CN112218511A

CN112218511A - 复合材料、其制备方法及用途

Info

Publication number: CN112218511A
Application number: CN201910630643.7A
Authority: CN
Inventors: 黄毅; 陈永胜; 陈宏辉; 王子源
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2019-07-12
Filing date: 2019-07-12
Publication date: 2021-01-12

Abstract

本申请涉及复合材料，其包括磁性吸波粉、高分子基质和碳基纤维或金属纤维的混合物；其中，所述复合材料为纤维取向的复合材料。还涉及所述复合材料的制备方法及其用途，其兼具低搭接阻抗、散热以及电磁屏蔽功能。

Description

复合材料、其制备方法及用途

技术领域

本申请属于材料领域。具体而言，本申请涉及复合材料、其制备方法及用途。更具体地，本申请涉及电子设备的散热、电磁波屏蔽、电连接技术领域，特别涉及一种具有高电导率的强散热及电磁屏蔽效能的柔性复合薄膜及其制备方法和用途。

背景技术

随着电子信息技术的爆炸式发展，电子设备越来越倾向于小型轻薄化，设备内部的各种元器件(如芯片)的集成度越来越高、器件性能也不断攀升，随之而来的是单位面积内更高的热量生成和电磁波辐射功率，引起散热和电磁干扰问题。特别是随着第五代移动通信技术(5G)的到来，更高频率和带宽的引入、硬件单元的进一步升级、天线数量的成倍增长以及物联网设备的逐步普及，设备之间以及设备内部各个电子元器件间的电磁干扰无处不在，电磁干扰和电磁辐射对电子设备的危害日益严重。因此，相应的屏蔽、散热元件的整合度和效能同样需要加倍的提高，以解决困扰新一代高频率、高功率电子设备的关键电磁屏蔽和散热问题。因此电磁屏蔽和散热材料在电子产品内部的作用将愈发重要，未来需求也将持续增长。

电子设备的小型化对设备内部相关的散热、电磁屏蔽元件提出了更高的要求。目前商用的电磁波屏蔽片，其导热性较低，设备散热效果不佳。现今应用中，通常使用铜、铝等金属电磁屏蔽材料并结合使用导热硅材料等散热材料实现电子器件散热和电磁屏蔽双重功能。但是当它们应用于电子芯片屏蔽散热功能的集成解决方案时，往往面临屏蔽散热整体结构复杂、可靠性差、导热性能不足等一系列问题。此外，对于多种屏蔽散热结构的界面，电子设备长时间使用情况下，热冲击造成界面间经常出现电连接不可靠、界面分离等现象的发生，进而引起芯片内部电磁波的泄露，干扰附近其他电子元件，危害设备使用人的身体健康，同时造成设备的散热出现严重问题，这又反过来引起更多的电磁辐射。

