CN111154271A - 一种高导热性能的导热硅脂及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高功率电子电气设备用的导热界面材料技术领域，更具体地说，它涉及一种高导热性能的导热硅脂及其制备工艺。由以下质量份的各组分组成：粉体60～90份；硅油10～40份；偶联剂1～5份；所述粉体为氧化铝、氧化锌和石墨粉混合物，其中，所述粉体由以下重量份各组分组成：氧化铝：20～35份；氧化锌：10～15份；石墨粉：60～70份。本发明通过对多种粉体不同粒径搭配，进一步降低导热硅脂的热阻，加快导热硅脂对热源的热量吸收。改性包覆石墨粉在导热硅脂的主要成分硅油有着良好的结合界面，有利于其在导热硅脂中的分散，从而降低二者界面之间的接触热阻，提高导热系数。成本较低，适用于工业生产制造并使用。

Description

一种高导热性能的导热硅脂及其制备工艺
技术领域
本发明涉及高功率电子电气设备用的导热界面材料技术领域，更具体地说，它涉及一种高导热性能的导热硅脂及其制备工艺。
背景技术
随着计算机技术的飞速发展，作为计算机系统核心的中央处理器CPU的运算速度越来越快，其发热量也随之增大。如果CPU散热不好，温度过高，很容易导致计算机在运行过程中出现热启动，死机等问题。因此，为CPU提供良好的散热系统是保证计算机正常工作的重要条件之一。
针对CPU芯片以及大功率电子电器设备等发热源的散热问题，常用的方法是在发热源上安装散热片。而在CPU等热源和散热片之间即使是很光滑的面-面接触也不可避免地存在一定空隙，空隙的存在将严重地影响散热效果。
导热界面材料因为能有效降低热源和散热器之间的界面热阻而得到广泛应用。导热硅脂就是其中一种最为常用的导热介质，它是用来填充发热源与散热片之间空隙的材料，将热源散发出来的热量传导给散热片，使热源温度保持在一个可以稳定工作的水平，延长器件的使用寿命，防止热源因散热不良而受损。
导热硅脂为硅油加填料混合而成，主要分为两大类：一类是最为常见的白色导热硅脂，这类导热硅脂在常温下是粘稠的液体状态，其填料主要为氧化铝、氮化硼、碳化硅。另一类是灰色导热硅脂,这类导热硅脂是在白色导热硅酯中添加了一定量的石墨粉，以增强其导热性能。专利授权公告号为CN100477016C的中国发明专利公开了一种高导热绝缘硅脂及其制造方法，其技术方案要点在于，用平均颗粒尺寸不同的、又同时具有高导热率和高绝缘特性的混合氮化铝填料加入甲基硅油中，经过球磨混合均匀并经过真空搅拌均匀并经过真空搅拌除气后制备成均质灰色膏状物，这样一种导热硅脂，其导热系数能够达到3.0W/m.K。这样一种导热硅脂具有一定的导热效果，但是市场对于导热硅脂的导热系数的要求大约在4.0W/m.K-5.0W/m.K之间，这样一种导热硅脂并不能满足市场的对于导热硅脂导热的要求。
专利授权公告号为CN101294067B的中国发明专利公开了一种导热硅脂组合物，文件中记载其导热系数在5.5W/m.K以上，其导热粉体分为大、中、小三种粒径按照10∶5～1∶5～0.1混合而得，导热粉体可以为金属粉体或金属粉体与非金属粉体的混合物，所述的金属粉体是指铝、银、铜或镍金属粉体中的一种或两种以上的混合物，金属粉需要经过一定的氧化工艺形成氧化膜，非金属粉体是指氧化锌、氧化镁、氮化铝、氮化硼、氮化硅、石墨、碳纳米管或碳纤维非金属粉体中的一种或两种以上的混合物。这样一种技术方案需要一个较为复杂的氧化工艺，进而导致了该技术方案生产成本较高，固价格较贵，同样不能满足市场要求。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的之一在于提供一种导热效率高，散热效果好的导热硅脂，价格低，能够满足市场需求
本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：一种高导热性能的导热硅脂，由以下质量份的各组分组成：
粉体60～90份；
硅油10～40份；
偶联剂1～5份；
所述粉体为氧化铝、氧化锌和石墨粉混合物，其中，所述粉体由以下重量份各组分组成：
氧化铝：20～35份；
氧化锌：10～15份；
石墨粉：60～70份；
所述粉体中，氧化铝粒径为10～40微米，石墨粉粒径为1～30微米，氧化锌粒径为1-5微米。
