CN113840868A - 包含导热颗粒和磁性颗粒的(共)聚合物基质复合材料及其制备方法 - Google Patents

包含导热颗粒和磁性颗粒的(共)聚合物基质复合材料及其制备方法 Download PDF

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德里克·J·德纳
保尔·T·海因斯
麦克尔·S·格拉夫
马里奥·A·佩雷斯
查尔斯·L·布鲁泽
巴拉特·R·阿查理雅
小克林顿·P·沃勒
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Abstract

本公开提供了(共)聚合物基质复合材料，所述(共)聚合物基质复合材料包含多孔(共)聚合物网络；分布在该(共)聚合物网络结构内的多个导热颗粒和多个磁性颗粒；其中基于该颗粒和该(共)聚合物(不包括溶剂)的总重量计，该导热颗粒、磁性颗粒和任选的磁性颗粒以15重量％至99重量％的范围存在。还公开了制备和使用所述(共)聚合物基质复合材料的方法。该(共)聚合物基质复合材料可用作例如热耗散或热吸收的热界面材料，该热界面材料还提供可用于例如通量场定向材料中或屏蔽电磁干扰的磁特性。

Description

包含导热颗粒和磁性颗粒的(共)聚合物基质复合材料及其制 备方法
背景技术
例如，集成电路、有源和无源组件、光盘驱动器、电池、马达在正常使用期间产生热量。为了延长装置长期以及连续的使用，需耗散所产生的热量。含有热管的翅片式金属块和散热器通常用作热沉，以耗散装置在正常使用期间产生的热量。热界面材料可用于在热源和散热器之间提供热连接。管理电池系统的充电和放电通常经由电子电池管理系统来完成。热管理通常经由热传递材料以及主动和被动冷却与空气或热传递液体界面的组合来进行。
本领域已公开了可用于改变磁场的各种复合材料。此类复合材料在例如美国专利5,827,445；5,828,940和9,105,382B2和美国专利公布2005/0012652 A1和2006/0099454A1中有所描述。另外，本领域已公开了用于形成多孔聚合物材料的各种方法。这些复合材料在例如美国专利5,196,262和6,524,742 B1中有所描述。
多孔膜和膜泡沫一般经由相分离方法制得，因此与泡沫相比，通常具有相对较小、均匀的孔径和不同的孔形态。多孔膜上的孔通常是开放的，使得气体、液体或蒸气可从一个主表面穿过开放孔到达另一个相对的主表面。多孔膜和膜泡沫可经由几种相分离方法制得，但是通常经由溶剂诱导相分离或热诱导相分离制得。
发明内容
另外，移动通信装置中的微芯片和半导体随着其各个组件的功率输出增加而密集堆积。当装置的特征的数量增加时，微电子组件可用的空间从一代移动装置到下一代移动装置减小。这需要在小空间内紧密堆积电路板、晶体管、电缆、天线和电池。因此，在需要新型解决方案的正常操作期间出现两个主要问题。
第一，所有组件(集成电路、有源和无源组件、光盘驱动器、电池和马达)在使用期间产生热量。为了延长装置长期以及连续的使用，必须耗散热量。含有热管的翅片式金属块和散热器通常用作热沉，以耗散装置在使用期间产生的热量。热界面材料(TIM)被置于发热组件和热沉之间，以改善两个组件之间的热耦合。存在不同类别的TIM，包括凝胶块、液相至固相变化化合物、油脂、以及机械地夹持在例如印刷电路板(PCB)和热沉之间的衬垫。
