CN113337121A - 绝缘导热垫片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种绝缘导热垫片,包括绝缘导热材料、高分子聚合物与粘结剂,所述绝缘导热材料为二维片状结构,所述二维片状结构沿着该绝缘导热垫片的厚度方向取向,所述高分子聚合物呈丝状,将二维片状结构相互连接,最终贯穿于所述绝缘导热垫片内部,所述二维导热填料选自氮化硼、氮化铝、碳化硅中的至少一种。
Description
技术领域
本发明涉及导热散热材料、导热界面材料、热管理材料等领域。
背景技术
在5G基站、笔记本电脑、高功率LED显示器等电子器件中,需要散热器将加热元件产生的热量及时散发,以保证电子器件的运行稳定性。大多数情况下,发热元件与散热器之间需要设置导热垫片,用于降低界面热阻。随着电子器件功率的大幅提升,普通的导热垫片(导热系数一般在10W/(m·K)以下)已经远远不能满足散热需求。
专利文献CN109891578A公开了一种垂直排列高导热碳纤维为主要导热填料的导热垫片,其导热系数可以达到25W/(m·K)及以上。然而,这些高导热垫片中主要的导热填料均具有较高的导电性,在应用时存在引起电子器件短路的风险。
另一方面,氮化硼、碳化硅、氮化铝等二维导热材料在具有较高的导热性能同时兼具绝缘性。若采用片状的氮化硼、碳化硅和氮化铝,并使它们在导热垫片中沿着厚度方向进行排列,可以得到绝缘导热垫片。此外,对于二维导热填料来讲,片径越大,所得导热垫片的导热性能越高。然而,片状材料在粘结剂例如有机硅胶中的填充量普遍较小,且较大的片径会进一步增加填充难度,最终得到的垫片导热性能往往并不理想。
因此,亟需提供一种兼具绝缘性和优异导热性的导热垫片及其制备方法。
发明内容
鉴于上述诸问题,本发明提供一种具有绝缘且导热性优异的导热垫片,其既可以实现二维片状高导热绝缘填料的高填充量,又可以填充片径较大的二维高导热绝缘填料,并且能够保证二维片状高导热填料沿着厚度方向进行排列,因此在提供优异导热性的同时还保证了绝缘性,能够避免电子器件短路问题。另外,本发明还提供一种制备该绝缘导热垫片的方法。
根据本发明的一个方面,提供一种绝缘导热垫片,其具有二维导热填料、网络结构与粘结剂,其中高分子丝状物首先将二维导热填料相互连接,并最终贯穿于整个体系中形成网络结构,从而提升了整体的力学性能;同时,二维导热的填料沿着该绝缘导热垫片的厚度方向取向。
其中,所述二维导热填料占比50wt%-92wt%,优选60wt%-80wt%,更优选65wt%-75wt%。
其中,所述网络结构由高分子聚合物拉丝形成。
其中,所述高分子聚合物占比1wt%-5wt%,优选为2wt%-4wt%。
其中,所述粘结剂占比5wt%-49wt%,优选为15wt%-40wt%,更优选20wt%-30wt%。
其中,所述二维导热填料选自氮化硼、氮化铝、碳化硅中的至少一种。
其中,所述二维导热填料在片径5-300μm,优选10-200μm,最优为20-50μm。
其中,所述高分子聚合物选自PI、PE、PP、PS、PA、PTFE、ABS、PET、PVDF中的至少一种,并且优选地所述高分子聚合物为拉丝级。
其中,所述粘接剂选自聚氨酯、丙烯酸树脂、有机硅胶中的至少一种。
其中,所述有机硅胶为液体有机硅胶,选自α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷、聚二甲基环硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、聚二苯基硅氧烷、α,ω-二羟基聚甲基(3,3,3-三氟丙基)硅氧烷、α,ω-二乙基聚二甲基硅氧烷、氰基硅氧基硅烷中的至少一种。
其中,所述绝缘导热垫片,其厚度为0.25-5mm,优选0.5-2mm。
本发明的绝缘导热垫片,其内部的绝缘片状导热填料沿着厚度方向高度取向。该垫片以片状氮化硼、氮化铝、碳化硅等二维高导热材料作为导热填料,液体粘结剂作为粘结剂,拉丝级高分子聚合物作为力学增强材料,制备了具有厚度方向高导热性能的导热垫片。
另外,本发明通过高强度剪切作用或高速离心旋转,使拉丝级高分子聚合物形成丝状,将二维导热填料相互连接,并最终贯穿于整个体系中形成网络结构,充分提高内部结合力,使二维导热填料的含量能够达到92wt%的超高填充量。需要说明的是,即使在没有粘结剂的条件下,高分子丝状物也能与二维导热填料紧密结合,形成片材或者块体,只是因为其硬度较大才没有直接制成导热垫片。