发明内容

一方面，本申请提供复合材料，其包括磁性吸波粉、高分子基质和碳基纤维或金属纤维的混合物；

其中，所述复合材料为纤维取向的复合材料。

在所述复合材料的一些实施方式中，所述混合物为均一的混合物。

在所述复合材料的一些实施方式中，所述复合材料为块体复合材料或薄膜复合材料。

另一方面，本申请提供复合材料的制备方法，其包括：

将磁性吸波粉与高分子基质混合，得到具有流动性的磁性粉基填料；

将碳基纤维或金属纤维与所述磁性粉基填料混合，得到纤维基粘稠物；

在挤出机中将所述粘稠物进行挤出，得到纤维取向的块体复合材料；

任选地，进一步将所述块体复合材料以垂直于挤出方向进行切片，得到薄膜复合材料。

在所述制备方法的一些实施方式中，所述切片工艺包括室温高速机械切片、超低温切片或超声波切片。

在前述任一方面的一些实施方式中，所述磁性吸波粉选自铁硅铝合金、铁硅硼合金、羰基铁、坡莫合金、镍锌铁氧体、单组份尖晶石型铁氧体和其组合。

在前述任一方面的一些实施方式中，所述磁性吸波粉的粒径为100nm-150μm、500nm-100μm或1μm-50μm。

在前述任一方面的一些实施方式中，所述磁性吸波粉的几何形状为球形、片状、卵状和其组合。

在前述任一方面的一些实施方式中，所述复合材料中所述磁性吸波粉的质量分数为2wt.％-95wt.％、10wt.％-90wt.％或30wt.％-85wt.％。

在前述任一方面的一些实施方式中，所述高分子基质选自二甲基硅油、硅弹性体、改性硅油、丙烯酸树脂、环氧树脂或其组合。

在前述任一方面的一些实施方式中，所述碳基纤维选自碳纤维、石墨纤维、石墨烯纤维、碳纳米管纤维和其组合。在一些实施方案中，所述碳基纤维为碳基短纤维。

在前述任一方面的一些实施方式中，所述金属纤维选自镍纤维、银纤维、铜纤维和其组合。在一些实施方案中，所述金属纤维为金属短纤维。

在前述任一方面的一些实施方式中，所述碳基纤维或所述金属纤维的长度为1μm-10mm、50μm-5mm或100μm-3mm。

在前述任一方面的一些实施方式中，所述复合材料中所述碳基纤维或所述金属纤维的质量分数为0.5wt.％-50wt.％、1wt.％-40wt.％或2wt.％-30wt.％。

在前述任一方面的一些实施方式中，所述薄膜复合材料的厚度为30μm-2000μm或50μm-1500μm。

另一方面，本申请提供根据本公开的制备方法所制得的复合材料。

又一方面，本申请提供本公开的复合材料在屏蔽、吸收、防止或避免电磁辐射和/或散热中的用途、或者在用于制备或用作电磁波屏蔽材料和/或散热材料中的用途。

再一方面，本申请提供使物品屏蔽电磁辐射、吸收物品接受的电磁辐射、防止物品接受电磁辐射或使物品免受电磁辐射的方法，其包括将本公开的复合材料应用于所述物品。

另一方面，本申请提供包含本公开的复合材料的电磁波屏蔽材料或设备，或者包含本公开的复合材料的散热材料或设备。

又一方面，本申请提供设置有本公开的复合材料的物品；任选地，所述复合材料设置于所述物品的周围；任选地，所述复合材料设置于所述物品中；任选地，所述复合材料设置于所述物品上。

附图说明

图1为本公开的薄膜复合材料的结构示意图。

图2为实施例1中薄膜复合材料的扫描电镜图。

详细描述

定义

提供以下定义和方法用以更好地界定本申请以及在本申请实践中指导本领域普通技术人员。除非另作说明，术语按照相关领域普通技术人员的常规用法理解。本文所引用的所有专利文献、学术论文及其他公开出版物，其中的全部内容整体并入本文作为参考。

本文所用术语“任选的”或“任选地”是指随后所描述的事件或情形可以、但不是必须发生，该描述包括所述事件或情形发生时的情况，也包括它们不发生时的情况。

本文所用术语“短纤维”是指长度为1μm-12mm的碳基纤维或金属纤维。

本文所用术语“块体材料”是指三维宏观体固态材料。

本文所用术语“单组份尖晶石型铁氧体是指晶体结构与天然矿物尖晶石相同的由一种金属离子替代而成的铁氧体称为单组份铁氧体，所述金属离子包括但不限于Mg，Mn，Ni，Zn，Co、Cd、Cu、Li等。

本文所用术语“纤维取向”是指复合材料中所述纤维基本上(例如90％以上、优选95％以上、更优选99％以上的纤维)按照大体上同一方向(即允许一定程度的偏移，但偏移不超过30度、优选不超过15度、更优选不超过10度、最优选不超过5度)有序分布或排列(如图1和图2所示)。

凡在本文中给出某一数值范围之处，所述范围包括其端点，以及位于所述范围内的所有单独整数和分数，并且还包括由其中那些端点和内部整数和分数的所有各种可能组合形成的每一个较窄范围，以在相同程度的所述范围内形成更大数值群的子群，如同每一个那些较窄范围被明确给出一样。例如，所述磁性吸波粉的粒径为100nm-150μm是指所述粒径可以为100nm，200nm，300nm，400nm，500nm，600nm，700nm，800nm，900nm，1μm，10μm，20μm，30μm，40μm，50μm，60μm，70μm，80μm，90μm，100μm，110μm，120μm，130μm，140μm或150μm等以及由它们所形成的范围等。

