CN111410939B - 导热相变储能片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种导热相变储能片，其特征在于，包括多个导热块及多个相变储能块，多个所述导热块和多个所述相变储能块在沿所述导热相变储能片的延伸方向上间隔排列；所述导热块包括硅胶基体以及位于所述硅胶基体中的导热填料，所述导热填料包括纤维以及粉体颗粒，所述纤维在所述硅胶基体中沿所述导热相变储能片的厚度方向定向排列，所述粉体颗粒在所述硅胶基体中随机分布；所述相变储能块包括所述硅胶基体以及位于所述硅胶基体中的相变材料。本发明提供的所述导热相变储能片具有填料填充量小，导热系数高，蓄热系统的传热性能好，储热和蓄热时间短以及换热效率高的特点。本发明还公开了一种导热相变储能片的制备方法。

Description

导热相变储能片及其制备方法
技术领域
本发明涉及导热相变材料技术领域，尤其涉及一种导热相变储能片及其制备方法。
背景技术
近年来，随着5G技术的发展，大功率电子器件的散热成为电子工业发展亟待解决的关键问题之一。相变储能材料是利用相变材料在物态变化时，吸收或放出大量相变潜热而实现储热。在相变过程中，相变温度恒定，可实现控温的目的，使电子器件的温度维持在相变材料的相变温度附近，使温度控制在电子器件工作的最佳温度范围，从而保证电子器件工作的稳定性，并且延长电子器件的工作寿命。然而绝大多数的相变材料存在导热系数过低的问题，使蓄热系统的传热性能较差，储热和蓄热时间较长，进而降低了系统的热效率。
导热硅胶具有较高粘接性能和较好的导热效果，被广泛应用于填充发热元件(如CPU、GPU)和散热器接触面的间隙，将空气挤出接触面，可以使不同接触面更好的充分接触，在温度上的反应可以达到尽量小的温差。
导热硅胶通过在硅胶基体中填充导热填料，以提高其导热性能。然而，常用的导热填料主要是无机粉体，而无机粉体需要很高的填充量才能达到较高的热导率，而高填充量又会严重影响硅胶的机械性能。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种导热相变储能片，该导热相变储能片具有填料填充量小，导热系数高，蓄热系统的传热性能好，储热和蓄热时间短以及换热效率高的特点。
另，还有必要提供一种上述导热相变储能片的制备方法。
本发明提供一种导热相变储能片，包括：
多个导热块；及
多个相变储能块，多个所述导热块和多个所述相变储能块在沿所述导热相变储能片的延伸方向上间隔排列；
所述导热块包括硅胶基体以及位于所述硅胶基体中的导热填料，所述导热填料包括纤维以及粉体颗粒，所述纤维在所述硅胶基体中沿所述导热相变储能片的厚度方向定向排列，所述粉体颗粒在所述硅胶基体中随机分布；
所述相变储能块包括所述硅胶基体以及位于所述硅胶基体中的相变材料。
本发明还提供一种导热相变储能片的制备方法，包括如下步骤：
将纤维、粉体颗粒以及双组分硅胶混合，得到导热相材料；
将微/纳胶囊相变材料以及所述双组分硅胶混合，得到相变储能相材料；
将所述导热相以及所述相变储能相分别转入两个打印管中，并分别对两个所述打印管抽真空处理；
将两个所述打印管连接打印机进行打印；以及
固化、模切，得到所述导热相变储能片。
本发明通过将导热相与相变储能相分离，在一定程度上增加了所述导热填料的填充量，同时能够兼顾所述导热相变储能片的柔韧性，使得所述导热相变储能片同时具有优异的导热性以及柔韧性。同时，导热相中利用定向高导热纤维并使其定向排列，实现单向热量快速传递，提高了材料的导热系数以及相变材料的储热效率和速度，有效延缓了界面处的温升速度。其中相变材料使用微/纳胶囊相变材料，有效的防止了相变材料的泄露，增加了相变材料的稳定性。
附图说明
图1是本发明较佳实施例提供的导热相变储能片的结构示意图。
