CN111334260A - 一种具有导热绝缘和电磁屏蔽性能的有机硅复合材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有导热绝缘和电磁屏蔽性能的有机硅复合材料，所述材料由导热绝缘填料、多功能填料和有机硅基体组成；其中多功能填料是通过在磁性粒子表面包覆无定型碳和石墨化碳中的任意一种或两种壳层材料构成。本发明通过导热绝缘填料、多功能填料和有机硅基体复合，获得兼具导热绝缘和电磁屏蔽性能的多功能复合材料。该复合材料用于封装材料时，可提高电子设备的散热能力和抗电磁干扰能力，有望应用于电力电子、军工、船舶、航空、汽车等领域。

Description

一种具有导热绝缘和电磁屏蔽性能的有机硅复合材料

技术领域

本发明涉及新材料技术的技术领域，尤其涉及一种具有导热绝缘和电磁屏蔽性能的有机硅复合材料。

背景技术

随着科学技术的发展，电子元件、逻辑电路趋于密集化和小型化，对电子设备的稳定性提出了更高的要求。为了防止水分、尘埃及有害气体对电子元器件的侵入，减缓震动，防止外力损伤和稳定元器件参数，将外界的不良影响降到最低，需对电子元件等进行封装。

设备或材料的散热好坏严重影响设备的性能、稳定性和使用寿命，散热问题制约着高功率密度电子器件的进一步发展。同时，随着5G时代的到来，电子器件组件间的电磁干扰问题愈加严重，对电子封装材料的抗电磁干扰能力提出了更高的要求。研究和开发具有导热绝缘和电磁屏蔽功能的材料具有重要的意义和商业前景。

发明内容

基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种具有导热绝缘和电磁屏蔽性能的有机硅复合材料，通过向有机硅基体中填充导热绝缘填料和多功能填料，在保证复合材料高绝缘性能的同时，提高复合材料导热能力和电磁屏蔽能力。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种具有导热绝缘和电磁屏蔽性能的有机硅复合材料，所述材料由按质量分数计的70％-95％的导热绝缘填料、1％-20％的多功能填料和4％-29％的有机硅基体组成；

其中多功能填料是通过在磁性粒子表面包覆无定型碳和石墨化碳中的任意一种或两种壳层材料构成。

作为上述技术方案的优选，本发明提供的具有导热绝缘和电磁屏蔽性能的有机硅复合材料进一步包括下列技术特征的部分或全部：

作为上述技术方案的改进，所述导热绝缘填料为氧化铝、氮化铝、氮化硅、氮化硼、二氧化硅、氧化镁、氧化锌中的任意一种或至少两种的组合。

作为上述技术方案的改进，所述所述的磁性粒子，包括铁粉、铁的氧化物、铁氧体、铁铬、镍铁中的任意一种或至少两种的组合。

作为上述技术方案的改进，所述壳层材料的厚度为1nm-50nm。

作为上述技术方案的改进，所述有机硅基体由室温硫化型液体硅橡胶、硅油和催化剂组成；室温液体硅橡胶与硅油按质量比1:0-1:3，催化剂为有机硅基体质量的0.4％-0.5％。

作为上述技术方案的改进，所述室温硫化型液体硅橡胶为单组分加成型有机硅凝胶、双组分加成型有机硅凝胶、单组分缩合型有机硅凝胶和双组分缩合型有机硅凝胶中任意一种或至少两种的组合。

作为上述技术方案的改进，所述硅油为甲基硅油、乙烯基硅油、含氢硅油和苯基硅油中任意一种或至少两种的组合。

作为上述技术方案的改进，所述催化剂为铂络合物、钌络合物和铑络合物中任意一种或至少两种的组合。

一种具有导热绝缘和电磁屏蔽性能的有机硅复合材料的制备方法，包含如下步骤：

1)将室温硫化型液体硅橡胶、硅油和催化剂混合均匀，得到反应液A；其中，室温液体硅橡胶与硅油按质量比1:0-1:3，催化剂为有机硅基体质量的0.4％-0.5％；

2)按质量分数计，将70％-95％的导热绝缘填料和1％-20％的多功能填料加入到4％-29％的反应液A中，机械混合，得到反应液B；

使用行星搅拌器实现机械混合，参数设置为：1)在500rpm-2000rpm转速下混合2min-30min，2)在500rpm-2200rpm转速下排泡1min-10min。