另外,本发明通过压制片材的方式,先实现二维导热填料在平面方向的高度定向排列;然后,将片材层层堆叠,并压制成块体固化成型,由于内部高分子丝状网络结构与粘结剂的相互作用,能够显著提升块体内部的结合力。最后沿着块体高度方向切割成若干片,即得绝缘高导热垫片,该垫片中二维导热填料沿着厚度方向高度取向,因此在该方向上具有优异的导热性能,同时该导热垫片具有良好的绝缘性能与压缩回弹性。
将固化成型后的块体沿着所述片材层叠的高度方向切割成若干薄片,得到绝缘导热垫片,优选地,在该步骤中,切割方式选自线切割、激光切割、超声波切割、冷冻切割、超声波-冷冻切割中的一种。
根据本发明的另一方面,提供一种制备绝缘导热垫片的方法,其包括以下步骤:
(a)将二维导热填料与高分子聚合物混合;
(b)通过剪切方式或高速离心旋转将所述高分子聚合物转变为丝状物,并将所述二维导热填料相互连接;
(c)加入粘接剂并充分混合,使高分子丝状物贯穿于整个体系中,形成网络结构;
(d)制成片材;
(e)将所述片材层叠后压制成块体,并固化成型;
(f)将固化成型后的块体沿着所述片材层叠的高度方向切割成若干薄片,得到绝缘导热垫片。
优选地,所述高速剪切优选高速旋转的浆式或刀片式剪切设备,速率为5000-30000r/min,优选10000-25000r/min,剪切的时间为1-15min,优选5-10min。
其中步骤(b)中采用高速离心旋转,转速5000-50000r/min,优选20000-30000r/min,旋转时间5-20min,优选10-15min。
其中,步骤(d)中的片材厚度为0.2-3.0mm,优选为0.5-2.0mm,更优选1-1.5mm。
其中,步骤(e)中的固化为加热固化或常温固化。
其中,固化为加热固化,固化温度为180℃以下,优选150℃以下。
其中,步骤(f)中的切割方式选自线切割、激光切割、超声波切割、刀片切割、冷冻切割、震动切割、超声波-冷冻切割中的一种。
其中,步骤(f)中切割形成的薄片厚度为0.25-5mm,优选为0.5-2mm。
根据本发明的又一方面,提供一种电子设备,其特征在于,该电子设备具备热源、散热部件、以及夹持于该热源与该散热部件之间的本发明的绝缘导热垫片。
本发明具有如下有益效果:与现有的高导热垫片相比,本发明的导热垫片不仅具有高导热性能,而且具有高绝缘性。另外,由于仅采用二维高导热材料作为导热填料因此无需各向异性导热系数的填料配合。另外,由于高分子聚合物拉丝在整个体系中形成力学性能优异的网络结构,因此可以填充较大片径的二维绝缘高导热填料,并且能够实现二维导热填料超高填充量。进一步,通过压制成薄片的方式直接实现了二维导热填料的高度取向,因此操作简便,成本低。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解,与本发明的实施例一起用于帮助本领域技术人员理解本发明,并不构成对本发明的限制。在附图中:
图1是层层堆叠粘接后的块体的图片。
图2是本发明的绝缘导热垫片宏观形貌图。
图3是本发明的绝缘导热垫片X-Y-Z方向示意图。
图4是本发明的绝缘导热垫片X方向的SEM图。
图5是本发明的绝缘导热垫片Y方向的SEM图。
图6是本发明的绝缘导热垫片Z方向的SEM图。
图7是本发明实施例11得到的片材的宏观形貌图。
图8是本发明对比例13得到的片材的宏观形貌图。
图9是本发明对比例14得到的片材的宏观形貌图。
图10是本发明的绝缘导热垫片制备的原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明,应当理解,此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
首先对本发明的绝缘导热垫片进行说明。
本发明涉及的绝缘导热垫片具有二维导热填料、网络结构与粘结剂,其中二维导热填料与所述网络结构、粘结剂紧密集合,并沿着该绝缘导热垫片的厚度方向取向。
作为本发明的二维导热填料,优选高导热且具有绝缘性的二维填料,例如氮化硼、氮化铝、碳化硅等。作为示例,可以选择氮化硼、氮化铝、碳化硅中的至少一种。
二维导热填料在绝缘导热垫片中的占比为50wt%-92wt%,例如可以是60wt%-85wt%,65wt%-80wt%,70wt%-75wt%等。若二维导热填料占比低于50wt%,则由于导热填料过少,导热效果较差;若高于92wt%,则由于导热填料过多而引起导热垫片,则不易成型。
适用于本发明的二维导热填料在片径上具有5-300μm范围内的分布,优选10-200μm,最优为20-50μm。