图2是图1中所示的导热块中纤维取向的扫描电镜(SEM)图。
图3是本发明较佳实施例提供的导热相变储能片的制备流程图。
主要元件符号说明
导热相变储能片 100
导热块 10
相变储能块 20
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
请参阅图1，本发明较佳实施方式提供一种导热相变储能片100，其可以应用于电子元器件、电池材料、电动汽车、建筑节能、太阳能利用、工业余热回收、电力削峰填谷及航空航天等领域。所述导热相变储能片100包括导热块10以及相变储能块20。
所述导热块10包括硅胶基体以及位于所述硅胶基体中的导热填料。在本实施方式中，所述硅胶基体为双组分硅胶。两个组分的用量比例可根据所述硅胶基体的硬度进行调整。所述硅胶基体在所述导热块10中的体积比为30％-50％。
在本实施方式中，所述导热填料包括纤维以及粉体颗粒。请参阅图2，其中，所述纤维在所述硅胶基体中沿所述硅胶基体的厚度方向定向排列。具体地，所述纤维的轴向方向与所述硅胶基体的厚度大致平行。所述纤维在所述导热块10中的体积比为10％-40％。如果所述纤维在所述导热块中的体积比少于10％，则整个所述导热块的热导率将会下降，从而难以获得足够低的热阻；如果所述纤维在所述导热块中的体积比高于40％，则会对所述导热块的成型以及纤维的取向产生影响。
所述纤维包括沥青基碳纤维、石墨烯纤维、碳纳米管纤维以及石墨纤维中的至少一种。优选地，所述纤维为沥青基碳纤维。所述沥青基碳纤维在生产制备上以及导热性等方面相较其他纤维均具有较大的优势。其中，所述沥青基碳纤维的直径为5-15μm，所述沥青基碳纤维的长度50-500μm。优选地，所述沥青基碳纤维的直径为10μm，所述沥青基碳纤维的长度150μm或250μm。
在本实施方式中，所述粉体颗粒在所述硅胶基体中随机分布。其中，所述粉体颗粒在所述导热块10中的体积比为10％-60％。如果所述粉体颗粒在所述导热块10中的体积比少于10％，则所述导热块10的热导率会降低，同时也不利于所述纤维的分散；如果所述粉体颗粒在所述导热块10中的体积比高于60％，则会影响所述纤维的取向，同时也导致所述导热块10的硬度较大。
所述粉体颗粒包括氧化铝粉体、氧化锌粉体、氧化镁粉体、氮化铝粉体、氮化硼粉体、碳化硅粉体、氮化硅粉体、金刚石粉体、石墨、膨胀石墨、碳纳米管、石墨烯以及金属粉体中的至少一种。其中，所述粉体颗粒的粒径为50nm-100μm。优选地，所述粉体颗粒的粒径为500nm-10μm。
在本实施方式中，所述粉体颗粒为氧化铝粉体、氮化铝粉体，且所述氧化铝粉体可经过表面改性。经过表面改性的所述氧化铝粉体可提高所述氧化铝粉体在所述硅胶基体中的分散性以及改善所述导热块10的柔韧性。其中，所述氧化铝粉体的表面改性可通过以下方法：
将去离子水和乙醇按比例混合作为溶剂，并向该溶剂中加入偶联剂，在80℃恒温水浴中加热搅拌0.5h之后，加入所述氧化铝粉末，并在80℃恒温水浴中加热搅拌3h，依次经过过滤、清洗以及干燥处理，得到表面改性的氧化铝粉末。其中，所述偶联剂可为硅烷偶联剂。
其中，所述氧化铝粉末的粒径为30nm-70μm。优选地，所述氧化铝粉末的粒径为500nm-10μm。同时也可以进行不同粒度的级配，使得不同粒径的所述氧化铝可以有效接触，提高导热率。在本实施方式中，所述偶联剂为硅烷偶联剂。优选地，所述偶联剂为十六烷基三甲氧基硅烷(9116)。其中，所述偶联剂所用量为填料质量的6‰-2％。
所述相变储能块20包括所述硅胶基体以及相变材料。在本实施方式中，所述硅胶基体在所述相变储能块20中的体积比为30％-70％。