第二，电子装置必须被设计成确保与发射电磁辐射的其他附近电子装置的兼容性。例如，电磁干扰(EMI)是由来自电子组件的电干扰引起的具有挑战性的问题，从而生成对另一装备的不期望的响应。该问题对于移动通信装备中使用的高频装置尤其明显，从而导致电磁耦合、由电磁耦合增加的线-线耦合、以及噪声辐射。发生在移动通信装置内的不同微电子电子组件之间的电磁干扰已成为不仅降低装置容量而且还可能导致装置故障的主要原因。
因此，电子工业和政府机构已增加了通过使用EMI屏蔽和缓冲材料(低介电材料)来控制干扰的努力。无线电力充电是手持式电子装置的功能的另一种最近添加，并且对较高无线电力充电(WPC)能力的需要是不可避免的。通量场定向材料(FFDM)首先通过其自身然后通过WPC装置的接收器线圈输送磁通量密度，从而防止通量到达附近的金属组件，诸如电池的壳体。随着功率传输速率增加，FFDM需要集中和重新导向增加的通量量。
由于多种电子装置设计，另一个需要是具有易于被配置成适配在设备内的所需空间中的FFDM。就这一点而言，柔性材料是所需的。然而，最常用的当前FDDM材料(铁氧体片材)往往是刚性且不柔性的。
另外，无定形或纳米晶体条带(纳米条带)具有重新导向高磁通量密度的能力，但结合在消费电子装置中较昂贵。它们还限于较低频率的应用，这是由于它们相对高的电导率以及由此导致的损耗涡流的感应。铁氧体片材限于相对低的饱和磁通量密度，并且在制造时非常难以在不发生破损的情况下成型、转换或处理。因此，将优选的是将传统复合材料用于无线电力传输。然而，由于加工限制，当前复合材料中所需磁性薄片的最大负载水平仅为约50体积％，从而限制了它们在高功率传输应用中的实用性。
另外，与例如铁氧体相比，用于制备复合材料的当前方法通常导致更高成本的材料。尽管存在成本劣势，但复合材料已被用于低功率传输速率(约5W)的一些FDDM应用。然而，这些材料在下一代装置中限制和重新导向较高功率传输速率(15W和以上)所需的较高通量密度的能力有限。另外，由于WPC协议涉及较高频率(在一些情况下超过1MHz)，因此FFDM将必须满足当前复合材料无法实现的更严格的材料要求(例如，较低电阻率)。总体而言，需要改善的FDDM材料，其能够实现以下中的至少一者：改善的成型特性，例如，改善的柔性、增加的功率传输水平和降低的成本。
需要递送或以其他方式提供磁性材料与导热材料组合的附加选择，更具体地以颗粒形式(即，作为颗粒)。多孔膜一般具有柔韧性并且可在硬质塑料或金属之间提供紧密接触或缓冲。然而，捕集的空气自然被认为是防导热的绝缘体，并且具有捕集空气的多孔材料通常不适用于热耗散。期望用于耗散或传导热量的替代材料和方法。
本公开描述了多功能(共)聚合物基质膜以及用于制备提供用于热管理和电磁辐射控制(例如，FFDM或EMI屏蔽)两者的解决方案的膜的方法。
因此，在一个方面，本公开描述了(共)聚合物基质复合材料，其包括多孔(共)聚合物网络结构、分布在该(共)聚合物网络结构内的多个导热颗粒和多个磁性颗粒，其中基于(共)聚合物基质复合材料(不包括任何溶剂)的总重量计，导热颗粒和磁性颗粒以15重量％至99重量％的范围(在一些实施方案中，以25重量％至98重量％、50重量％至98重量％、75重量％至98重量％或甚至93重量％至97重量％的范围)存在。
在另一方面，本公开描述了一种制备(共)聚合物基质复合材料的方法，该方法包括将热塑性(共)聚合物、用于热塑性(共)聚合物的溶剂、多个导热颗粒和多个磁性颗粒组合，以在可混溶的热塑性(共)聚合物-溶剂溶液中形成磁性颗粒的悬浮液，从而诱导热塑性(共)聚合物与溶剂的相分离；以及去除溶剂的至少一部分以提供(共)聚合物基质复合材料。在一些示例性实施方案中，诱导相分离包括热诱导相分离或溶剂诱导相分离中的至少一者。
