CN113556925B - 导热垫片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种导热垫片，包含增强纤维、导热膜和粘结剂，其中，增强纤维并排穿插于导热膜中，使导热膜呈现稳定的波浪状结构，所述粘结剂填充于所述波浪状结构中的缝隙中，形成紧密结合的导热垫片。所述导热垫片在纵向上具有良好的导热性能与压缩回弹性。

Description

导热垫片及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种导热垫片及其制备方法，更具体而言，涉及纤维/导热膜共同增强的纵向导热垫片及其制备方法，属于导热散热技术领域。

背景技术

随着5G技术的迅猛发展，电子通讯产品中高频率的引入、硬件零部件的升级，以及联网设备和天线数量的成倍增长，导致设备的功耗不断增大，发热量也随之快速上升。同时，电子设备集成功能逐渐增加并日趋复杂化，设备体积逐渐缩小，对电子设备的热管理技术提出了更高的要求。在电子产品热管理中，导热垫片因其厚度及柔软度可调、压缩回弹性稳定、导热性能高、可重复使用、操作便捷、减震吸音、无腐蚀无油污等优点，成为了界面材料中的首选。

主流的高导热垫片的技术利用场作用(流体场、磁场、电场等)实现高导热碳纤维在基体中的定向排列，开发出各向异性导热垫片，其纵向导热系数可达25W/(m·K)以上。

石墨烯具有极高的导热系数，单层石墨烯的导热系数可达5300W/(m·K)，商用石墨烯导热膜的导热系数也达到了1500W/(m·K)，高于银、铜、铝、碳纤维、石墨等材料，在导热增强材料方面具有巨大的应用前景。若能将石墨烯导热膜进行排列，制成纵向排列的导热垫片，其导热效果将优于由炭纤维定向排列的导热垫片。

对此，专利文献WO2019235983A1将石墨烯导热膜通过粘结剂层层堆叠粘接后，沿着堆叠方向切割成具有纵向高导热的导热垫片。但是，石墨烯导热膜在垫片中竖直排列，或倾斜一定角度排列，会造成导热垫片的可压缩性变差，会引起应用热阻上升、力学性能下降、应用时易开裂等问题。

背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

针对现有技术存在问题中的一个或多个，因此，本发明着眼于解决诸如石墨烯高度定向后压缩性较差，导致导热垫片热阻升高、易开裂、成型性差等问题。

根据本发明的一个方面，提供一种导热垫片，其包含增强纤维、导热膜和粘结剂，其中，增强纤维并排穿插于导热膜中，使导热膜形成波浪状结构，所述粘结剂填充于所述波浪状结构的缝隙中。由于波浪状结构的存在，能够形成稳定且紧密的粘接，并且改善了压缩回弹性，因此导热垫片在纵向上具有良好的导热性能且不易开裂。

根据本发明的一个方面，提供一种制备导热垫片的方法，其包括以下步骤：

(1)将增强纤维并排穿插于导热膜之中，使导热膜形成波浪状结构；

(2)采用粘结剂填充波浪状结构的缝隙形成块体，和/或将多个填充缝隙后的波浪状结构堆叠，并通过粘结剂密粘接形成堆叠体；

(3)沿着与穿插所述导热膜的穿插方向垂直的方向切割所述块体或所述堆叠体，得到导热垫片；

其中，所述增强纤维选自玻璃纤维、炭纤维、石墨纤维、石墨烯纤维、陶瓷纤维、莫来石纤维、纤维素纤维、石英纤维、金属纤维中的至少一种，其中，优选高导热石墨纤维和高导热炭纤维。