其中，所述复合材料为纤维取向的复合材料。

另一方面，本申请提供复合材料的制备方法，其包括：

在挤出机中将所述粘稠物进行挤出，得到纤维取向的块体复合材料。

在所述制备方法的一些实施方式中，所述制备方法进一步包括将所述块体复合材料以垂直于挤出方向进行切片，得到薄膜复合材料。

由上述制备方法制得的块体复合材料和薄膜复合材料具有优异的电磁屏蔽性能，并且所得薄膜复合材料兼具低搭接阻抗和优异的散热及电磁屏蔽性能。

在所述制备方法的一些实施方式中，所述挤出步骤包括将所述粘稠物放入挤出机中进行剪切处理，然后将其(例如从由大变小的锥形出口)挤出。

在一个更具体的实施方案中，所述复合材料的制备方法包括：

将磁性吸波粉与高分子基质混合均匀，得到具有流动性的磁性粉基填料；

将碳基纤维或金属纤维与所述磁性粉基填料混合均匀，得到磁性粉纤维基粘稠物；

将所述粘稠物放入挤出机中进行剪切处理，然后从由大变小的锥形出口挤出，得到纤维取向的块体复合材料；以及

将所述块体复合材料以垂直于挤出方向进行切片(例如通过室温高速机械切片、超低温切片或超声波切片)，得到薄膜复合材料。

在前述任一方面的一些实施方式中，所述磁性吸波粉的粒径为100nm-150μm(例如100nm，200nm，300nm，400nm，500nm，600nm，700nm，800nm，900nm，1μm，10μm，20μm，30μm，40μm，50μm，60μm，70μm，80μm，90μm，100μm，110μm，120μm，130μm，140μm或150μm等)、500nm-100μm或1μm-50μm。

在前述任一方面的一些实施方式中，所述复合材料中所述磁性吸波粉的质量分数为2wt.％-95wt.％(例如2，5，8，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60，65，70，75，80，85，90或95wt.％等)、10wt.％-90wt.％或30wt.％-85wt.％。

在前述任一方面的一些实施方式中，所述碳基纤维或所述金属纤维的长度为1μm-10mm(例如1μm，30μm，50μm，100μm，200μm，300μm，400μm，500μm，600μm，700μm，800μm，900μm，1mm，2mm，3mm，4mm，5mm，6mm，7mm，8mm，9mm或10mm等)、50μm-5mm或100μm-3mm。

在前述任一方面的一些实施方式中，所述复合材料中所述碳基纤维或所述金属纤维的质量分数为0.5wt.％-50wt.％(例如0.5，0.8，1，2，5，10，15，20，25，28，30，35，38，40，42，45或50wt.％等)、1wt.％-40wt.％或2wt.％-30wt.％。

在前述任一方面的一些实施方式中，所述薄膜复合材料的厚度为30μm-2000μm(例如1μm，30μm，50μm，80μm，100μm，200μm，300μm，400μm，500μm，600μm，700μm，800μm，900μm，1000μm，1100μm，1200μm，1300μm，1400μm，1500μm，1600μm，1700μm，1800μm，1900μm或2000μm等)或50μm-1500μm。

另一方面，本申请提供根据本公开的制备方法所制得的复合材料(包括块体复合材料和薄膜复合材料)。所得薄膜复合材料是一种柔性复合薄膜。

又一方面，本申请提供本公开的复合材料在屏蔽、吸收、防止或避免电磁辐射和/或散热中的用途，或者提供本公开的复合材料在用于制备或用作电磁波屏蔽材料和/或散热材料中的用途。

再一方面，本申请提供使物品屏蔽电磁辐射、吸收物品接受的电磁辐射、防止物品接受电磁辐射或使物品免受电磁辐射的方法，其包括将本公开的复合材料应用于所述物品，例如将本公开的复合材料设置于所述物品周围(例如用本公开的复合材料包裹或覆盖所述物品)、设置于所述物品中或设置于所述物品上。