本文所公开的(共)聚合物基质复合材料可用于热管理和电磁辐射控制应用。本文所述的(共)聚合物基质复合材料可用作例如热耗散或热屏蔽膜或填料、阻火装置、FFDM、EMI屏蔽或它们的组合物。
附图说明
结合附图来考虑本公开的以下各个实施方案的详细描述可以更全面地理解本公开。
其中：
图1为本文所述的示例性(共)聚合物基质复合材料的示意图。
图2为本文所述的另一种示例性(共)聚合物基质复合材料的示意图。
图3为本文所述的另一种示例性(共)聚合物基质复合材料的示意图。
图4和图5示出了本文所述的示例性(共)聚合物基质复合材料(分别为实施例1C和2C)的截面的扫描电镜(SEM)显微图。
在附图中，相似的附图标号指示相似的元件。虽然可不按比例绘制的上面标识的附图阐述了本公开的各种实施方案，但还可想到如在具体实施方式中所提到的其它实施方案。在所有情况下，本公开以示例性实施方案的表示的方式而非通过表述限制来描述当前所公开的公开内容。应当理解，本领域的技术人员可想出许多其它修改和实施方案，这些修改和实施方案落在本公开的范围和实质内。
具体实施方式
对于以下定义术语的术语表，除非在权利要求书或说明书中的别处提供不同的定义，否则整个申请应以这些定义为准。
术语表
在整个说明书和权利要求书中使用某些术语，虽然大部分为人们所熟知，但仍可需要作出一些解释。因此，应当理解：
术语“均质的”意指当在宏观尺度下观察时仅表现出单相物质。
术语“一种(共)聚合物”或“多种(共)聚合物”包括均聚物和共聚物，以及(如通过共挤出或通过包括例如酯交换反应在内的反应)可在可混溶的共混物中形成的均聚物和共聚物。术语“共聚物”包括无规共聚物、嵌段共聚物和星形(例如，树枝状)共聚物。
关于单体、低聚物的术语“(甲基)丙烯酸酯”或意指作为醇与丙烯酸或甲基丙烯酸的反应产物形成的乙烯基官能烷基酯。
如本文所用，术语“磁性颗粒”广义地指表现出磁通量的任何颗粒材料，并且旨在包括磁性硬颗粒材料和磁性软颗粒材料两者。磁性硬颗粒具有通常独立于外部施加场的固有北磁极和南磁极。另一方面，在不存在外部磁场的情况下，磁性软颗粒通常不具有净永久北极和南极；然而，此类极可以容易地由外部场感应。就软磁性材料而言，在移除外部场之后，感应到的磁极消失。软磁性材料通常表现出约0.1Oe至约10Oe(约8A/m至约800A/m)，更优选地约0.25Oe至约5Oe(约20A/M至约400A/M)；还更优选约0.5Oe至约2.5Oe(约40A/m至约200A/m)的矫顽力。硬磁性材料通常表现出大于10Oe(约800A/m)的矫顽力。
如本文所用，术语“可混溶的”是指物质以所有比例混合(即，以任何浓度彼此完全溶解)形成溶液的能力，其中对于某些溶剂-(共)聚合物体系，可需要热使(共)聚合物与溶剂混溶。相反，如果很大一部分没有形成溶液，则物质是不混溶的。例如，丁酮在水中是显著可溶的，但这两种溶剂是不可混溶的，因为它们不能以所有比例溶解。
如本文所用，术语“相分离”是指其中颗粒均匀地分散在均相(共)聚合物-溶剂溶液中的过程，所述均相(共)聚合物-溶剂溶液(例如通过温度或溶剂浓度的变化)转变成连续的三维(共)聚合物基质复合材料。
如本文所用，术语“导热颗粒”是指具有大于2W/(m°K)的热导率的颗粒。
关于特定层的术语“相邻”意指在某一位置与另一层接合或附接到另一层，在该位置处，两个层彼此紧挨(即，邻接)并直接接触，或彼此邻接但不直接接触(即，在两个层之间插入一个或多个附加层)。