其中，所述增强纤维的含量为所述导热垫片的10wt％-60wt％，优选为20wt％-50wt％。

其中，所述增强纤维的直径优选为1-30μm，更优为5-15μm或者10-20μm。

其中，所述导热膜选自石墨烯导热膜、石墨导热膜、氮化硼导热膜中的至少一种，其中优选石墨烯导热膜、石墨导热膜。

其中，所述导热膜的含量为所述导热垫片的30wt％-80wt％，优选为40wt％-70wt％。

其中，所述粘结剂选自环氧树脂、丙烯酸树脂、有机硅胶中的至少一种。优选地，所述有机硅胶为液体有机硅胶，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，所述粘结剂的含量为所述导热垫片的10％-30wt％，优选为15％-25wt。所述粘结剂中还可以包括导热填料，该导热填料选自氧化铝粉、氮化铝粉、碳化硅粉、氮化硼粉、石墨粉、石墨烯粉中的至少一种，优选地，所述导热填料的含量为所述粘结剂的10wt％-80wt％，优选为40wt％-60wt％。

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导热垫片。

本发明具有以下有益效果：本发明利用增强纤维将导热膜穿插形成稳定波浪状结构，使导热膜在导热垫片的厚度方向上获得了良好的压缩回弹性，从而提升了导热垫片的压缩回弹性，避免内部开裂。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明实施例1中，采用多根增强纤维1穿插多层的导热膜2后形成的波浪状结构的示意图。

图2是本发明实施例1中，利用粘结剂3填充波浪状结构后形成的块体5的示意图。

图3是本发明实施例1的导热垫片10的结构示意图。

图4是本发明实施例2中，采用多根增强纤维1穿插单层的导热膜2形成的波浪状结构的示意图。

图5是本发明实施例2中，利用粘结剂3填充波浪状结构后形成的块体5的示意图。

图6是本发明实施例2中，利用粘结剂3将多个块体5堆叠粘接后形成的堆叠体6的示意图。

图7是本发明实施例2的导热垫片10的结构示意图

附图标记说明：

1：增强纤维；2：导热膜；3：粘结剂；5：块体；6：堆叠体；10：导热垫片。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

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。

首先对本发明的导热垫片进行说明。

本发明的一个实施例涉及一种导热垫片10，如图1所示，其包含增强纤维1、导热膜2和粘结剂3。其中，增强纤维1将导热膜2穿插形成波浪状结构后，整体呈定向排列，波浪状结构中的缝隙中填充有粘结剂3。

在该导热垫片10中，由于增强纤维1将导热膜2穿插形成波浪状结构，使导热膜2在导热垫片10的厚度方向上具有了良好的可压缩性，并最终改善了导热垫片的压缩回弹性，并且有助于形成稳定且紧密的粘接，在较高的压缩率下能够避免导热垫片开裂。

本发明还涉及一种制备导热垫片的方法，其包括以下步骤：

(1)如图1或图4所示，将增强纤维1并排穿插于导热膜2之中，使导热膜形成波浪状结构；

(2)采用粘结剂填充波浪状结构的缝隙形成块体5(如图2或图5所示)，和/或将多个填充缝隙后的波浪状结构(即，块体5)堆叠，并通过粘结剂粘接形成堆叠体6(如图6所示)；

(3)沿着图2或者图6所示的切割方向(即与穿插所述导热膜的穿插方向垂直的方向)切割所述块体5或所述堆叠体6，得到导热垫片10(参见图3或者图7)；

根据上述方法，能够简单易行地制备成型性良好、机械性能优异的纵向高导热垫片。

适用于本发明的增强纤维可以选自玻璃纤维、炭纤维、石墨纤维、石墨烯纤维、陶瓷纤维、莫来石纤维、纤维素纤维、石英纤维、金属纤维中的至少一种，综合导热效果与力学增强效果来看，优选高导热石墨纤维和高导热炭纤维。

其中，所述高导热石墨纤维和高导热炭纤维可以通过本领域常规方法获得，例如可以将沥青、聚丙烯氰经纺丝、碳化、石墨化后得到的，也可以由甲烷、乙烯、乙醇、苯等烃及烃的衍生物经过化学气相沉积法制备获得，甚至是由电弧放电等方法制得。从获得高导热的角度出发，所用高导热碳纤维优选为中间相沥青基碳纤维。