所述粘结剂在绝缘导热垫片中的占比为5wt%-49wt%,例如为15wt%-40wt%或20wt%-35wt%等。
合适的粘结剂可以采用聚氨酯、丙烯酸树脂、有机硅胶中的至少一种。从可压缩性、压缩回弹性、硬度、填缝效果老化测试要求、低温高温应用场景等角度考虑,优选为有机硅胶。
作为有机硅胶,优选液体有机硅胶。示例性的液体有机硅胶包括聚二甲基环硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷、聚二苯基硅氧烷、α,ω-二羟基聚甲基(3,3,3-三氟丙基)硅氧烷、氰基硅氧基硅烷、α,ω-二乙基聚二甲基硅氧烷等。
然而,机硅胶粘结性能较差。当出于改善导热性的目的而将导热填料与有机硅胶混合时,为了保证有机硅胶的连续相(不被导热填料阻断)以确保粘接性能,通常采用小粒径的球形导热填料(如30μm粒径的球形氧化铝)与有机硅胶混合(即,填充有机硅胶)。若采用大片径的二维导热填料(如片径超过50μm),则难以获得期望的较高填充量(如60wt.%以上的填充量)。
本发明人惊人地发现,通过引入高分子聚合物,并利用高强度剪切作用使其形成丝状物并与二维导热填料紧密结合,并与粘结剂充分混合后,形成网络结构贯穿于整个体系中。这样形成的网络结构起到增强内部力学的作用,因此不仅能够显著提升二维导热填料的填充量,还能够在超高填充量(例如92wt%的填充量)的情况确保优异的力学性能。需要说明的是,即使在没有粘结剂的条件下,高分子丝状物也能与二维导热填料紧密结合,形成片材或者块体,只是因为其硬度较大才没有直接制成导热垫片。
适合的高分子聚合物的实例包括:PI、PE、PP、PS、PA、PTFE、ABS、PET、PVDF等,高分子聚合物的等级优选拉丝级。
所述高分子聚合物在绝缘导热垫片中的占比为1wt%-5wt%,例如为1wt%-3wt%或者1.5wt%-2.5wt%等。若占比低于1wt%,则不能形成有效的网络结构,若占比高于5wt%,则造成绝缘导热垫片硬度过大。此外,在不损害本发明的绝缘导热垫片的性能的基础上,根据需要,还可以适当添加作为其他成分,例如阻燃剂、抗氧化剂、缓凝剂、催化剂、着色剂等。
以下,对本发明的绝缘导热垫片的制备方法进行说明,大致包括以下步骤。
步骤(a):将二维导热填料、高分子聚合物混合;
步骤(b):通过高速剪切或高速离心旋转将高分子聚合物转变为丝状物,并将所述二维导热填料相互连接;
步骤(c):加入粘接剂并充分混合,使高分子丝状物贯穿于整个体系中,形成网络结构;
步骤(d):将上述混合物压制成片材;
步骤(e):将步骤(d)中形成的片材层叠后压制成块体,并固化成型;
步骤(f):沿着所述片材层叠的高度方向切割步骤(e)中固化成型后的块体,得到若干薄片(即,本发明的绝缘导热垫片)。
优选地,所述高速剪切优选高速旋转的浆式或刀片式剪切设备,速率为5000-30000r/min,优选10000-20000r/min,剪切的时间为1-15min,优选5-10min。
其中步骤(b)中采用高速离心旋转,转速5000-50000r/min,优选20000-30000r/min,旋转时间5-20min,优选10-15min。
对于二维材料而言,其稳定状态是水平自然平铺,也就是说,二维导热填料更易于在平面方向的定向。作为导热垫片,需要厚度方向的高导热性能,因此需要二维导热填料在厚度方向定向排列。在上述步骤(d)中,为了实现二维导热填料在平面方向的排列,该步骤所得片材的厚度越薄越好,优选的厚度可以为0.2-3.0mm,较优选为0.5-2.0mm,更优选1-1.5mm。若片材厚度低于0.2mm,不易取出及后续操作;若片材厚度高于3.0mm,则二维高导热填料的纵向定向较差,影响导热性。
其中,步骤(d)中的固化可以采用加热固化或常温固化。当采用加热固化时,温度优选为150℃以下,例如为140℃以下、120℃以下、100℃以下、90℃以下等。若固化温度高于150℃,则固化反应过于激烈,产品易开裂。另外,步骤(f)中的切割方式无特殊限制,可以列举出线切割、激光切割、超声波切割、冷冻切割、震动切割、超声波-冷冻切割等方式。另外,切割成的薄片(即本发明的绝缘导热垫片)的厚度无特殊要求,可以根据具体需要进行切割,一般为常规使用厚度,例如0.25-5mm。也可以切割成更薄片材,如0.05-0.25mm等。
通过上述步骤(d)和步骤(e),使得步骤(c)中制得的片材作为导热垫片的一个单元竖直排列,从而使得该单元(片材)中原本平面取向的二维导热填料变为竖直取向(即纵向定向)。由此,在包含了多个这样的单元(片材)的导热垫片中,二维导热填料在导热垫片的厚度方向高度定向。