又一方面，本申请提供设置有本公开的复合材料的物品。在一些实施方案中，所述复合材料设置于所述物品的周围(例如包裹或覆盖有本公开的复合材料的物品)；在一些实施方案中，所述复合材料设置于所述物品中；在一些实施方案中，所述复合材料设置于所述物品上。

因此，本申请的各项发明提供下述一种或多种优势：

(1)提供了具有优异的电磁屏蔽性能的块体复合材料和薄膜复合材料，特别是提供了一种散热性好、搭接阻抗低的高性能电磁屏蔽薄膜，该一体式的薄膜材料兼具高散热性和强电磁辐射抑制能力以及低的搭接阻抗，降低了元件占用体积，解决了电子设备小型化、高性能化带来的屏蔽和散热问题，并且能够防止多种屏蔽散热结构的界面中容易出现的电连接不可靠、界面分离等现象的发生。

(2)本公开的复合材料中的磁性吸波粉以及取向的纤维大大提高垂直于纤维取向方向上导热性能，磁性吸波粉和纤维还通过磁损耗和介电损耗的双重作用吸收损耗电磁辐射，达到电磁屏蔽的作用。此外垂直的纤维还可刺穿接触界面金属表面的氧化层，实现低阻抗搭接，可靠性高。

(3)本公开的复合材料的制备方法简单可靠、工业应用性强，使用时可直接将复合材料应用于屏蔽场景中，极具实用价值。

(4)本发明的薄膜复合材料具有好的散热性和电连接性、电磁屏蔽性能高、稳定可靠性好，尤其适合用于解决微型芯片的屏蔽散热及可靠性问题。

实施例

以下实施例仅用于说明而非限制本申请范围的目的。

实施例1：

1.复合材料的制备方法，其具体制备步骤如下：

1)将直径范围在1-20μm的磁性铁硅铝球形粉与二甲基硅油用机器混合均匀，得到有流动性的磁性粉基填料；

2)将长度范围在200-700μm的碳纤维与在步骤1所得到的磁性粉基填料用机器混合均匀，得到磁性粉碳纤维基粘稠物；

3)将步骤2所得的粘稠物放入挤出机中进行剪切处理，之后从由大变小的锥形出口挤出，得到纤维取向的块体复合材料；以及

4)将步骤3所得的块体复合材料以垂直于挤出方向进行超低温切片，得到厚度为300μm的柔性薄膜复合材料，在所述复合材料中所述磁性铁硅铝球形粉的质量分数为80wt.％，所述碳纤维的质量分数为10wt.％。

经测试，通过上述制备过程得到的柔性薄膜复合材料兼具低搭接阻抗、强散热及电磁屏蔽效能，其碳纤维取向性好(如图2所示)，沿垂直方向具有20W/m·K的高导热率，搭接电阻小于0.1Ω，其EMI近场屏蔽效果≥30dB(0.1GHz～18GHz)。

实施例2：

复合材料的制备方法，其具体制备步骤如下：

1)将直径范围在5-50μm的磁性羰基铁片状粉与硅弹性体用机器混合均匀，得到有流动性的磁性粉基填料；

2)将长度范围在500-2000μm的镍纤维与在步骤1所得到的磁性粉基填料用机器混合均匀，得到磁性粉镍纤维基粘稠物；以及

3)将步骤2所得的粘稠物放入挤出机中进行剪切处理，之后从由大变小的锥形出口挤出，得到纤维取向的块体复合材料。在所述复合材料中所述磁性羰基铁片状粉的质量分数为80wt.％，所述镍纤维的质量分数为10wt.％

实施例3：

将实施例2所得的块体复合材料以垂直于挤出方向进行超低温切片，得到厚度为300μm的柔性薄膜复合材料。

经测试，通过上述制备过程得到的柔性薄膜复合材料兼具低搭接阻抗、强散热及电磁屏蔽效能，其碳纤维取向性好，沿垂直方向具有23W/m·K的高导热率，搭接电阻小于0.1Ω，其EMI近场屏蔽效果≥38dB(0.1GHz～18GHz)。

