CN112087914A - 柔性导热条、导热索 - Google Patents

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江南
林正得
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Abstract

本发明涉及一种柔性导热条、导热索，所述柔性导热条包括碳基纤维和多层碳基薄膜，多层所述碳基薄膜层叠设置以形成导热膜组，所述导热膜组设有多个沿厚度H方向贯穿的缝合孔，所述碳基纤维穿插于所述缝合孔。本发明的柔性导热条中，多层碳基薄膜通过碳基纤维穿插固定后，不仅可以提高柔性导热条沿厚度方向的热导率，而且可以提高柔性导热条的拉伸强度。从而，将其用于导热索时，可基于热传导模式实现电子器件到热沉材料的快速散热，有利于提高电子器件的稳定性和使用寿命。

Description

柔性导热条、导热索
技术领域
本发明涉及热传导技术领域，特别是涉及柔性导热条、导热索。
背景技术
导热索包括中间的柔性导热段以及两端的发热器件连接端和热沉连接端，主要用于空天环境中移动热源与热沉之间的热量传递，所以，导热索在需要保持高效率散热的同时，还需要兼顾柔性以及抗拉强度。
然而，随着我国空间技术的不断发展，卫星的探测系统，如高分辨率光学相机、红外探测器等对高精度控温提出了越来越高的要求。另一方面，探测系统内部的半导体器件也不断朝着小型化、高集成方向发展，导致功率密度越来越大，对散热要求越来越高。所以，传统的柔性金属导热索(金属丝、箔片为中间柔性导热段)和柔性石墨导热索(柔性石墨为中间柔性导热段)已经无法保证卫星上探测器的温度分布均匀性以及散热要求，系统的热管理成为一个急需解决的问题。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种柔性导热条、导热索；所述柔性导热条的导热率高、柔性好，用于导热索可基于热传导模式实现电子器件到热沉材料的快速散热，有利于提高电子器件的稳定性和使用寿命。
一种柔性导热条，包括碳基纤维和多层碳基薄膜，多层所述碳基薄膜层叠设置以形成导热膜组，所述导热膜组设有多个沿厚度H方向贯穿的缝合孔，所述碳基纤维穿插于所述缝合孔。
在其中一个实施例中，所述碳基纤维沿柔性导热条的长度L方向穿插于所述缝合孔，以使所述碳基纤维形成长度L方向和厚度H方向的交错结构；
或者，所述碳基纤维沿柔性导热条的宽度W方向穿插于所述缝合孔，以使所述碳基纤维形成宽度W方向和厚度H方向的交错结构。
在其中一个实施例中，所述碳基纤维的数量为多条，多条所述碳基纤维沿柔性导热条的长度L方向穿插于所述缝合孔，以使多条所述碳基纤维形成长度L方向和厚度H方向的交错结构；
或者，多条所述碳基纤维沿柔性导热条的宽度W方向穿插于所述缝合孔，以使多条所述碳基纤维形成宽度W方向和厚度H方向的交错结构。
在其中一个实施例中，所述碳基纤维的数量为多条，至少一条所述碳基纤维沿柔性导热条的长度L方向穿插于所述缝合孔形成长度L方向和厚度H方向的交错结构，至少一条所述碳基纤维沿柔性导热条的宽度W方向穿插于所述缝合孔形成宽度W方向和厚度H方向的交错结构，以使多条所述碳基纤维形成长度L方向、宽度W方向和厚度H方向的交错结构。
在其中一个实施例中，所述碳基薄膜的厚度为12μm～100μm。
在其中一个实施例中，所述柔性导热条的厚度为0.05mm～5mm，密度为1.5g/cm3～2.1g/cm3。