通过采用上述技术方案，通过对多种粉体不同粒径搭配，进一步降低导热硅脂的热阻，加快导热硅脂对热源的热量吸收，从而达到填充及快速散热的目的。氧化铝和氧化锌与石墨粉配合，能够形成一种改性包覆石墨粉，改性包覆石墨粉在导热硅脂的主要成分硅油有着良好的结合界面，有利于其在导热硅脂中的分散，能够提高两者的相容性和亲和力，从而降低二者界面之间的接触热阻，提高导热系数。作为添加物之一的石墨粉导热系数150-300W/(M·K)。石墨粉的加入使产品整体的导热系数有了较大的提高。氧化铝的加入有利于其在导热硅脂中的分散，并可由此在导热硅脂中形成一个有效的导热网络，降低界面之间的接触热阻，达到提高导热硅脂导热性能和延长其使用寿命的目的。氧化锌的加入，增大了材料的比表面积，显著地提高热端初始温度的吸收速率，起到快速吸热的功效。本发明将氧化铝、氧化锌、石墨粉作为粉体添加物的基本组成，最终在硅油内部形成了均一的分散体系，具有高导热率和良好的流动性，大大提高了导热硅脂的散热效率和使用寿命，具有较强的实用价值。
优选的，所述硅油可以是乙烯基硅油、含氢硅油、苯甲基硅油、羟基硅油、二甲基硅油、甲基长链烷基硅油或季铵盐烃基改性硅油中的一种或多种，也可以是其他种类的有机硅油。
优选的，所述偶联剂为辛基三甲氧基硅氧烷与苯基硅氧烷。
优选的，所述硅油的粘度为2000～5000cps。
优选的，所述导热硅脂组分中还包括任选的稳定剂、阻燃剂、着色剂、触变剂的一种或多种。
优选的，所述粉体中氧化铝、石墨粉、氧化锌的质量比分别为3∶6：1，所述粉体与硅油的质量比为7∶3，氧化铝选用粒径为40微米的颗粒，所述硅油选择粘度在25℃时为5000cps的二甲基硅油。
本发明目的之二在于提供一种高导热性能导热硅脂的制备方法，该方法制备所得的导热硅脂导热效率更高，散热效果更好，且成本更低，制备时间较短。
本发明的上述技术目的是将通过以下技术方案实现的，将上述的各组分按照以下步骤进行配置：
步骤1，将液态硅油与硅烷偶联剂倒入行星动力搅拌机中，并加热至70℃。
步骤2，加入氧化铝粉体，并搅拌30分钟。
步骤3，加入石墨粉体，并搅拌30分钟。
步骤4，加入氧化锌粉体，并搅拌30分钟。
步骤5，最后，整体搅拌60分钟，得到混合物A。
步骤6，混合物A从行星动力搅拌机中转移到三辊研磨机中研磨两遍,得到混合物B。
步骤7，混合物B从三辊研磨机转移到行星动力搅拌机中搅拌30分钟，得到导热硅脂。
优选的，在步骤2～4中，加入的氧化铝粉体、石墨粉体、氧化锌粉体分别搅拌30分钟中所对应的搅拌速度为200-300r/min。
优选的，上述步骤5中，整体混合物搅拌60分钟中所对应的搅拌速度为600-800r/min。
优选的，上述步骤7中，研磨所得的混合物搅拌30分钟中所对应的搅拌速度为600-800r/min。
综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：
其一，本发明通过对多种粉体不同粒径搭配，进一步降低导热硅脂的热阻，加快导热硅脂对热源的热量吸收，从而达到填充及快速散热的目的。
其二，改性包覆石墨粉在导热硅脂的主要成分硅油有着良好的结合界面，有利于其在导热硅脂中的分散，能够提高两者的相容性和亲和力，从而降低二者界面之间的接触热阻，提高导热系数。
其三，成本较低，适用于工业生产制造并使用。
具体实施方式
下面实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1-8按以下配料表进行配料
项目 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6 实施例7 实施例8
粉体(g) 60 90 78 69 85 72 80 70
硅油(g) 15 18 10 35 40 29 24 30
偶联剂(g) 2 4 3 5 1 2 4 3
稳定剂(g) / 2 / 1 3 / 1 1
阻燃剂(g) / 1 1 1 / 2 1 1
着色剂(g) / / 1 / 1 / 1 1
触变剂(g) 1 / 2 1 / 1 / 1
其中各个实施例中的粉体按照以下配料表进行配料
Figure BDA0002369752890000041
其中各个实施例选用的硅油种类如下表：
项目 所添加乙烯基硅油种类 粘度(cps)
实施例1 乙烯基硅油 2000
实施例2 含氢硅油 3000
实施例3 苯甲基硅油 5000
实施例4 羟基硅油 4000
实施例5 二甲基硅油 3500
实施例6 甲基长链烷基硅油 2500
实施例7 季铵盐烃基改性硅油 4500