以下,结合更为具体的实施例来进一步说明本发明。
另外,在以下实施例、对比例中的采用液体有机硅胶作为粘结剂制备导热垫片,为了体现对比效果,以下实施例中薄片的厚度统一取1mm,测试其应用热阻、压缩回弹性、击穿电压和体积电阻率。
以下实施例中,根据ASTM D5470方法测试导热垫片在20psi条件下的导热系数、应用热阻。根据ASTM D575方法测试导热垫片在50%应变条件下的压缩回弹性能。根据ASTMD149测试导热垫片的击穿电压。根据ASTM D149测试导热垫片的体积电阻率。
实施例1
本实施例中,二维片状导热填料为氮化硼,占比50wt%,高分子聚合物为拉丝级PI,占比5wt%,液体硅胶采用了聚二甲基环硅氧烷,占比45wt%。另外,氮化硼片径分布在20-50μm范围内。
采用高速剪切方式将高分子聚合物拉丝形成丝状网络,剪切速率30000r/min,剪切时间1min。
随后,压制形成厚度0.2mm的片材,再将若干层该厚度的片材层层堆叠后压制成块体,在150℃的固化温度下将该块体固化成型。然后沿着前述片材层层堆叠的高度方向,将该固化成型的块体切割成若干个厚度为1mm薄片,得到本发明实施例1的绝缘导热垫片样品。
经过测试,样品的导热系数为12.4W/(m·K)、热阻为0.154K·in2/W、压缩回弹率68%、击穿电压8.4KV(@1mm)、体积电阻率>108Ω·cm。
实施例2
本实施例中,二维片状导热填料为氮化硼,占比92wt%,高分子聚合物为拉丝级PE,占比3wt%,液体硅胶为聚二甲基硅氧烷,占比5wt%。另外,氮化硼片径50-200μm。
采用高速剪切方式将高分子聚合物拉丝形成丝状网络,剪切速率5000r/min;剪切时间15min。
随后,制备成厚度3mm的片材,再将若干层该厚度的片材层层堆叠后压制成块体,在120℃的固化温度下将该块体固化成型。然后沿着前述层层堆叠的高度方向,将该固化成型的块体切割成若干个厚度为1mm薄片,得到本发明实施例2的绝缘导热垫片样品。
经过测试,样品的导热系数为26.8W/(m·K)、热阻为0.083K·in2/W、压缩回弹率45%、击穿电压7.6KV(@1mm)、体积电阻率>108Ω·cm。
实施例3
本实施例中,二维片状导热填料为氮化铝,占比60wt%,高分子聚合物为拉丝级PP,占比1wt%,液体硅胶采用了α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷,占比39wt%。另外,氮化铝片径分布在5-10μm。
采用高速剪切方式将高分子聚合物拉丝形成丝状网络,剪切速率10000r/min;剪切时间10min。
随后,压制形成厚度0.5mm的片材,再将若干层该厚度的片材层层堆叠后压制成块体,在180℃的固化温度下将该块体固化成型。然后沿着前述片材层层堆叠的高度方向,将该固化成型的块体切割成若干个厚度1mm薄片,得到本发明实施例3的绝缘导热垫片样品。
经过测试,样品的导热系数为10.2W/(m·K)、热阻为0.176K·in2/W、压缩回弹率45%、击穿电压9.3KV(@1mm)、体积电阻率>108Ω·cm。
实施例4
本实施例中,二维片状导热填料为氮化铝,占比80wt%,高分子聚合物为拉丝级PS,占比2wt%,液体硅胶采用了聚二苯基硅氧烷,占比18wt%。另外,氮化铝片径分布50-200μm。
采用高速剪切方式将高分子聚合物拉丝形成丝状网络,剪切速率25000r/min;剪切时间5min。
随后,压制形成厚度2mm的片材,再将若干层该厚度的片材层层堆叠后压制成块体,在150℃的固化温度下将该块体固化成型。然后沿着前述片材层层堆叠的高度方向,将该固化成型的块体切割成若干个厚度1mm薄片,得到本发明实施例4的绝缘导热垫片样品。
经过测试,样品的导热系数为21.3W/(m·K)、热阻为0.101K·in2/W、压缩回弹率42%、击穿电压8.8KV(@1mm)、体积电阻率>108Ω·cm。
实施例5
本实施例中,二维片状导热填料为碳化硅,占比70wt%,高分子聚合物为拉丝级PA,占比4wt%,液体硅胶采用了α,ω-二羟基聚甲基(3,3,3-三氟丙基)硅氧烷,占比26wt%。另外,碳化硅片径分布在10-50μm。
采用高速剪切方式将高分子聚合物拉丝形成丝状网络,剪切速率15000r/min;剪切时间8min。
随后,压制形成厚度1mm的片材,再将若干层该厚度的片材层层堆叠后压制成块体,在90℃的固化温度下将该块体固化成型。然后沿着前述片材层层堆叠的高度方向,将该固化成型的块体切割成若干个厚度1mm薄片,得到本发明实施例5的绝缘导热垫片样品。