一种导热索，包括发热器件连接件、热沉连接件和如上所述的柔性导热条，所述发热器件连接件和热沉连接件分别连接于所述柔性导热条的长度L方向的两端。
在其中一个实施例中，所述柔性导热条的长度L方向的至少一端设置有金属层，所述发热器件连接件和/或所述热沉连接件通过所述金属层与所述柔性导热条固定连接。
在其中一个实施例中，所述柔性导热条的长度L方向的两端均设置有金属层，所述发热器件连接件和所述热沉连接件均通过所述金属层与所述柔性导热条固定连接。
在其中一个实施例中，所述金属层包括金层、银层、铜层、镍层、钛层中的一种。
本发明的柔性导热条中，多层碳基薄膜通过碳基纤维穿插固定后，不仅可以提高柔性导热条沿厚度方向的热导率，而且可以提高柔性导热条的拉伸强度。从而，将其用于导热索时，可基于热传导模式实现电子器件到热沉材料的快速散热，有利于提高电子器件的稳定性和使用寿命。
附图说明
图1为本发明柔性导热条的一实施方式的结构示意图；
图2为本发明柔性导热条的另一实施方式的结构示意图；
图3为本发明柔性导热条的一实施方式的俯视图；
图4为本发明导热索的一实施方式结构示意图；
图5为本发明导热索的另一实施方式结构示意图。
图中：10、柔性导热条；20、发热器件连接件；30、热沉连接件；101、导热模组；102、碳基纤维；103、金属层；101a、碳基薄膜。
具体实施方式
以下将对本发明提供的柔性导热条、导热索作进一步说明。
本发明提供的柔性导热条具有优异的柔性、拉伸强度和热导率，主要用于导热索以替代传统的金属丝、金属箔、石墨等柔性导热段，可基于热传导模式实现电子器件到热沉材料的快速散热，有利于提高电子器件的稳定性和使用寿命。
如图1所示，本发明提供的柔性导热条10包括碳基纤维102和多层碳基薄膜101a，多层所述碳基薄膜101a层叠设置以形成导热膜组101，所述导热膜组101设有多个沿厚度H方向贯穿的缝合孔，所述碳基纤维102穿插于所述缝合孔。从而，所述碳基纤维102将所述导热模组101中的多层所述碳基薄膜101a连成一体。
碳基薄膜101a的长度L方向热导率(面内热导率)高，厚度H方向热导率(面外热导率)低，碳基薄膜101a层叠设置形成的导热模组101的厚度方向导热率最高为2W/mK左右。此时，通过所述碳基纤维102的穿插固定，所述碳基纤维102可以在导热模组101的厚度H方向构成导热通路，使导热模组101的厚度方向热导率提高至3W/mK及以上，从而使导热模组101中的各层碳基薄膜101a之间可以更好的进行热量的相互传导。因此，当发热器件的热量主要传导至导热模组101的某一部位(如最顶层)的碳基薄膜101a时，部分热量可以通过碳基纤维102传导至导热模组101中的其它碳基薄膜101a上进行热量的传导，以使导热模组101中各碳基薄膜101a的导热更均匀、效率更高，以实现快速散热的目的。
另外，通过所述碳基纤维102的穿插固定后，柔性导热条10的拉伸强度更高，可以达到25MPa及以上，以使柔性导热条10在使用时更稳定。
具体的，所述缝合孔的孔径和孔间距不限，而所述碳基纤维102穿插于所述缝合孔的方式不限，优选沿缝合孔顺序穿插，形成如图1所示的类似城墙的锯齿状结构，或者形成如图2所示“工”字状的交错结构。
考虑到热量传导的速率和拉伸强度的性能，优选所述碳基纤维102沿柔性导热条10的长度L方向穿插于所述缝合孔，以使所述碳基纤维102形成长度L方向和厚度H方向的交错结构；或者，所述碳基纤维102沿柔性导热条10的宽度W方向穿插于所述缝合孔，以使所述碳基纤维102形成宽度W方向和厚度H方向的交错结构。