用于所公开的涂覆制品中的各种元件的位置的取向术语诸如“在…顶上”、“在…上”、“在…之上”“覆盖”、“最上方”、“在…下面”等，是指元件相对于水平设置的、面向上方的基底的相对位置。然而，除非另外指明，否则本发明并非旨在基底或制品在制造期间或在制造后应具有任何特定的空间取向。为清楚起见且不希望由此受到过度限制，将任何两个顺序堆叠的片或条的组中的带片或条称为上覆带片和下面带片，其中上覆带片的粘合剂层粘附到下面带片的背衬的正面或第一面上。
术语“覆盖在…上”描述了层相对于本公开的多层制品的基底或层的位置，我们将该层称为在基底或其他元件的顶上，但未必与基底或其他元件邻接。
描述层相对于其他层的位置的术语“由…分离”是指定位在两个其他层之间但未必与任一层邻接或相邻的层。
关于数值或形状的术语“约”或“大约”意指该数值或特性或特征的+/-5％，但明确地包括确切的数值。例如，“约”1Pa-sec的粘度是指从0.95Pa-sec至1.05Pa-sec的粘度，但也明确地包括刚好1Pa-sec的粘度。类似地，“基本上正方形”的周边旨在描述具有四条侧棱的几何形状，其中每条侧棱的长度为任何其它侧棱的长度的95％至105％，但也包括其中每条侧棱刚好具有相同长度的几何形状。
关于特性或特征的术语“基本上”是指该特性或特征表现出的程度大于该特性或特征的相对面表现出的程度。例如，“基本上”透明的基材是指与不透射(例如，吸收和反射)相比透射更多辐射(例如，可见光)的基材。因此，透射多于50％的入射在其表面上的可见光的基材是基本上透明的，但透射50％或更少的入射在其表面上的可见光的基材不是基本上透明的。
如本说明书和所附实施方案中所用，除非内容清楚指示其它含义，否则单数形式“一个”、“一种”和“该/所述”包括多个指代物。因此，例如，提及包含“一种化合物”的细纤维包括两种或更多种化合物的混合物。如本说明书和所附实施方案中所用的，除非所述内容明确地另有规定，否则术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用。
如本说明书中所用的，通过端点表述的数值范围包括该范围内所包括的所有数值(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.8、4和5)。
除非另有说明，否则说明书中所用的所有份数、百分比、比率等均基于成分的重量来表示。重量百分比、百分比按重量计、按重量百分比计、wt.％等是指组合物中物质的量的同义词，表示为该物质的重量除以组合物的重量然后乘以100。
除非另外指明，否则本说明书和实施方案中所使用的表达量或成分、特性测量等的所有数字在所有情况下均应理解成由术语“约”来修饰。因此，除非有相反的说明，否则在上述说明书和所附实施方案列表中示出的数值参数可根据本领域的技术人员利用本公开的教导内容寻求获得的期望特性而变化。最低程度上说，并且在不试图将等同原则的应用限制到受权利要求书保护的实施方案的范围内的情况下，每个数值参数应至少根据所报告的有效位数并通过应用惯常的四舍五入法来解释。
现在将具体参考附图对本公开的各种示例性实施方案进行描述。在不脱离本公开实质和范围的情况下，可对本公开的示例性实施方案进行各种修改和更改。因此，应当理解，本公开的实施方案并不限于以下所述的示例性实施方案，而应受权利要求书及其任何等同物中示出的限制因素的控制。
(共)聚合物基质复合材料
在一个方面，本公开描述了一种(共)聚合物基质复合材料，该(共)聚合物基质复合材料包含：
多孔(共)聚合物网络结构；以及