所述相变材料为固-固相变材料以及固-液相变材料中的至少一种。在本实施方式中，所述相变材料为固-液相变材料。具体地，所述固-液相变材料为微/纳胶囊相变材料。其中，所述微/纳胶囊相变材料的粒径为10nm-100μm。优选地，所述微/纳胶囊相变材料的粒径为500nm-50μm。所述微/纳胶囊相变材料在所述相变储能块20中的体积比为30％-70％。如果所述微/纳胶囊相变材料在所述相变储能块20中的体积比低于30％时，将使得整个所述相变储能块20的储能值下降；如果所述微/纳胶囊相变材料在所述相变储能块20中的体积比高于70％时，则不利于微/纳胶囊相变材料在所述硅胶基体中的分散。
在本实施方式中，所述微/纳胶囊相变材料为核壳结构，所述核壳结构包括芯材和包围所述芯材的壁材。其中，所述芯材为相变材料，所述壁材为聚合物或无机材料。优选地，所述壁材为无机材料。其中，所述聚合物可为聚乙烯，所述无机材料可为氧化铝以及二氧化硅等。
如图1所示，在本实施方式中，所述导热相变储能片100中的所述导热块10与所述相变储能块20均为方片形状且呈网格状间隔分布。
请参阅图3，本发明较佳实施方式还提供一种导热相变储能片的制备方法，包括如下步骤：
S11、将纤维、粉体颗粒以及双组分硅胶混合，得到导热相材料。
具体地，称取一定质量的纤维和粉体颗粒进行干混，混合均匀之后加入双组分硅胶，搅拌之后再真空搅拌2-4h以进行脱泡处理，并使用压料机进行压料，得到导热相材料。
其中，所述导热相材料中还可包括抑制剂。所述抑制剂用于抑制催化反应，延迟固化。所述抑制剂可为乙炔基环己醇。
此外，所述导热相材料中还可包括铂金催化剂。所述铂金催化剂用于催化所述双组分硅胶发生的催化加氢反应。
S12、将微/纳胶囊相变材料以及所述双组分硅胶混合，得到相变储能相材料。
具体地，称取一定质量的微/纳胶囊相变材料，并向所述微/纳胶囊相变材料中加入双组分硅胶，搅拌均匀之后再真空搅拌2-4h以进行脱泡处理，并使用压料机进行压料，得到相变储能相材料。
S13、将所述导热相材料以及所述相变储能相材料分别转入两个打印管中，并分别对两个所述打印管抽真空处理。
其中，可在真空烘箱中对两个所述打印管抽真空处理。
S14、将两个所述打印管连接打印机进行打印。
其中，所述打印机为3D打印机。在打印时，在挤出的过程中对所述导热相材料中的纤维进行取向，以使其定向排列。
S15、固化、模切，得到所述导热相变储能片。
其中，所述导热相材料固化、模切后为导热块10，所述相变储能相材料固化、模切后为相变储能块20。在本实施方式中，固化过程可在烘箱中进行。其中，所述固化的温度为100℃-180℃。固化时间视产物的大小而定。
其中，可使用超声波切割刀对固化成型的导热相变储能块体进行切割，以得到所述导热相变储能片100。其中，切割的厚度为0.3-5mm。即所述导热相变储能片100的厚度为0.3-5mm，详情见图1。可以理解的，可根据实际需要切割得到任意厚度的所述导热相变储能片100。
下面通过实施例对本发明进行具体说明。
实施例1
第一步、称取79.2g长度为250μm的沥青基碳纤维以及382.2g粒径为5μm的氧化铝粉体，按两种硅胶组分为1:1的比例加入71g双组分硅胶，再加入0.08g乙炔基环己醇，搅拌之后再真空搅拌2-4h以进行脱泡处理，并使用压料机进行压料，配成导热相材料。
第二步、称取164.8g粒径为5μm的微/纳胶囊相变材料，按两种硅胶组分为1:1的比例加入71g所述双组分硅胶，再加入0.08g所述抑制剂，搅拌之后再真空搅拌2-4h以进行脱泡处理，并使用压料机进行压料，配成相变储能相材料。
第三步、将上述第一步和第二步中的导热相材料以及相变储能相材料分别转入A、B打印管中，并分别进行抽真空处理。
第四步、将两个所述打印管连接3D打印机进行打印，并设置打印机的程序。其中，出料的速度设定为45mm/s，喷头直径为4mm，长度为80mm。