3)将反应液B倒入模具中，加热温度为40℃-80℃，待完全固化后取出，得到所述的有机硅复合材料。

作为上述技术方案的优选，本发明提供的具有导热绝缘和电磁屏蔽性能的有机硅复合材料的制备方法进一步包括下列技术特征的部分或全部：

作为上述技术方案的改进，所述的多功能填料的制备方法如下：

1)多功能材料前驱体的制备，即在磁性材料表面包覆一层聚合物材料，所述的壳层厚度为1nm-50nm；

2)多功能材料的制备，将步骤1)获得的前驱体烘干后研磨30min-60min，在100℃-300℃下煅烧20min-30min，再升温至600℃-800℃煅烧，煅烧时间为1-2h，烧结过程通入惰性气体。取煅烧后样品研磨30min-60min，得到所述的多功能填料。

有机硅材料具有高绝缘、热膨胀系数小、粘度小，适用周期长等优异性能，是导热绝缘基体材料的首选。导热绝缘无机材料具有导热性好、电绝缘性能优良等特性，是制备导热绝缘复合材料的合适填料。

磁性粒子具有一定的电磁屏蔽性能，在磁性粒子表面包覆碳材料，制备出多功能填料，实现导热能力和电磁屏蔽性能同时提升。通过控制该多功能填料和导热绝缘填料的用量，能够在保证复合材料高绝缘性能的同时，进一步提高复合材料导热能力和电磁屏蔽能力，并可以实现三维方向上同时具备导热绝缘和电磁屏蔽功能。

因此，本发明研制了一种具有导热绝缘和电磁屏蔽性能的有机硅复合材料，通过导热绝缘填料、多功能填料和有机硅基体复合，获得兼具导热绝缘和电磁屏蔽性能的多功能复合材料。该复合材料用于封装材料时，可提高电子设备的散热能力和抗电磁干扰能力，有望应用于电力电子、军工、船舶、航空、汽车等领域。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：

1)本发明的多功能填料，为一种具有导热电磁屏蔽功能的填料，其核层为磁性粒子，壳层为碳材料，碳材料具有导热能力，又增强磁性材料的电磁屏蔽能力；

2)本发明的导热绝缘填料和多功能填料均匀分散于聚合物基体中，在保证高绝缘性的同时进一步提高材料导热能力和电磁屏蔽能力，且具有各向同性。

3)本发明的有机硅基体为液体，在填充导热绝缘填料和多功能填料后仍然具备一定的流动能力，可用作电子封装材料，固化后的复合材料能够提高电子设备的散热能力和抗电磁干扰能力，有望应用于电力电子、军工、船舶、航空、汽车等领域。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例1多功能材料的透射电镜图；

图2为本发明实施例1有机硅复合材料的断面扫描电镜图。

具体实施方式

下面详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。

实施例1：

本发明提供一种具有导热绝缘和电磁屏蔽性能的有机硅复合材料，其制备步骤如下：

1)制备多功能填料，以CoFe₂O₄@C为例：

a)取乙二醇20ml、一缩二乙二醇40ml混合均匀，称取475.6mg的CoCl₂·6H₂O、1081.2mg的FeCl₃·6H₂O、1.08g醋酸钠和0.45g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入到乙二醇和一缩二乙二醇的混合溶剂中，超声搅拌至混合均匀。随后装入容积为100ml的聚四氟乙烯反应釜中，再放入烘箱中反应，反应温度为200℃，反应时长为240min。最后通过冷冻干燥法得到CoFe₂O₄@PVP，干燥时间为24h。

b)取CoFe₂O₄@PVP，研磨30min，研磨后放入管式炉中，通入氩气，升温至100℃保持30min，再升温至700℃保持2h。待管式炉降温至室温后取出样品，再研磨30min，得到CoFe₂O₄@C纳米粒子。