分布在该(共)聚合物网络结构内的多个导热颗粒、多个磁性颗粒，其中基于磁性颗粒和(共)聚合物(不包括任何溶剂)的总重量计，磁性颗粒和导热颗粒以15重量％至99重量％的范围(在一些实施方案中，以25重量％至98重量％、50重量％至98重量％、75重量％至98重量％或甚至93重量％至97重量％的范围)存在。
在一些实施方案中，(共)聚合物基质复合材料具有对置的第一平坦主表面和第二平坦主表面。在一些实施方案中，本文所述的(共)聚合物基质复合材料具有相对的第一主表面和第二主表面，其中第一主表面为非平坦的(例如，弯曲的)。参见图1，本文所述的示例性(共)聚合物基质复合材料100具有对置的第一主表面101和第二主表面102。第一主表面101为非平坦的。
平坦和非平坦主表面可例如通过将浆液涂布或挤出到图案化基底(例如，衬垫、带、模具或工具)上来提供。另选地，例如，具有成型狭槽的模具可用于在涂布或挤出过程期间形成非平坦表面。另选地，例如，所述结构可在通过用图案化工具模制或成型所述层来去除溶剂之前和/或之后在已发生相分离之后形成。
在一些实施方案中，本文所述的(共)聚合物基质复合材料具有从第一主表面向外延伸的第一突出部，并且在一些实施方案中，具有从第二主表面向外延伸的第二突出部。在一些实施方案中，第一突出部与第一主表面成一整体，并且在一些实施方案中，第二突出部与第二主表面成一整体。示例性突出部包括柱、导轨、钩、锥体、连续轨、连续多向轨、半球、圆柱体或多叶状圆柱体中的至少一者。在一些实施方案中，突出部具有呈以下中的至少一种的横截面：圆形、正方形、矩形、三角形、五边形、其他多边形、正弦、人字形或多叶形。
参见图2，本文所述的示例性(共)聚合物基质复合材料200具有从第一主表面201向外延伸的第一突出部205和从第二主表面202向外延伸的任选的第二突出部206。
突出部可例如通过在图案化基底(例如，衬垫、带、模具或工具)之间涂布或挤出来提供。另选地，具有成型狭槽的模具可用于在涂布或挤出过程期间形成突出部。另选地，例如，该结构可在通过在图案化工具之间模制或成型该膜来去除溶剂之前和/或之后在已发生相分离之后形成。
在一些实施方案中，本文所述的(共)聚合物基质复合材料具有延伸到第一主表面中的第一凹陷部，并且在某些实施方案中，具有延伸到第二主表面中的第二凹陷部。示例性凹陷部包括凹槽、狭槽、倒金字塔、孔(包括通孔或盲孔)或凹坑中的至少一者。参见图3，本文所述的示例性(共)聚合物基质复合材料300具有延伸到第一主表面301中的第一凹陷部307和延伸到第二主表面302中的第二凹陷部308。
凹陷部可例如通过在图案化基底(例如，衬垫、带、模具或工具)之间涂布或挤出来提供。另选地，例如，具有成型狭槽的模具可用于在涂布或挤出过程期间形成凹陷部。另选地，例如，所述结构可在通过在图案化工具之间模制或成型所述膜来去除溶剂之前和/或之后在已发生相分离之后形成。
在一些示例性实施方案中，本文所述的(共)聚合物基质复合材料还包含增强材料或支撑结构(例如，附接到(共)聚合物基质复合材料，部分地在其中，和/或在其中)。示例性增强材料或支撑结构包括纤维、股线、非织造织物、织造材料、织物、网片和膜。
增强材料/支撑结构诸如非织造物、织造物、网片、纤维等可吸收、层合或粘附到导热(共)聚合物基质复合材料以有助于改善机械耐久性。在一些实施方案中，这些支撑结构也是导热的可能是有利的。因此，金属箔和网片尤其可用作碳纤维、玻璃纤维和/或阻燃(共)聚合物纤维(例如，取向的聚(丙烯)腈(OPAN)纤维或聚(亚苯基)硫化物(PPS)纤维)。