第五步、将打印完毕的材料转移到真空烘箱，并抽真空处理。其中，抽真空的速率为0.5L/s。
第六步、固化所述导热相材料以及所述相变储能相材料，并将固化温度设定为100℃，固化时间设定为5h。
第七步、模切，切割厚度为0.5mm。
实施例2
第一步、将去离子水与乙醇按照质量比5:1配成混合液，并向其中加入占氧化铝质量1％的偶联剂9116，在80℃恒温水浴中搅拌0.5h。
第二步、加入一定质量粒径为3μm的氧化铝粉体，在80℃恒温水浴搅拌3h，进行偶联，并依次过滤、清洗以及干燥处理，待用。
第三步、称取66g长度为250μm的沥青基碳纤维以及351g偶联之后的粒径为3μm的所述氧化铝粉体，按两种硅胶组分为1:1的比例加入80g的双组分硅胶，搅拌之后再真空搅拌2-4h以进行脱泡处理，并使用压料机进行压料，配成导热相材料。
第四步、称取172.2g粒径为5μm的微/纳胶囊相变材料，按两种硅胶组分为1:1的比例加入60g所述双组分硅胶，搅拌之后再真空搅拌2-4h以进行脱泡处理，并使用压料机进行压料，配成相变储能相材料。
第五步至第七步与实施例1中的第三步至第五步相同，请参考实施例1。
第八步、固化所述导热相材料以及所述相变储能相材料，并将固化温度设定为130℃，固化时间设定为5h。
第九步与实施例1中的第七步相同，请参考实施例1。
实施例3
第一步、称取52.8g长度为250μm的沥青基碳纤维以及153.6g粒径为1μm的氮化铝粉体，按两种硅胶组分为1:2的比例加入48g的双组分硅胶，再加入0.7g十六烷基三甲氧基硅烷，搅拌之后再真空搅拌2-4h以进行脱泡处理，并使用压料机进行压料，配成导热相材料。
第二步、称取103.3g粒径为5μm的微/纳胶囊相变材料，按两种硅胶组分为1:1的比例加入36g所述双组分硅胶，搅拌之后再真空搅拌2-4h以进行脱泡处理，并使用压料机进行压料，配成相变储能相材料。
第二步至第五步与实施例1中的第二步至第五步相同，请参考实施例1。
第六步、固化所述导热相材料以及所述相变储能相材料，并将固化温度设定为130℃，固化时间设定为5h。
第七步与实施例1中的第七步相同，请参考实施例1。
实施例4
第一步、称取79.2g长度为150μm的沥青基碳纤维、23.4g粒径为5μm的氧化铝粉体以及268.8g粒径为1μm的氮化铝粉体，按两种硅胶组分为1:2的比例加入74g的双组分硅胶，再加入0.1g乙炔基环己醇、2g十六烷基三甲氧基硅烷以及0.06g铂金催化剂，搅拌之后再真空搅拌2-4h以进行脱泡处理，并使用压料机进行压料，配成导热相材料。
第二步、称取172.2g粒径为5μm的微/纳胶囊相变材料，按两种硅胶组分1:1的比例加入60g所述双组分硅胶，再加入0.08g所述抑制剂，进行搅拌，然后真空搅拌2-4h进行脱泡处理，并使用压料机进行压料，配成相变储能相材料。
第三步至第五步与实施例1中的第三步至第五步相同，请参考实施例1。
第六步、固化所述导热相材料以及所述相变储能相材料，并将固化温度设定为130℃，固化时间设定为5h。
第七步与实施例1中的第七步相同，请参考实施例1。
对实施例1至实施例4制备得到的导热相变储能片施加1kgf/cm2的载荷，根据ASTM-D5470标准进行热学测试，测试结果请参阅表1。
表1本发明实施例1～4具体制备条件以及热学测试结果
Figure BDA0002443808930000091
Figure BDA0002443808930000101
由此可知，本发明实施例1-4制备的所述导热相变储能片的热导率高达5-20w/(m·k)，储存能量值高达30-60KJ/Kg。即，实施例1-4的导热相变储能片在保证较高的储能值的同时，也具有较高的热导率。而且，实施例1-4的导热相变储能片中，所述粉体颗粒在所述导热块10中的体积比经计算大致为40％，相较于现有技术制备的导热性片材中无机粉体的填充量体积比一般超过80％，容易损失片材的柔韧性，实施例1-4制备的导热相变储能片兼顾了导热性以及柔韧性。