作为所述增强纤维的含量，一般为所述导热垫片的10wt％-60wt％，优选为20wt％-50wt％。

其中，所述增强纤维的直径优选为1-30μm，更优为5-15μm或者10-20μm。

根据需要，也可以对所述高导热石墨纤维、高导热炭纤维经过表面处理例如可以进行酸化、氧化、碱基化、硝化、磺化、环氧化、氢化、金属化等化学处理；也可以进行包覆、包裹等物理方法的处理。

合适的导热膜可以选自石墨烯导热膜、石墨导热膜、氮化硼导热膜中的至少一种，其中优选石墨烯导热膜、石墨导热膜。

作为所述导热膜的含量，为所述导热垫片的30wt％-80wt％，优选为40wt％-70wt％。

适用于本发明的粘结剂选自环氧树脂、丙烯酸树脂、有机硅胶中的至少一种。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。

另外，关于粘结剂的含量，为所述导热垫片的10％-30wt％，优选为15％-25wt。

此外，所述粘结剂中可以包含导热填料，所述导热填料选自氧化铝粉、氮化铝粉、碳化硅粉、氮化硼粉、石墨粉、石墨烯粉导热填料中的至少一种，优选地，该导热填料的含量为所述粘结剂的10wt％-80wt％，优选为40wt％-60wt％。

实施例

按照上述制备方法，制备以下各实施例的导热垫片。

本发明的导热垫片可以实现0.1mm以上厚度的控制，为方便对比说明本发明的导热垫片，实施例中统一采用0.3mm厚度的样品进行测试表征。

另外，根据下列方法测定各实施例中制备的导热垫片的性能参数。

导热系数测试：采用ASTMD5470-17测试得到导热垫片的导热系数。

热阻测试：测试方法采用ASTMD5470-17，测试样品在应变50％时的应用热阻。

回弹率测试：参照ASTM D395，将样品压缩至50％应变后保持30min后释放压力，观测导热垫片恢复后的厚度情况。

实施例1

如图2所示，本实施例采用多根增强纤维1同时将多层的导热膜2穿插在一起，并在穿插后所形成的波浪状结构的缝隙中填充粘结剂3形成块体5(图2)，然后沿着图2中所示的切割方向(即，垂直于穿插导热膜的穿插方向)切割成0.3mm厚度的片材，即得到纵向高导热垫片10。由图3可知，增强纤维在导热垫片的厚度方向(纵向)取向，因此，导热垫片10纵向上的导热性能优异。本实施例中通过设计平行实验，制备的相关导热垫片配方列于表1，对应的性能参数列于表2。

表1:实施例1中导热垫片的配方参数

表2:实施例1中得到的导热垫片的性能参数

实施例2

如图4所示，本实施例中，首先采用多根增强纤维1将单个或者说单层的导热膜2穿插，使单个导热膜3形成波浪状结构，然后利用粘结剂填充波浪状结构的缝隙形成块体5(图5)，进一步采用粘结剂将多个这样块体5紧密粘接并堆叠形成堆叠体6(图6)，固化成型后，将堆叠体6切割成0.3mm厚度的片材，即得到实施例2的导热垫片10(图7)。同样地，由图7可知，增强纤维1在导热垫片10的厚度方向(纵向)取向，因此，导热垫片10纵向上的导热性能优异。本实施例中通过设计平行实验，制备的相关导热垫片配方列于表3，对应的性能参数列于表4。

表3:实施例2中导热垫片的配方参数

表4:实施例2中得到的导热垫片的性能参数

上述实施例2中，示出了采用多根增强纤维将单个导热膜穿插后并堆叠的方式。但是不局限于此，也可以是先将若干层(例如二层或者三层)导热膜同时穿插以形成波浪状结构，然后利用粘结剂填充波浪状结构的缝隙形成块体，并进一步采用粘结剂将多个这样块体5紧密粘接并堆叠形成堆叠体6(图6)，并固化成型后切割成导热垫片。