增强材料可例如通过热、粘接或超声层压到(共)聚合物基质复合材料上。增强材料例如可在涂布或挤出过程期间嵌入(共)聚合物基质复合材料内。增强材料例如可位于复合材料的主表面之间、一个主表面上、或两个主表面上。可使用多于一种类型的增强材料。
(共)聚合物网络结构可被描述为多孔(共)聚合物网络或多孔相分离的(共)聚合物网络。一般来讲，(如所制备的)多孔(共)聚合物网络包括互连的多孔(共)聚合物网络结构，该多孔(共)聚合物网络结构包含多个互连形态(例如，原纤、结节、节点、开孔、闭孔、叶状花边、股线、节点、球体或蜂窝结构中的至少一种)。互连的(共)聚合结构可直接粘附到颗粒的表面，并充当颗粒的粘结剂。就这一点而言，相邻颗粒(例如，颗粒或附聚物颗粒)之间的空间可包括多孔(共)聚合物网络结构，而不是固体基质材料，从而提供期望的孔隙率。
在一些实施方案中，(共)聚合物网络结构可包括三维网状结构，其包括(共)聚合原纤的互连网络。在一些实施方案中，单个原纤的平均宽度在10nm至100nm的范围内(在一些实施方案中，在100nm至500nm的范围内，或甚至在500nm至5微米的范围内)。
在一些实施方案中，导热颗粒、磁性颗粒和任选的磁性颗粒分散在(共)聚合物网络结构内，使得颗粒(例如，单个颗粒或单个附聚物颗粒)的单个单元的外表面大部分不与(共)聚合物网络结构接触或未被涂布。就这一点而言，在一些实施方案中，基于单个颗粒的外表面的总表面积，(共)聚合物网络结构在单个颗粒的外表面上的平均面积覆盖百分比(即，与(共)聚合物网络结构直接接触的外表面面积的百分比)不大于50％(在一些实施方案中，不大于40％、30％、25％、20％、10％、5％或甚至不大于1％)。虽然不想受理论的约束，但据信颗粒上大的未接触表面积涂层能够增加压缩后颗粒与颗粒的接触，并因此增加热导率。
在一些实施方案中，(共)聚合物网络结构不渗透大部分未被(共)聚合物网络结构接触或涂布的各个颗粒(例如，各个颗粒或各个附聚物颗粒)的内部孔隙度或内表面积。
虽然不希望受理论的束缚，但据认为，与常规复合材料相比，热塑性聚合物网络结构的形成赋予本公开的(共)聚合物基质复合材料(即，没有热塑性聚合物网络结构的复合材料)改善的柔性，同时实现更高质量/体积负载的软铁磁颗粒材料。令人惊讶的是，这种独特的构造使得能够在最终用途应用中实现更好的处理特性，这可能是由于热塑性聚合物网络结构的更柔性性质，同时具有作为磁性FFDM的改善的性能，这可能是由于在(共)聚合物基质复合材料内获得较高负载的软铁磁颗粒材料的能力。
为了增加本公开的(共)聚合物基质复合材料的磁性FFDM特性，希望增加(共)聚合物基质复合材料中的软铁磁颗粒材料的量。在一些实施方案中，基于(共)聚合物基质复合材料的总重量计，软铁磁颗粒材料的重量分数可在0.80和0.98之间、在0.85和0.97之间或甚至在0.90和0.96之间。在一些实施方案中，基于(共)聚合物基质复合材料的总体积，软铁磁颗粒材料的体积分数可在0.10和0.80之间、在0.20和0.80之间、在0.30和0.80之间、在0.10和0.75之间、在0.20和0.75之间、在0.30和0.75之间、在0.10和0.70之间、在0.20和0.70之间或甚至在0.30和0.70之间。
另外，为了增加本公开的(共)聚合物基质复合材料的磁FFDM特性，希望具有高密度的(共)聚合物基质复合材料。增加(共)聚合物基质复合材料的密度可以多种方式实现，包括但不限于使用更高密度的软铁磁颗粒材料；在(共)聚合物基质复合材料中使用较高重量分数的软铁磁颗粒材料；和/或使(共)聚合物基质复合材料的热塑性聚合物网络结构的一部分致密化。