实施例8 乙烯基硅油 3500
上述的实施例是均是通过以下的一种制备方法制备而得。
步骤1，将液态硅油与硅烷偶联剂倒入行星动力搅拌机中，并加热至70℃。
步骤2，加入氧化铝粉体，并搅拌30分钟。
步骤3，加入石墨粉体，并搅拌30分钟。
步骤4，加入氧化锌粉体，并搅拌30分钟。
步骤5，最后，整体搅拌60分钟。
步骤6，将上述步骤5所得混合物从行星动力搅拌机中转移到三辊研磨机中研磨两遍。
步骤7，将上述步骤6研磨所得的混合物从三辊研磨机转移到行星动力搅拌机中搅拌30分钟。
其中，上述步骤2～4中，加入的氧化铝粉体、石墨粉体、氧化锌粉体分别搅拌30分钟中所对应的搅拌速度为200-300r/min。
其中，上述步骤5中，整体混合物搅拌60分钟中所对应的搅拌速度为600-800r/min。
其中，上述步骤7中，研磨所得的混合物搅拌30分钟中所对应的搅拌速度为600-800r/min。
将上述所得的最终混合物封装在罐子里，即得导热硅脂。
将实施例1-8所得到的导热硅脂进行检测，所得到的导热硅脂的导热系数和热阻如下表。
导热系数(W/m·k) 热阻(℃·in2/W@20psi)
实施例1 4.5 0.0090
实施例2 4.7 0.0092
实施例3 4.8 0.0095
实施例4 4.8 0.0094
实施例5 4.6 0.0090
实施例6 4.5 0.0089
实施例7 4.7 0.0091
实施例8 5.0 0.0096
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高导热性能的导热硅脂，其特征在于，由以下质量份的各组分组成：
粉体 60～ 90份；
硅油 10～ 40份；
偶联剂 1～ 5份；
所述粉体为氧化铝、氧化锌和石墨粉混合物，其中，所述粉体由以下重量份各组分组成：
氧化铝：20～ 35份；
氧化锌：10～ 15份；
石墨粉：60～ 70份；
所述粉体中，氧化铝粒径为10~40微米，石墨粉粒径为1~30微米 ，氧化锌粒径为1-5微米。
2.根据权利要求1所述的一种高导热性能的导热硅脂，其特征在于：所述的硅油是乙烯基硅油、含氢硅油、苯甲基硅油、羟基硅油、二甲基硅油、甲基长链烷基硅油或季铵盐烃基改性硅油中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种高导热性能的导热硅脂，其特征在于：所述偶联剂为辛基三甲氧基硅氧烷或苯基硅氧烷。
4.根据权利要求1所述的一种高导热性能的导热硅脂，其特征在于：所述硅油的粘度为2000 ～ 5000cps。
5.根据权利要求1所述的一种高导热性能的导热硅脂，其特征在于：所述导热硅脂组分中还包括任选的稳定剂、阻燃剂、着色剂、触变剂的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种高导热性能的导热硅脂，其特征在于：所述粉体中氧化铝、石墨粉、氧化锌的质量比分别为3∶ 6 ：1，所述粉体与硅油的质量比为7∶ 3，氧化铝选用粒径为40微米的颗粒，所述硅油选择粘度在 25℃时为 5000cps的二甲基硅油。
7.一种高导热性能导热硅脂的制备方法，其特征在于，将权利要求1所述的各组分按照以下步骤进行配置：
步骤1，将液态硅油与硅烷偶联剂倒入行星动力搅拌机中，并加热至70℃；
步骤2，加入氧化铝粉体，并搅拌30分钟；
步骤3，加入石墨粉体，并搅拌30分钟；
步骤4，加入氧化锌粉体，并搅拌30分钟；
步骤5，最后，整体搅拌60分钟，得到混合物A；
步骤6，将混合物A从行星动力搅拌机中转移到三辊研磨机中研磨两遍,得到混合物B；
步骤7，将混合物B从三辊研磨机转移到行星动力搅拌机中搅拌30分钟，得到导热硅脂。
8.根据权利要求7所述的一种高导热性能导热硅脂的制备方法，其特征在于：在步骤2~4中，加入的氧化铝粉体、石墨粉体、氧化锌粉体分别搅拌30分钟中所对应的搅拌速度为200-300r/min。
9.根据权利要求7所述的一种高导热性能导热硅脂的制备方法，其特征在于：步骤5中，整体混合物搅拌60分钟中所对应的搅拌速度为600-800r/min。
10.根据权利要求7所述的一种高导热性能导热硅脂的制备方法，其特征在于：步骤7中，研磨所得的混合物搅拌30分钟中所对应的搅拌速度为600-800r/min。
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