本发明将导热块10与相变储能块20分别成型，在一定程度上增加了所述导热填料的填充量，同时能够兼顾所述导热相变储能片100的柔韧性，使得所述导热相变储能片100同时具有优异的导热性以及柔韧性。同时，所述导热块10中引入高导热纤维并使其定向排列，进一步提升了材料的热导率，随着导热系数的提高增强了所述相变材料的储热效率和速度，有效延缓了界面处的温升速度。同时所述相变材料采用微/纳胶囊相变材料，有效的防止了所述相变材料的泄露，增加了所述相变材料的稳定性。硅胶基体的使用，使得该导热相变储能片100的柔韧性好，在散热结构中能够很好的实现界面贴合。而且，本发明中的所述导热相变储能片100通过双喷头3D打印技术制备，制备工艺简单易行。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和实质。

Claims (9)

1.一种导热相变储能片，其特征在于，包括：
多个导热块；及
多个相变储能块，多个所述导热块和多个所述相变储能块在沿所述导热相变储能片的延伸方向上间隔排列；
所述导热块包括硅胶基体以及位于所述硅胶基体中的导热填料，所述导热填料包括纤维以及粉体颗粒，所述纤维在所述硅胶基体中沿所述导热相变储能片的厚度方向定向排列，所述纤维在所述导热块中的体积比为10％-40％，所述粉体颗粒在所述硅胶基体中随机分布；
所述相变储能块包括所述硅胶基体以及位于所述硅胶基体中的相变材料。
2.如权利要求1所述的导热相变储能片，其特征在于，所述纤维包括沥青基碳纤维、石墨烯纤维、碳纳米管纤维以及石墨纤维中的至少一种。
3.如权利要求2所述的导热相变储能片，其特征在于，当所述纤维为沥青基碳纤维时，所述沥青基碳纤维的直径为5-15μm，所述沥青基碳纤维的长度50-500μm。
4.如权利要求1所述的导热相变储能片，其特征在于，所述粉体颗粒包括氧化铝粉体、氧化锌粉体、氧化镁粉体、氮化铝粉体、氮化硼粉体、碳化硅粉体、氮化硅粉体、金刚石粉体、石墨、膨胀石墨、碳纳米管、石墨烯以及金属粉体中的至少一种。
5.如权利要求1所述的导热相变储能片，其特征在于，所述粉体颗粒在所述导热块中的体积比为10％-60％。
6.如权利要求1所述的导热相变储能片，其特征在于，所述粉体颗粒的粒径为50nm-100μm，所述粉体颗粒经过表面改性处理。
7.如权利要求1所述的导热相变储能片，其特征在于，所述相变材料为固-固相变材料以及固-液相变材料中的至少一种，所述相变材料包括微/纳胶囊相变材料，所述微/纳胶囊相变材料的粒径为10nm-100μm，所述微/纳胶囊相变材料在所述相变储能块中的体积比为30％-70％。
8.如权利要求1所述的导热相变储能片，其特征在于，所述硅胶基体为双组分硅胶，所述硅胶基体在所述导热块中的体积比为30％-50％，所述硅胶基体在所述相变储能块中的体积比为30％-70％。
9.一种如权利要求1至8中任一项所述的导热相变储能片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将纤维、粉体颗粒以及双组分硅胶混合，得到导热相材料；
将微/纳胶囊相变材料以及所述双组分硅胶混合，得到相变储能相材料；
将所述导热相材料以及所述相变储能相材料分别转入两个打印管中，并分别对两个所述打印管抽真空处理；
将两个所述打印管连接打印机进行打印，在打印时，在挤出的过程中对所述导热相材料中的纤维进行取向，以使所述纤维定向排列；以及
固化、模切，得到所述导热相变储能片。
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