小、6或更小、5或更小、4或更小、3或更小、2或更小、1或更小、或者大概0.5或更小。体积比的下限没有特别限制，其可以为例如约0.1左右。体积比可以通过复合材料中包含的聚合物组分和金属泡沫的重量以及相关组分的密度来计算。
在本发明的复合材料中，这样的聚合物组分在金属泡沫的至少一个表面上形成表面层，其中在该表面层中包含有导热填料。由此，可以提供具有更好的导热特性的复合材料。
本申请中的术语导热填料意指具有以下热导率的填料：约1W/mK或更大、约5W/mK或更大、约10W/mK或更大、或者约15W/mK或更大。导热填料的热导率可以为约400W/mK或更小、约350W/mK或更小、或者约300W/mK或更小。导热填料的种类没有特别限定，例如可以应用陶瓷填料或基于碳的填料等。这样的填料可以例示为氧化铝、AlN(氮化铝)、BN(氮化硼)、氮化硅、SiC或BeO等，或者诸如碳纳米管或石墨的填料，但不限于此。
表面层中包含的填料的形状或比例没有特别限制。在一个实例中，填料的形状可以具有各种形状，例如，基本上球状、针状、板状、树枝状或星状，但没有特别限制于所述形状。
在一个实例中，导热填料的平均粒径可以在0.001μm至80μm的范围内。在另一个实例中，填料的平均粒径可以为0.01μm或更大、0.1μm或更大、0.5μm或更大、1μm或更大、2μm或更大、3μm或更大、4μm或更大、5μm或更大、或者约6μm或更大。在另一个实例中，填料的平均粒径可以为约75μm或更小、约70μm或更小、约65μm或更小、约60μm或更小、约55μm或更小、约50μm或更小、约45μm或更小、约40μm或更小、约35μm或更小、约30μm或更小、约25μm或更小、约20μm或更小、约15μm或更小、约10μm或更小、或者约5μm或更小。
可以在确保或不损害期望的特性的范围内调节填料的比例。在一个实例中，填料可以以约80体积％或更小的体积比包含在复合材料中。在此，体积比是基于构成复合材料的各组分例如金属泡沫、聚合物组分和填料的重量和密度计算的值。
在另一个实例中，体积比可以为约75体积％或更小、70体积％或更小、65体积％或更小、60体积％或更小、55体积％或更小、50体积％或更小、45体积％或更小、40体积％或更小、35体积％或更小、或者约30体积％或更小左右，或者可以为约1体积％或更大、2体积％或更大、3体积％或更大、4体积％或更大、或者大概约5体积％或更大。
本申请还涉及用于制备呈如上形式的复合材料的方法。该方法可以包括以下步骤：使呈可固化聚合物组合物存在于包含热导率为8W/mK或更大的金属或金属合金且呈膜形式的金属泡沫的表面上的状态的包含导热填料的可固化聚合物组合物固化。
在该方法中应用的金属泡沫或填料的详细内容如上所述，并且待制备的复合材料的具体事项也可以遵循如上所述的内容。
另一方面，以上应用的聚合物组合物没有特别限制，只要其可以通过固化等形成上述聚合物组分即可，并且这样的聚合物组分在本领域中是各种已知的。
即，例如，复合材料可以使用已知组分中具有适当粘度的材料通过已知的方法进行固化来制备。
有益效果
本申请可以提供这样的复合材料，其包含金属泡沫、聚合物组分和导热填料，并且在具有优异的热导率的同时具有其他优异的物理特性例如抗冲击性、可加工性和绝缘特性。
具体实施方式
在下文中，将通过实施例和比较例来详细地描述本申请，但是本申请的范围不限于以下实施例。
实施例1
金属泡沫为铜金属泡沫，其中使用厚度为约70μm左右且孔隙率为约70％左右的呈膜状的铜泡沫。用包含热固性环氧化合物(Kukdo ChemicalCo.，Ltd.，YD128)和固化剂(Kukdo Chemical Co.，Ltd.，G640)并且还以约30重量％的比例包含导热填料(氧化铝粉末(板状，平均粒径：宽度和高度长度：约20μm至30μm，厚度：约1μm至3μm))的热固性环氧树脂组合物浸渍铜金属泡沫，并使用涂覆器除去过多的组合物，使得最终复合材料的厚度为约120μm左右。随后，将材料保持在约80℃的烘箱中约1小时左右并固化以制备复合材料。作为基于所施加的聚合物组分(环氧树脂)、金属泡沫(铜金属泡沫)和导热填料中的每一者的密度和施加的重量计算的结果，金属泡沫的体积(MV)与聚合物组分的体积(PV)的比率(MV/PV)为约0.2左右，以及复合材料中的导热填料的体积比为约24％左右。该复合材料的热导率为约0.501W/mK左右。