当然，为了更好的固定导热模组101中的各层碳基薄膜101a，以及形成更多的厚度方向的导热通路，所述碳基纤维102的数量为多条，多条所述碳基纤维102沿柔性导热条10的长度L方向穿插于所述缝合孔，以使多条所述碳基纤维102形成长度L方向和厚度H方向的交错结构；或者，多条所述碳基纤维102沿柔性导热条10的宽度W方向穿插于所述缝合孔，以使多条所述碳基纤维102形成宽度W方向和厚度H方向的交错结构。
优选的，如图3所示，所述碳基纤维102的数量为多条，至少一条所述碳基纤维102沿柔性导热条10的长度L方向穿插于所述缝合孔形成长度L方向和厚度H方向的交错结构，至少一条所述碳基纤维102沿柔性导热条10的宽度W方向穿插于所述缝合孔形成宽度W方向和厚度H方向的交错结构，以使多条所述碳基纤维102形成长度L方向、宽度W方向和厚度H方向的交错结构。从而更好的提高柔性导热条10的厚度方向的导热率和柔性导热条10的拉伸强度。
具体的，所述碳基薄膜101a包括石墨烯薄膜、石墨薄膜、石墨烯/碳纳米管复合薄膜、碳纳米管薄膜中的一种。其中，石墨烯是已知材料中导热系数最高的材料，其面内导热率可达到5,300W/mK。以石墨烯为原料制备的石墨烯薄膜面内热导率可高达1,000W/mK。所以，所述碳基薄膜101a优选为石墨烯薄膜、石墨烯/碳纳米管复合薄膜、碳纳米管薄膜中的一种。
但是，高面内导热率的石墨烯薄膜通常厚度较低，一般不超过30μm，因此，石墨烯薄膜总的热通量较小，导致整体组件热阻较大。而随着其厚度的增加，石墨烯薄膜中石墨烯又难以维持其良好的取向，在厚度达到0.3mm以上，面内导热率难以超过600W/mK，更为致命的是，石墨烯薄膜随着厚度的增加柔性变差，使用过程中容易断裂。所以，优选所述碳基薄膜101的厚度为12μm～100μm。
同样，考虑到石墨烯材料的导热系数，所述碳基纤维102优选包括石墨烯纤维、碳纳米管纤维、碳纤维中的一种。
在保证柔性导热条10高效率散热的同时，为了兼顾柔性，所述柔性导热条10的厚度为0.05mm～5mm，密度为1.5g/cm3～2.1g/cm3。进一步的，通过碳基薄膜101a的厚度和层叠层数的选择，碳基纤维102的材料和条数的选择，使所述柔性导热条10的厚度优选为0.1mm～4.5mm，更优选为0.1mm～4mm，密度优选为1.6g/cm3～2.1g/cm3，更优选为1.7g/cm3～2.1g/cm3。
在通过碳基薄膜101a的厚度和层叠层数的选择以及碳基纤维102的材料和条数的选择，以控制柔性导热条10的厚度和密度的同时，优选使柔性导热条10的面内热导率不低于800W/mK，进一步优选不低于1000W/mK，更优选不低于1200W/mK，优选使柔性导热条10的面外热导率不低于5W/mK，进一步优选不低于7W/mK，更优选不低于10W/mK，优选使柔性导热条10的拉伸强度不低于35MPa，进一步优选不低于40MPa。
如图4所示，本发明还提供一种导热索，包括发热器件连接20、热沉连接件30和如上述的柔性导热条10，所述发热器件连接件20和热沉连接件30分别连接于所述柔性导热条10的长度L方向的两端。从而，该导热索可基于热传导模式实现电子器件到热沉材料的快速散热，有利于提高电子器件的稳定性和使用寿命。
如图5所示，为了提高柔性导热条10与发热器件连接20、热沉连接件30的润湿性，提高界面强度及降低界面热阻。所述柔性导热条10的长度L方向的至少一端设置有设置有金属层103，所述发热器件连接件20和/或所述热沉连接件30通过所述金属层103与所述柔性导热条10固定连接。优选的，所述柔性导热条10的长度L方向的两端均设置有金属层103，所述发热器件连接件20和所述热沉连接件30均通过所述金属层103与所述柔性导热条10固定连接。