图1为CoFe₂O₄@C的透射电镜图，从图中可以观察到CoFe₂O₄@C呈球形状，能明显观察到核壳结构，其中CoFe₂O₄的粒径约100nm，包覆层厚度约7nm。

2)导热绝缘填料、多功能填料与有机硅复合：

c)取双组份加成型有机硅M组分、双组份加成型有机硅N组分、含氢硅油和端乙烯基硅油各1.5g，铂催化剂0.03g，再取25.38g中粒径为5μm的氧化铝、28.08g中粒径为80μm的氮化铝和0.54g的多功能填料。通过行星搅拌器将上述药品机械混合，参数设置为：混合模式：转速为2000rpm，时间为2min；排泡模式：转速2200rpm，时间为1min。

d)将步骤c)制备的混合液到入自制的模具中，再放入烘箱中升温至60℃，待完全固化后取出样品。

图2为复合材料的断面扫描电镜图，观察可见，无机填料排列致密且分布均匀，复合材料未见明显缺陷。

该实施例制备的有机硅复合材料具有导热绝缘和电磁屏蔽性能：采用Hot Disk法测得的导热系数为2.49W/(mK)；在500V试验电压下，体积电阻率为2.03×10¹⁶Ωcm；在8.2GHz的频率下，电磁屏蔽率达72.7％。

实施例2：

本实施例与实施例1的不同之处在于：

步骤a)中的磁性粒子为CuFeO₄，包覆的聚合物为聚多巴胺(PDA)，制备步骤为：在室温下，将0.6g的CuFeO₄和0.2g多巴胺加入到100ml、pH为8.5的三羟甲基氨基甲烷-盐酸(Tris-HCl)缓冲液中，机械搅拌10h制得CuFeO₄@PDA。

步骤b)取CuFeO₄@PDA烘干，研磨60min，研磨后放入管式炉中，通入氩气，升温至150℃保持30min，再升温至700℃保持1h。待管式炉降温至室温后取出样品，再研磨60min，得到CuFeO₄@C纳米粒子，即多功能填料。

该实施例制备的有机硅复合材料具有导热绝缘和电磁屏蔽性能：采用Hot Disk法测得的导热系数为2.46W/(mK)；在500V试验电压下，体积电阻率为4.77×10¹⁶Ωcm；在8.2GHz的频率下，电磁屏蔽率达78.9％。

实施例3：

实施例与实施例1的不同之处在于：

步骤c)取单组分加成型有机凝胶6.0g，铂催化剂24mg，再取50.0g中粒径为10μm的氧化锌和1.8g的多功能填料。通过行星搅拌器将上述药品机械混合，参数设置为：混合模式：转速为500rpm，时间为20min；排泡模式：转速800rpm，时间为5min。

d)将步骤c)制备的混合液到入自制的模具中，再放入烘箱中升温至40℃，待完全固化后取出样品。

该实施例制备的有机硅复合材料具有导热绝缘和电磁屏蔽性能：采用Hot Disk法测得的导热系数为1.59W/(mK)；在500V试验电压下，体积电阻率为5.20×10¹⁶Ωcm；在8.2GHz的频率下，电磁屏蔽率达70.6％。

实施例4：

实施例与实施例1的不同之处在于：

步骤c)取单组分缩合型硅橡胶12.0g，铂催化剂0.50g，再取42.0g中粒径为40μm的氧化铝和6.0g的多功能填料。通过行星搅拌器将上述药品机械混合，参数设置为：混合模式：转速为2000rpm，时间为15min；排泡模式：转速2000rpm，时间为10min。

d)将步骤c)制备的混合液到入自制的模具中，再放入烘箱中升温至80℃，待完全固化后取出样品。

该实施例制备的有机硅复合材料具有导热绝缘和电磁屏蔽性能：采用Hot Disk法测得的导热系数为1.79W/(mK)；在500V试验电压下，体积电阻率为7.20×10¹⁵Ωcm；在8.2GHz的频率下，电磁屏蔽率达81.6％。