本发明的导热垫片具有提升了的导热系数和较低的热阻，并且具有优异的压缩性能，在制备过程中不易开裂且成型性好，是一种导热散热性能优异的纵向导热垫片，非常适用于需要高导热垫片的各种电子设备。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，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。

Claims (22)

1.一种制备导热垫片的方法，其包括以下步骤：

(1)将增强纤维并排穿插于导热膜之中，使导热膜形成波浪状结构；

(2)采用粘结剂填充波浪状结构的缝隙形成块体，和/或将多个填充缝隙后的波浪状结构堆叠，并通过粘结剂粘接形成堆叠体；

(3)沿着与穿插所述导热膜的穿插方向垂直的方向切割所述块体或所述堆叠体，得到导热垫片，所述导热垫片中的导热膜呈沿厚度方向的波浪结构。

2.一种根据权利要求1所述方法制备的导热垫片，其中，包含增强纤维、导热膜和粘结剂，所述增强纤维并排穿插于所述导热膜中，使所述导热膜形成波浪状结构，所述粘结剂填充于所述波浪状结构的缝隙中。

3.根据权利要求2所述的导热垫片，其中，所述增强纤维选自炭纤维、石墨纤维、石墨烯纤维、陶瓷纤维、金属纤维、莫来石纤维、纤维素纤维、石英纤维中的至少一种。

4.根据权利要求3所述的导热垫片，其中，所述增强纤维选自高导热炭纤维、高导热石墨纤维中的至少一种。

5.根据权利要求2所述的导热垫片，其中，所述增强纤维在所述导热垫片中的含量为10wt％-60wt％。

6.根据权利要求5所述的导热垫片，其中，所述增强纤维在所述导热垫片中的含量为20wt％-50wt％。

7.根据权利要求2所述的导热垫片，其中，所述增强纤维的直径为1-30μm。

8.根据权利要求7所述的导热垫片，其中，所述增强纤维的直径为5-15μm或者10-20μm。

9.根据权利要求2所述的导热垫片，其中，所述导热膜选自石墨烯导热膜、石墨导热膜、氮化硼导热膜中的至少一种。

10.根据权利要求9所述的导热垫片，其中，所述导热膜选自石墨烯导热膜、石墨导热膜中的至少一种。

11.根据权利要求2所述的导热垫片，其中，所述导热膜的厚度为1-200μm。

12.根据权利要求11所述的导热垫片，其中，所述导热膜的厚度为20-100μm。

13.根据权利要求2所述的导热垫片，其中，所述导热膜的含量为所述导热垫片的30wt％-80wt％。

14.根据权利要求13所述的导热垫片，其中，所述导热膜的含量为所述导热垫片的40wt％-70wt％。

15.根据权利要求2所述的导热垫片，其中，所述粘结剂选自环氧树脂、丙烯酸树脂、有机硅胶中的至少一种。

16.根据权利要求15所述的导热垫片，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。

17.根据权利要求2所述的导热垫片，其中，所述粘结剂的含量为所述导热垫片的10wt％-30wt％。

18.根据权利要求17所述的导热垫片，其中，所述粘结剂的含量为所述导热垫片的15wt％-25wt％。

19.根据权利要求2所述的导热垫片，其中，所述粘结剂中还包括导热填料，所述导热填料选自氧化铝粉、氮化铝粉、碳化硅粉、氮化硼粉、石墨粉、石墨烯粉中的至少一种。

20.根据权利要求19所述的导热垫片，其中，所述导热填料的含量为所述粘结剂的10wt％-80wt％。

21.根据权利要求20所述的导热垫片，其中，所述导热填料的含量为所述粘结剂的40wt％-60wt％。

22.一种电子设备，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权利要求2-21中任一项所述的导热垫片。