其中，所述金属层103包括金层、银层、铜层、镍层、钛层中的一种。所述金属层103通过磁控溅射等方式形成于所述柔性导热条10的两端。
以下，将通过以下具体实施例对所述柔性导热条、导热索做进一步的说明。
实施例1：
将厚度为25μm的石墨烯薄膜(面内热导率为1300W/mK)进行激光打孔处理，孔径100μm，孔距2mm。将10片上述打孔的石墨烯薄膜层叠设置形成导热模组，然后使用碳纤维原丝沿缝合孔顺序进行缝接，缝接方向包括横向和纵向两个方向，形成交错结构。将缝合后的导热模组进行300℃预氧化处理和1000℃高温碳化处理，使碳纤维原丝转化为碳纤维，制成柔性导热条。
将柔性导热条的长度L方向的两端先镀3μm的Ti，然后再镀3μm的银，最后将两端分别与铜发热器件连接件和铜热沉连接件采用钎焊焊接，焊接温度为1100℃，保温时间为30min，随炉冷却，获得导热索。
实施例2：
将厚度为100μm的石墨烯/碳纳米管复合薄膜(面内热导率为1200W/mK)进行激光打孔处理，孔径100μm，孔距2mm。将5片上述打孔的石墨烯/碳纳米管复合薄膜层叠设置形成导热模组，然后用使用碳纤维原丝沿缝合孔顺序进行缝接，缝接方向包括横向和纵向两个方向，形成交错结构。将缝合后的导热模组进行300℃预氧化处理和1000℃高温碳化处理，使碳纤维原丝转化为碳纤维，制成柔性导热条。
将柔性导热条的长度L方向的两端先镀3μm的Ti，然后再镀3μm的银，最后将两端分别与铝合金发热器件连接件和铝合金热沉连接件采用钎焊焊接，焊接温度为650℃，保温时间为20min，随炉冷却，获得导热索。
实施例3：
将厚度为25μm的石墨烯薄膜(面内热导率为1300W/mK)进行激光打孔处理，孔径100μm，孔距2mm。将10片上述打孔的石墨烯薄膜层叠设置形成导热模组，然后用使用石墨烯纤维沿缝合孔顺序进行缝接，缝接方向包括横向和纵向两个方向，形成交错结构，制成柔性导热条。
将柔性导热段的长度L方向的两端镀覆3μm的金，最后将两端分别与铝发热器件连接件和铝热沉连接件采用钎焊焊接，焊接温度为670℃，保温时间为20min，随炉冷却，获得导热索。
实施例4：
将厚度为50μm的石墨薄膜(面内热导率为1100W/mK)进行激光打孔处理，孔径100μm，孔距2mm。将20片上述打孔的石墨薄膜层叠设置形成导热模组，然后用使用氧化石墨烯纤维沿缝合孔顺序进行缝接，缝接方向包括横向和纵向两个方向，形成交错结构，将缝合后的导热模组进行1000℃高温碳化处理和2850℃高温石墨化处理，使氧化石墨烯纤维转变为石墨烯纤维，制成柔性导热条。
将柔性导热条的长度L方向的两端镀3μm的银，最后将两端分别与铜合金发热器件连接件和铜合金热沉连接件采用钎焊焊接，焊接温度为670℃，保温时间为20min，随炉冷却，获得导热索。
实施例5：
将厚度为25μm的石墨烯/碳纳米管复合薄膜(面内热导率为1400W/mK)进行激光打孔处理，孔径100μm，孔距2mm。将3片上述打孔的石墨烯/碳纳米管复合薄膜层叠设置形成导热模组，然后用使用碳纤维原丝沿缝合孔顺序进行缝接，缝接方向包括横向和纵向两个方向，形成交错结构，将缝合后的导热模组进行300℃预氧化处理和1000℃高温碳化处理，使碳纤维原丝转化为碳纤维，制成柔性导热条。