经过测试,样品的导热系数为15.7W/(m·K)、热阻为0.134K·in2/W、压缩回弹率47%、击穿电压8.1KV(@1mm)、体积电阻率>108Ω·cm。
实施例6
本实施例中,二维片状导热填料为碳化硅,占比55wt%,高分子聚合物为拉丝级PTFE,占比1wt%,液体硅胶采用了氰基硅氧基硅烷,占比44wt%。另外,碳化硅片径分布在200-500μm。
采用离心旋转将高分子聚合物拉丝形成丝状网络,旋转速率5000r/min;时间20min。。
随后,压制形成厚度2.5mm的片材,再将若干层该厚度的片材层层堆叠后压制成块体,在90℃的固化温度下将该块体固化成型。然后沿着前述片材层层堆叠的高度方向,将该固化成型的块体切割成若干个厚度1mm薄片,得到本发明实施例6的绝缘导热垫片样品。
经过测试,样品的导热系数为10.6W/(m·K)、热阻为0.181K·in2/W、压缩回弹率56%、击穿电压9.4KV(@1mm)、体积电阻率>108Ω·cm。
实施例7
本实施例中,二维片状导热填料为氮化硼,占比65wt%,高分子聚合物为拉丝级PET,占比4wt%,液体硅胶采用了α,ω-二乙基聚二甲基硅氧烷,占比31wt%。另外,氮化硼片径分布在100-200μm。
采用离心旋转将高分子聚合物拉丝形成丝状网络,旋转速率50000r/min;时间5min。
随后,压制形成厚度1.5mm的片材,再将若干层该厚度的片材层层堆叠后压制成块体,在100℃的固化温度下将该块体固化成型。然后沿着前述片材层层堆叠的高度方向,将该固化成型的块体切割成若干个厚度1mm薄片,得到本发明实施例7的绝缘导热垫片样品。
经过测试,样品的导热系数为13.7W/(m·K)、热阻为0.139K·in2/W、压缩回弹率62%、击穿电压8.5KV(@1mm)、体积电阻率>108Ω·cm。
实施例8
本实施例中,二维片状导热填料为氮化硼/氮化铝(氮化硼与氮化铝的质量比为1:1),占比70wt%,高分子聚合物为拉丝级ABS,占比1.5wt%,液体硅胶采用了聚二甲基环硅氧烷-聚二甲基硅氧烷,占比28.5wt%。另外,氮化硼/氮化铝片径分布在50-100μm。
采用离心旋转将高分子聚合物拉丝形成丝状网络结构并与贯穿于整个体系中,旋转速率20000r/min;时间15min。
随后,压制形成厚度0.5mm的片材,再将若干层该厚度的片材层层堆叠后压制成块体,在50℃的固化温度下将该块体固化成型。然后沿着前述片材层层堆叠的高度方向,将该固化成型的块体切割成若干个厚度1mm薄片,得到本发明实施例8的绝缘导热垫片样品。
经过测试,样品的导热系数为12.4W/(m·K)、热阻为0.157K·in2/W、压缩回弹率52%、击穿电压8.3KV(@1mm)、体积电阻率>108Ω·cm。
实施例9
本实施例中,二维片状导热填料为碳化硅,占比75wt%,高分子聚合物为拉丝级PVDF,占比2.5wt%,液体硅胶采用了聚二甲基环硅氧烷-聚二甲基硅氧烷,占比23.5wt%。另外,碳化硅片径分布在10-200μm。
采用离心旋转将高分子聚合物拉丝形成丝状网络,旋转速率30000r/min;时间10min。
随后,压制形成厚度1.5mm的片材,再将若干层该厚度的片材层层堆叠后压制成块体,在常温下将该块体固化成型。然后沿着前述片材层层堆叠的高度方向,将该固化成型的块体切割成若干个厚度1mm薄片,得到本发明实施例9的绝缘导热垫片样品。
经过测试,样品的导热系数为16.1W/(m·K)、热阻为0.131K·in2/W、压缩回弹率54%、击穿电压8.2KV(@1mm)、体积电阻率>108Ω·cm。
实施例10
本实施例中,二维片状导热填料为氮化硼,占比65wt%,高分子聚合物为ABS,占比2wt%,液体硅胶采用了聚二甲基环硅氧烷-聚二甲基硅氧烷-α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷,占比33wt%。另外,氮化硼片径分布在50-200μm。
采用离心旋转将高分子聚合物拉丝形成丝状网络,旋转速率25000r/min;时间12min。
随后,压制形成厚度1.5mm的片材,再将若干层该厚度的片材层层堆叠后压制成块体,在常温下将该块体固化成型。然后沿着前述片材层层堆叠的高度方向,将该固化成型的块体切割成若干个厚度1mm薄片,得到本发明实施例10的绝缘导热垫片样品。
经过测试,样品的导热系数为18.8W/(m·K)、热阻为0.107K·in2/W、压缩回弹率57%、击穿电压8.5KV(@1mm)、体积电阻率>108Ω·cm。