通过获得复合材料的热扩散率(A)、比热(B)和密度(C)并将它们代入热导率＝ABC的等式来确定热导率，其中用激光闪光法(LFA设备，型号：LFA467)测量热扩散率，通过DSC(差示扫描量热计)设备测量比热，并用阿基米德法测量密度。此外，热导率是相对于复合材料的厚度方向(Z轴)的值。
实施例2
以与实施例1中相同的方式制备复合材料，不同之处在于，使用球形氧化铝粉末(平均粒径：约10μm)作为导热填料。作为基于所施加的聚合物组分(环氧树脂)、金属泡沫(铜金属泡沫)和导热填料中每一者的密度和施加的重量计算的结果，金属泡沫的体积(MV)与聚合物组分的体积(PV)的比率(MV/PV)为约0.2左右，以及复合材料中的导热填料的体积比为约24％左右。此外，该复合材料的热导率为约0.412W/mK左右。
实施例3
以与实施例1中相同的方式制备复合材料，不同之处在于，使用以约10重量％的量包含板状氮化硼粉末(板状，平均粒径：宽度和高度长度：约20μm至30μm，厚度：约1μm至3μm)作为导热填料的聚合物组合物。作为基于所施加的聚合物组分(环氧树脂)、金属泡沫(铜金属泡沫)和导热填料中每一者的密度和施加的重量计算的结果，金属泡沫的体积(MV)与聚合物组分的体积(PV)的比率(MV/PV)为约0.2左右，以及复合材料中的导热填料的体积比为约8％左右。此外，该复合材料的热导率为约1.758W/mK左右。
实施例4
以与实施例1中相同的方式制备复合材料，不同之处在于，使用以约5重量％的量包含板状氮化硼粉末(板状，平均粒径：宽度和高度长度：约20μm至30μm，厚度：约1μm至3μm)的热固性有机硅组合物(PDMS，Sylgard 183kit)作为聚合物组合物，并且在120℃的烘箱中进行固化过程约10分钟(最终复合物厚度：约120μm左右)。作为基于所施加的聚合物组分(有机硅树脂)、金属泡沫(铜金属泡沫)和导热填料中的每一者的密度和施加的重量计算的结果，金属泡沫的体积(MV)与聚合物组分的体积(PV)的比率(MV/PV)为约0.2左右，以及复合材料中的导热填料的体积比为约8％左右。此外，该复合材料的热导率为约2.55W/mK左右。
实施例5
金属泡沫为铜金属泡沫，其中使用厚度为约70μm左右且孔隙率为约70％左右的呈膜状的铜泡沫。用以约10重量％的比例包含氮化硼粉末(板状，平均粒径：宽度和高度长度：约20μm至30μm，厚度：约1μm至3μm)的热固性有机硅组合物(PDMS，Sylgard 527kit)浸渍铜泡沫金属，并使用涂覆器除去过多的组合物，使得最终复合材料的厚度为约100μm左右。随后，将材料保持在约120℃的烘箱中约90分钟左右并固化以制备复合材料。作为基于所施加的聚合物组分(有机硅树脂)、金属泡沫(铜金属泡沫)和导热填料中的每一者的密度和施加的重量计算的结果，金属泡沫的体积(MV)与聚合物组分的体积(PV)的比率(MV/PV)为约0.25左右，以及复合材料中的导热填料的体积比为约8％左右。作为以上述方式测量该复合材料的热导率的结果，其为约6.670W/mK。
实施例6
以与实施例5中相同的方式制备复合材料，不同之处在于，最终复合材料的厚度为约80μm左右。作为基于所施加的聚合物组分(有机硅树脂)、金属泡沫(铜金属泡沫)和导热填料中的每一者的密度和施加的重量计算的结果，金属泡沫的体积(MV)与聚合物组分的体积(PV)的比率(MV/PV)为约0.34左右，以及复合材料中的导热填料的体积比为约8％左右。作为以上述方式测量该复合材料的热导率的结果，其为约10.401W/mK。
比较例1
单独使实施例1中施加的聚合物组合物固化以形成厚度为约120μm左右的膜。所形成的膜的热导率为约0.199W/mK。
比较例2
单独使实施例2中施加的聚合物组合物固化以形成厚度为约120μm左右的膜。所形成的膜的热导率为约0.270W/mK。

Claims (16)

1.一种复合材料，包含呈膜形式的金属泡沫和存在于所述金属泡沫的表面上或所述金属泡沫的内部中的聚合物组分，
其中所述聚合物组分在所述金属泡沫的所述表面上形成表面层，以及