将柔性导热条的长度L方向的两端先镀3μm的Ti，然后再镀3μm的银，最后将两端分别与铜合金发热器件连接件和铜合金热沉连接件采用钎焊焊接，焊接温度为670℃，保温时间为20min，随炉冷却，获得导热索。
实施例6：
将厚度为12μm的石墨烯/碳纳米管复合薄膜(面内热导率为1600W/mK)进行激光打孔处理，孔径100μm，孔距2mm。将4片上述打孔的石墨烯/碳纳米管复合薄膜层叠设置形成导热模组，然后用使用石墨烯纤维沿缝合孔顺序进行缝接，缝接方向包括横向和纵向两个方向，形成交错结构，制成柔性导热条。
将柔性导热条的长度L方向的两端镀3μm的铜，最后将两端分别与铜发热器件连接件和铜热沉连接件采用钎焊焊接，焊接温度为670℃，保温时间为20min，随炉冷却，获得导热索。
将实施例1～实施例6的柔性导热条进行性能测试，结果如表1所示。
表1
Figure BDA0002094768800000091
Figure BDA0002094768800000101
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种柔性导热条，其特征在于，包括碳基纤维和多层碳基薄膜，多层所述碳基薄膜层叠设置以形成导热膜组，所述导热膜组设有多个沿厚度H方向贯穿的缝合孔，所述碳基纤维穿插于所述缝合孔。
2.根据权利要求1所述的柔性导热条，其特征在于，所述碳基纤维沿柔性导热条的长度L方向穿插于所述缝合孔，以使所述碳基纤维形成长度L方向和厚度H方向的交错结构；
或者，所述碳基纤维沿柔性导热条的宽度W方向穿插于所述缝合孔，以使所述碳基纤维形成宽度W方向和厚度H方向的交错结构。
3.根据权利要求2所述的柔性导热条，其特征在于，所述碳基纤维的数量为多条，多条所述碳基纤维沿柔性导热条的长度L方向穿插于所述缝合孔，以使多条所述碳基纤维形成长度L方向和厚度H方向的交错结构；
或者，多条所述碳基纤维沿柔性导热条的宽度W方向穿插于所述缝合孔，以使多条所述碳基纤维形成宽度W方向和厚度H方向的交错结构。
4.根据权利要求2所述的柔性导热条，其特征在于，所述碳基纤维的数量为多条，至少一条所述碳基纤维沿柔性导热条的长度L方向穿插于所述缝合孔形成长度L方向和厚度H方向的交错结构，至少一条所述碳基纤维沿柔性导热条的宽度W方向穿插于所述缝合孔形成宽度W方向和厚度H方向的交错结构，以使多条所述碳基纤维形成长度L方向、宽度W方向和厚度H方向的交错结构。
5.根据权利要求1所述的柔性导热条，其特征在于，所述碳基薄膜的厚度为12μm～100μm。
6.根据权利要求4所述的柔性导热条，其特征在于，所述柔性导热条的厚度为0.05mm～5mm，密度为1.5g/cm3～2.1g/cm3。
7.一种导热索，其特征在于，包括发热器件连接件、热沉连接件和如权利要求1～6任一项所述的柔性导热条，所述发热器件连接件和热沉连接件分别连接于所述柔性导热条的长度L方向的两端。
8.根据权利要求7所述的导热索，其特征在于，所述柔性导热条的长度L方向的至少一端设置有金属层，所述发热器件连接件和/或所述热沉连接件通过所述金属层与所述柔性导热条固定连接。
9.根据权利要求8所述的导热索，其特征在于，所述柔性导热条的长度L方向的两端均设置有金属层，所述发热器件连接件和所述热沉连接件均通过所述金属层与所述柔性导热条固定连接。
10.根据权利要求8所述的导热索，其特征在于，所述金属层包括金层、银层、铜层、镍层、钛层中的一种。
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