本发明所列举的各原料，以及本发明各原料的上下限、区间取值，以及工艺参数(如温度、时间等)的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，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的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有导热绝缘和电磁屏蔽性能的有机硅复合材料，其特征在于：所述材料由按质量分数计的70％-95％的导热绝缘填料、1％-20％的多功能填料和4％-29％的有机硅基体组成；

其中多功能填料是通过在磁性粒子表面包覆无定型碳和石墨化碳中的任意一种或两种壳层材料构成。

2.如权利要求1所述的具有导热绝缘和电磁屏蔽性能的有机硅复合材料，其特征在于：所述导热绝缘填料为氧化铝、氮化铝、氮化硅、氮化硼、二氧化硅、氧化镁、氧化锌中的任意一种或至少两种的组合。

3.如权利要求1所述的具有导热绝缘和电磁屏蔽性能的有机硅复合材料，其特征在于：所述所述的磁性粒子，包括铁粉、铁的氧化物、铁氧体、铁铬、镍铁中的任意一种或至少两种的组合。

4.如权利要求1所述的具有导热绝缘和电磁屏蔽性能的有机硅复合材料，其特征在于：所述壳层材料的厚度为1nm-50nm。

5.如权利要求1所述的具有导热绝缘和电磁屏蔽性能的有机硅复合材料，其特征在于：所述有机硅基体由室温硫化型液体硅橡胶、硅油和催化剂组成；室温液体硅橡胶与硅油按质量比1:0-1:3，催化剂为有机硅基体质量的0.4％-0.5％。

6.如权利要求5所述的具有导热绝缘和电磁屏蔽性能的有机硅复合材料，其特征在于：所述室温硫化型液体硅橡胶为单组分加成型有机硅凝胶、双组分加成型有机硅凝胶、单组分缩合型有机硅凝胶和双组分缩合型有机硅凝胶中任意一种或至少两种的组合。

7.如权利要求5所述的具有导热绝缘和电磁屏蔽性能的有机硅复合材料，其特征在于：所述硅油为甲基硅油、乙烯基硅油、含氢硅油和苯基硅油中任意一种或至少两种的组合。

8.如权利要求1所述的具有导热绝缘和电磁屏蔽性能的有机硅复合材料，其特征在于：所述催化剂为铂络合物、钌络合物和铑络合物中任意一种或至少两种的组合。

9.一种具有导热绝缘和电磁屏蔽性能的有机硅复合材料的制备方法，其特征在于包含如下步骤：

1)将室温硫化型液体硅橡胶、硅油和催化剂混合均匀，得到反应液A；其中，室温液体硅橡胶与硅油按质量比1:0-1:3，催化剂为有机硅基体质量的0.4％-0.5％；

2)按质量分数计，将70％-95％的导热绝缘填料和1％-20％的多功能填料加入到4％-29％的反应液A中，机械混合，得到反应液B；

3)将反应液B倒入模具中，加热温度为40℃-80℃，待完全固化后取出，得到所述的有机硅复合材料。

10.如权利要求9所述的具有导热绝缘和电磁屏蔽性能的有机硅复合材料的制备方法，其特征在于：所述的多功能填料的制备方法如下：

1)多功能材料前驱体的制备，即在磁性材料表面包覆一层聚合物材料，所述的壳层厚度为1nm-50nm；

2)多功能材料的制备，将步骤1)获得的前驱体烘干后研磨30min-60min，在100℃-300℃下煅烧20min-30min，再升温至600℃-800℃煅烧，煅烧时间为1-2h，烧结过程通入惰性气体。取煅烧后样品研磨30min-60min，得到所述的多功能填料。

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