实施例4：

复合材料的制备方法，其具体制备步骤如下：

1)将直径范围在5-50μm的磁性镍锌铁氧体与硅弹性体用机器混合均匀，得到有流动性的磁性粉基填料；

2)将长度范围在200-1000μm的碳纤维与在步骤1所得到的磁性粉基填料用机器混合均匀，得到磁性粉碳纤维基粘稠物；

3)将步骤2所得的粘稠物放入挤出机中进行剪切处理，之后从由大变小的锥形出口挤出，得到纤维取向的块体复合材料；

4)将步骤3所得的块体复合材料以垂直于挤出方向进行超声波切片，得到厚度为300μm的柔性薄膜复合材料。在所述复合材料中所述磁性镍锌铁氧体的质量分数为80wt.％，所述碳纤维的质量分数为10wt.％。

经测试，通过上述制备过程得到的柔性薄膜复合材料兼具低搭接阻抗、散热及电磁屏蔽功能。搭接电阻小于0.1Ω，沿垂直方向具有20W/m·K的高导热率，其EMI近场屏蔽效果≥35dB(0.1GHz～18GHz)。

上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，并根据需要进行任意组合，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.复合材料，其包括磁性吸波粉、高分子基质和碳基纤维或金属纤维的混合物；

其中，所述复合材料为纤维取向的复合材料。

2.如权利要求1所述的复合材料，其中，

所述混合物为均一的混合物；和/或

所述复合材料为块体复合材料或薄膜复合材料；和/或

所述磁性吸波粉选自铁硅铝合金、铁硅硼合金、羰基铁、坡莫合金、镍锌铁氧体、单组份尖晶石型铁氧体和其组合；和/或

所述磁性吸波粉的粒径为100nm-150μm、500nm-100μm或1μm-50μm；和/或

所述磁性吸波粉的几何形状为球形、片状、卵状和其组合；和/或

所述复合材料中所述磁性吸波粉的质量分数为2wt.％-95wt.％、10wt.％-90wt.％或30wt.％-85wt.％；和/或

所述高分子基质选自二甲基硅油、硅弹性体、改性硅油、丙烯酸树脂、环氧树脂或其组合；和/或

所述碳基纤维选自碳纤维、石墨纤维、石墨烯纤维、碳纳米管纤维和其组合，任选地，所述碳基纤维为碳基短纤维；和/或

所述金属纤维选自镍纤维、银纤维、铜纤维和其组合，任选地，所述金属纤维为金属短纤维；和/或

所述碳基纤维或所述金属纤维的长度为1μm-10mm、50μm-5mm或100μm-3mm；和/或

所述复合材料中所述碳基纤维或所述金属纤维的质量分数为0.5wt.％-50wt.％、1wt.％-40wt.％或2wt.％-30wt.％；和/或

所述薄膜复合材料的厚度为30μm-2000μm或50μm-1500μm。

3.复合材料的制备方法，其包括：

4.如权利要求3所述的制备方法，其中，

所述切片工艺包括室温高速机械切片、超低温切片或超声波切片；和/或

所述薄膜复合材料的厚度为30μm-2000μm或50μm-1500μm。

5.根据权利要求3或4所述的制备方法所制得的复合材料。

6.权利要求1-2和5中任一项所述的复合材料在屏蔽、吸收、防止或避免电磁辐射和/或散热中的用途、或者在用于制备或用作电磁波屏蔽材料和/或散热材料中的用途。

7.使物品屏蔽电磁辐射、吸收物品接受的电磁辐射、防止物品接受电磁辐射或使物品免受电磁辐射的方法，其包括将权利要求1-2和5中任一项所述的复合材料应用于所述物品。

8.包含权利要求1-2和5中任一项所述的复合材料的电磁波屏蔽材料或设备，或者包含权利要求1-2和5中任一项所述的复合材料的散热材料或设备。

9.设置有权利要求1-2和5中任一项所述的复合材料的物品；任选地，所述复合材料设置于所述物品的周围；任选地，所述复合材料设置于所述物品中；任选地，所述复合材料设置于所述物品上。