所述聚合物组分包含具有10W/mK或更大的热导率的导热填料，其中所述导热填料的体积比为5体积％或更大且50体积％或更小，
其中所述金属泡沫的厚度为10μm至200μm，
其中所述复合材料的总厚度(T)与所述金属泡沫的厚度(MT)的比率(T/MT)为1或更大且1.5或更小，以及
其中根据等式1的热导率T为3W/mK或更大：
[等式1]
T＝A×B×C
在等式1中，A是所述复合材料的热扩散率、B是所述复合材料的比热，以及C是所述复合材料的密度，
其中所述金属泡沫的体积(MV)与所述聚合物组分的体积(PV)的比率(MV/PV)为0.1或更大且1或更小。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述复合材料的总厚度(T)与所述金属泡沫的厚度(MT)的比率(T/MT)为1或更大且1.2或更小。
3.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述金属泡沫包含热导率为8W/mK或更大的金属。
4.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述金属泡沫包含热导率为8W/mK或更大的金属合金。
5.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述金属泡沫的孔隙率在10％至99％的范围内。
6.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述金属泡沫具有骨架，所述骨架包含选自铜、金、银、铝、镍、铁、钴、镁、钼、钨和锌中的任一种金属，或者其中的两种或更多种。
7.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述聚合物组分包含选自丙烯酸类树脂、有机硅树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂、氨基树脂和酚树脂中的一者或更多者。
8.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述金属泡沫的体积(MV)与所述聚合物组分的体积(PV)的比率(MV/PV)为0.5或更小。
9.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述金属泡沫的体积(MV)与所述聚合物组分的体积(PV)的比率(MV/PV)为0.25或更大。
10.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述导热填料为陶瓷填料或碳填料。
11.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述导热填料为氧化铝、AlN(氮化铝)、BN(氮化硼)、氮化硅、SiC、BeO、碳纳米管或石墨。
12.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述导热填料具有球状、针状、板状、树枝状或星状。
13.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述导热填料的平均粒径在0.001μm至80μm的范围内。
14.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述导热填料的体积比为5体积％或更大且35体积％或更小。
15.一种用于制备根据权利要求1所述的复合材料的方法，包括以下步骤：在包含导热填料的可固化聚合物组合物存在于金属泡沫的表面上的状态下，使所述可固化聚合物组合物固化，所述金属泡沫包含热导率为8W/mK或更大的金属并且呈膜形式。
16.一种用于制备根据权利要求1所述的复合材料的方法，包括以下步骤：在包含导热填料的可固化聚合物组合物存在于金属泡沫的表面上的状态下，使所述可固化聚合物组合物固化，所述金属泡沫包含热导率为8W/mK或更大的金属合金并且呈膜形式。
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