实施例11
本实施例中,二维片状导热填料为氮化硼,氮化硼片径分布在5-500μm,占比95wt%,高分子聚合物为PVDF,占比5wt%。未采用粘结剂。其他条件与实施例2相同。
如图7所示,由于高分子聚合物形成了网络,因此即使高达95wt%的二维导热填料的情况下,不使用粘结剂也可以直接压制成型,成型性较好。
对比例1
本对比例中,二维片状导热填料为氮化硼,占比40wt%,高分子聚合物为拉丝级PVDF,占比5wt%,液体硅胶采用了聚二甲基环硅氧烷,占比55wt%。另外,氮化硼片径分布在50-200μm。
采用高速剪切方式将高分子聚合物拉丝形成丝状网络,剪切速率10000r/min;剪切时间5min。
随后,压制形成厚度1mm的片材,再将若干层该厚度的片材层层堆叠后压制成块体,在100℃的固化温度下将该块体固化成型。然后沿着前述片材层层堆叠的高度方向,将该固化成型的块体切割成若干个厚度1mm薄片,得到对比例1的绝缘导热垫片样品。
经过测试,样品的导热系数为6.8W/(m·K),热阻0.274K·in2/W。由于本对比例中,氮化硼的填充量过小而液态硅胶含量过高,所制备的导热垫片导热系数较低,热阻较高。
对比例2
本对比例中,二维片状导热填料为氮化硼,占比95wt%,高分子聚合物为拉丝级ABS,占比1wt%,液体硅胶采用了聚二甲基硅氧烷,占比4wt%。另外,氮化硼片径分布在100-200μm。
采用高速剪切方式将高分子聚合物拉丝形成丝状,剪切速率20000r/min;剪切时间8min。
随后,压制形成厚度1.5mm的片材,将若干层该厚度的片材层层堆叠后压制成块体,在120℃的固化温度下欲将该块体固化成型,但是由于本对比例中所用氮化硼含量过高而液体硅胶含量过小,所得样品开裂,不能成型。
对比例3
本对比例中,二维片状导热填料为氮化铝,占比70wt%,高分子聚合物为拉丝级ABS,占比0.5wt%,液体硅胶采用了聚二甲基硅氧烷,占比29.5wt%。另外,氮化铝片径分布在5-50μm。
采用高速剪切方式将高分子聚合物拉丝形成丝状网络结构并贯穿于整个体系,剪切速率20000r/min;剪切时间9min。
随后,压制形成厚度1.5mm的片材,再将若干层该厚度的片材层层堆叠后压制成块体,在120℃的固化温度下欲将该块体固化成型,由于本对比例中所用高分子聚合物含量过小,不能形成足够的网络结构,不能在氮化铝之间形成良好的连接作用,所得样品不能成型。
对比例4
本对比例中,二维片状导热填料为氮化铝,占比50wt%,高分子聚合物为拉丝级ABS,占比10wt%,液体硅胶采用了聚二甲基硅氧烷,占比40wt%。另外,氮化铝片径分布在10-100μm。
采用高速剪切方式将高分子聚合物拉丝形成丝状网络,剪切速率25000r/min;剪切时间6min。
随后,压制形成厚度1.5mm的片材,再将若干层该厚度的片材层层堆叠后压制成块体,在120℃的固化温度下将该块体固化成型。然后沿着前述片材层层堆叠的高度方向,将该固化成型的块体切割成若干个厚度1mm薄片,得到对比例4的绝缘导热垫片样品。
经过测试,样品的导热系数为10.3W/(m·K),应用热阻0.537K·in2/W,压缩回弹率13%。由于本对比例中所用高分子聚合物占比过高,所得样品硬度较大,应用热阻较高。
对比例5
本对比例中,二维片状导热填料为碳化硅,占比50wt%,高分子聚合物为拉丝级PVDF,占比3wt%,液体硅胶采用了聚二甲基环硅氧烷,占比47wt%。另外,碳化硅片径分布在0.2-5μm。
采用离心旋转将高分子聚合物拉丝形成丝状网络,旋转速率25000r/min;时间5min。
随后,压制形成厚度1mm的片材。然后,将若干层该厚度的片材层层堆叠后压制成块体,在100℃的固化温度下将该块体固化成型。然后沿着前述片材层层堆叠的高度方向,将该固化成型的块体切割成若干个厚度分别为1mm薄片,得到对比例5的绝缘导热垫片样品。
经过测试,样品的导热系数为1.6W/(m·K),应用热阻1.375阻K·in2/W。
由于碳化硅片径过小,所得绝缘导热垫片的导热系数较小,应用热阻较大。
对比例6
本对比例中,二维片状导热填料为碳化硅,占比80wt%,高分子聚合物为拉丝级PE,占比3wt%,液体硅胶采用了聚二甲基环硅氧烷,占比17wt%。另外,碳化硅片径分布在300-1000μm。
采用离心旋转将高分子聚合物拉丝形成丝状网络,旋转速率25000r/min;时间10min。
随后,压制形成厚度1mm的片材,再将若干层该厚度的片材层层堆叠后压制成块体,在100℃的固化温度下欲将该块体固化成型,但是,由于碳化硅片径过大,制备所得导热垫片不易成型。
对比例7
本对比例中,二维片状导热填料为氮化硼,占比60wt%,高分子聚合物为拉丝级PTFE,占比1wt%,液体硅胶采用了聚二甲基环硅氧烷,占比39wt%。另外,氮化硼片径分布在20-50μm。
采用离心旋转将高分子聚合物拉丝形成丝状网络,旋转速率15000r/min;时间20min。
随后,直接将混合物料制成厚度为1mm的导热垫片,并置于100℃温度下固化成型。
经过测试,导热垫片样品的导热系数为1.1W/(m·K),应用热阻1.823K·in2/W。
由于本对比例中没有将薄片层层堆叠后再固化成型后切割,因此氮化硼主要沿着横向排列,制备所得导热垫片导热系数较低,应用热阻较高。
对比例8
本对比例中,二维片状导热填料为氮化硼,占比70wt%,高分子聚合物为拉丝级PVA,占比2wt%,液体硅胶采用了α,ω-二羟基聚甲基(3,3,3-三氟丙基)硅氧烷,占比28wt%。另外,氮化硼片径分布在5-50μm。
采用高速剪切方式将高分子聚合物拉丝形成丝状,剪切速率500r/min;剪切时间15min。
随后,压制形成厚度1mm的片材,再将若干层该厚度的片材层层堆叠后压制成块体,在100℃的固化温度下欲将该块体固化成型,但是由于本对比例中由于采用的剪切速率过小,高分子聚合物不能拉丝形成有效的网络结构,制备所得导热垫片不能成型。
对比例9
本对比例中,二维片状导热填料为氮化铝,占比60wt%,高分子聚合物为拉丝级PI,占比2wt%,液体硅胶采用了聚二甲基环硅氧烷,占比38wt%。另外,氮化铝片径分布在5-50μm。
采用离心旋转将高分子聚合物拉丝形成丝状网络,旋转速率500r/min;时间20min。
随后,压制形成厚度1mm的片材,再将若干层该厚度的片材层层堆叠后压制成块体,在100℃的固化温度下欲将该块体固化成型,由于本对比例中采用的离心旋转速率过小,高分子聚合物不能有效拉丝形成良好的丝状网络,制备的导热垫片力学性能差,不能成型。
对比例10
本对比例中,二维片状导热填料为氮化硼,占比60wt%,高分子聚合物为拉丝级PET,占比2wt%,液体硅胶采用了聚二甲基环硅氧烷,占比38wt%。另外,氮化硼片径分布在5-50μm。
采用离心旋转将高分子聚合物拉丝形成丝状网络,旋转速率500r/min;时间12min。
随后,压制形成厚度1mm的片材,再将若干层该厚度的片材层层堆叠后压制成块体,在100℃的固化温度下欲将该块体固化成型,由于振动频率或/和进料压力过大,氮化硼与高分子聚合物在离心旋转步骤中的时间过短,高分子聚合物不能有效拉丝,不能形成与氮化硼结合良好的三维网络结构,所制备样品不能成型。
对比例11
本对比例中,二维片状导热填料为氮化硼,占比60wt%,高分子聚合物为拉丝级PS,占比2wt%,液体硅胶采用了聚二甲基环硅氧烷,占比38wt%。另外,氮化硼片径分布在20-50μm。
采用离心旋转将高分子聚合物拉丝形成丝状网络,旋转速率20000r/min;时间20min。
随后,压制形成厚度0.1mm的片材,由于制备的片材厚度较薄,不容易实现片材的堆叠。
对比例12
本对比例中,二维片状导热填料为氮化铝,占比50wt%,高分子聚合物为拉丝级PET,占比2wt%,液体硅胶采用了聚二甲基环硅氧烷,占比48wt%。另外,氮化铝片径分布在100-200μm。
采用高速剪切方式将高分子聚合物拉丝形成丝状网络,剪切速率20000r/min;剪切时间10min。
随后,压制形成厚度5mm的片材,再将若干层该厚度的片材层层堆叠后压制成块体,在100℃的固化温度下将该块体固化成型。然后沿着前述片材层层堆叠的高度方向,将该固化成型的块体切割成若干个厚度1mm薄片,得到对比例12的绝缘导热垫片样品。
经过测试,样品的导热系数为4.4W/(m·K),应用热阻1.027K·in2/W。由于制备的片材厚度较厚(5mm),不能实现维片状导热填料的良好定向,制备的导热垫片导热系数较低,热阻较高。
对比例13
本对比例中,二维导热填料为氮化硼,氮化硼片径分布在5-50μm,氮化硼占比60wt%。粘结剂为聚二甲基硅氧烷,占比40wt%。未采用高分子聚合物。其他相关条件与实施例1相同。
如图8所示,由于未使用高分子聚合物,因此没有形成网络结构,压制后成型很差,不能继续后续堆叠工序。
对比例14
本对比例中,二维导热填料为氮化硼,氮化硼片径分布在5-50μm,占比80wt%,粘结剂为聚二甲基环硅氧烷,占比20wt%。未采用高分子聚合物。其他相关条件与实施例1相同。
如图9所示,由于未使用高分子聚合物,因此没有形成网络结构,压制后成型很差,不能继续后续堆叠工序。
进一步比较图7和图8、9可知,通过引入高分子聚合物,可以将二维导热填料相互连接,并在整个体系中形成网络结构,显著改善了片材的成型性,因此能够大幅增加二维导热填料在粘结剂中的填充量,能够制备导热性能优异的绝缘导热垫片。
以上依据本发明的实施例对本发明进行了详细说明,本领域技术人员可以在不偏离本发明的技术思想范围内,对本发明实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。另外,本发明的技术性范围不局限于说明书上的内容,须根据权利要求范围来确定技术性范围。
Claims (13)
1.一种绝缘导热垫片,其特征在于,包括绝缘导热材料、高分子聚合物与粘结剂,所述绝缘导热材料为二维片状结构,所述二维片状结构沿着该绝缘导热垫片的厚度方向取向,所述高分子聚合物呈丝状,将二维片状结构相互连接,最终贯穿于所述绝缘导热垫片内部,所述二维导热填料选自氮化硼、氮化铝、碳化硅中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的绝缘导热垫片,其特征在于,所述二维导热填料在片径5-300μm,优选10-200μm,最优为20-50μm。
3.根据权利要求1所述的绝缘导热垫片,其中所述二维导热填料占比50wt%-92wt%,优选60wt%-80wt%,更优选65wt%-75wt%。
4.根据权利要求1或2所述的绝缘导热垫片,其中所述网络结构由高分子聚合物拉丝形成,优选地,所述高分子聚合物选自PI、PE、PP、PS、PA、PTFE、ABS、PET、PVDF中的至少一种,并且优选地所述高分子聚合物为拉丝级,优选地,所述高分子聚合物占比1wt%-5wt%,优选为2wt%-4wt%。
5.根据前述任一项权利要求所述的绝缘导热垫片,其中所述粘结剂占比5wt%-49wt%,优选为15wt%-40wt%,更优选20wt%-30wt%,优选地,所述粘接剂选自环氧树脂、丙烯酸树脂、有机硅胶中的至少一种。
6.根据权利要求4所述的绝缘导热垫片,其中所述有机硅胶为液体有机硅胶,选自α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷、聚二甲基环硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、聚二苯基硅氧烷、α,ω-二羟基聚甲基(3,3,3-三氟丙基)硅氧烷、α,ω-二乙基聚二甲基硅氧烷、氰基硅氧基硅烷中的至少一种。
7.根据前述任一项权利要求所述的绝缘导热垫片,其厚度为0.25-5mm,优选0.5-2mm。
8.一种制备绝缘导热垫片的方法,其包括以下步骤:
(a)将二维导热填料与高分子聚合物混合;
(b)通过剪切方式或高速离心旋转将所述高分子聚合物转变为丝状物,并将所述二维导热填料相互连接;
(c)加入粘接剂并充分混合,使高分子丝状物贯穿于整个体系中,形成网络结构;
(d)制成片材,优选地,该片材厚度为0.2-3.0mm,优选为0.5-2.0mm;
(e)将所述片材层叠后压制成块体,并固化成型,优选地,所述固化为加热固化或常温固化;
(f)将固化成型后的块体沿着所述片材层叠的高度方向切割成若干薄片,得到绝缘导热垫片,优选地,在该步骤中,切割方式选自线切割、激光切割、超声波切割、冷冻切割、超声波-冷冻切割中的一种。
9.根据权利要求8所述的方法,其中步骤(b)中采用高速剪切速率为5000-30000r/min,优选10000-25000r/min,剪切的时间为1-15min,优选5-10min。
10.根据权利要求8所述的方法,其中步骤(b)中采用高速离心旋转,转速5000-50000r/min,优选20000-30000r/min,旋转时间5-20min,优选10-15min。
11.根据权利要求8所述的方法,其中固化为加热固化,固化温度为180℃以下,优选150℃以下。
12.根据前述任一项权利要求所述的方法,其中步骤(f)中切割形成的薄片厚度为0.25-5mm,优选为0.5-2mm。
13.一种电子设备,其特征在于,该电子设备具备热源、散热部件、以及夹持于该热源与该散热部件之间的绝缘导热垫片,其中所述绝缘导热垫片是权利要求1-7中任一项所述的绝缘导热垫片或者采用权利要求8-12中所述的方法制得。
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