本公开的(共)聚合物基质复合材料的独特结构提供使传统复合材料不可用的(共)聚合物基质复合材料致密化的替代方式，因为本公开的(共)聚合物基质复合材料的热塑性聚合物网络结构可通过施加压缩力或张力中的至少一种而塌缩，从而使(共)聚合物基质复合材料致密化。虽然可实现高密度，但是致密化过程可在产生热塑性聚合物网络结构的热塑性聚合物的塑性变形的温度下进行，这允许热塑性聚合物网络结构的一小部分保留。
该方法产生具有增强的FFDM特性的高密度材料(与非塌缩的(共)聚合物基质复合材料相比)，同时仍然保持与热塑性聚合物网络结构的柔性相关联的改善的处理特性。一般来讲，不希望在将熔融热塑性聚合物网络结构的温度下塌缩热塑性聚合物网络结构，因为这可导致热塑性聚合物网络结构的损失。在一些实施方案中，(共)聚合物基质复合材料未暴露于高于热塑性聚合物的玻璃化转变温度的温度。
在一些实施方案中，(共)聚合物基质复合材料未暴露于高于热塑性聚合物的熔融温度的温度。在一些实施方案中，当两种或更多种热塑性聚合物类型用于热塑性聚合物中时，(共)聚合物基质复合材料不暴露于高于热塑性聚合物的最高玻璃化转变温度的温度。在一些实施方案中，当两种或更多种热塑性聚合物类型用于热塑性聚合物中时，(共)聚合物基质复合材料不暴露于高于热塑性聚合物的最高熔融温度的温度。
在一些实施方案中，热塑性聚合物网络结构可塑性变形。在一些实施方案中，热塑性聚合物网络结构可通过压缩力和张力中的至少一者塑性变形。在一些实施方案中，热塑性聚合物网络结构可仅通过压缩力塑性变形。在一些实施方案中，热塑性聚合物网络结构可仅通过张力塑性变形。T
(共)聚合物基质复合材料的柔韧性可通过多种技术(诸如挠曲模量测试)或通过检查(共)聚合物基质复合材料的片材围绕具有限定半径即限定曲率半径的圆柱形物体弯曲的能力来确定。
在一些实施方案中，当(共)聚合物基质复合材料为具有在20微米至300微米之间的厚度的片材的形式时，(共)聚合物基质复合材料能够弯曲以形成10mm、5mm或甚至3mm的曲率半径。在一些实施方案中，当(共)聚合物基质复合材料为具有150微米的厚度的片材的形式时，(共)聚合物基质复合材料能够弯曲以形成10mm、5mm或甚至3mm的曲率半径。
在其中网络结构通过至少压缩力塑性变形的一些实施方案中，可在施加压缩力期间赋予振动能量。在这些实施方案中的一些实施方案中，(共)聚合物基质复合片材为具有无限(任何)长度的条带的形式，并且在条带穿过辊隙时执行施加压缩力的步骤。拉伸负载可在穿过此辊隙期间施加。
例如，辊隙可在两个辊之间形成，其中至少一个辊施加振动能量；在辊和条之间，其中至少一个施加振动能量；或在两个条之间，其中至少一个条施加振动能量。压缩力和振动能量的施加可以连续的辊对辊方式或以步进和重复的方式来实现。
在某些实施方案中，在定位在例如板和台板之间的具有有限长度的离散片材上执行施加压缩力步骤，板和台板中的至少一者施加振动能量。
在一些实施方案中，振动能量在超声范围(例如20kHz)内，但其他范围被认为是合适的。当在施加压缩力期间采用振动能量时，可实现大于52体积％的颗粒分数，同时仍获得优异的磁性。可获得具有不大于240A/m、或甚至200A/m的磁性矫顽力的(共)聚合物基质复合片材。
当(共)聚合物基质复合材料为具有第一主表面的片材形式时，并且当软铁磁磁性颗粒具有基于长度尺寸/厚度尺寸的大于一的至少一种纵横比(相对于形状为各向异性颗粒，例如，薄片)时，热塑性聚合物网络结构的变形(例如，塑性变形)可使软铁磁磁性颗粒的长度尺寸相对于(共)聚合物基质复合材料的第一主表面取向。
使各向异性软铁磁磁性颗粒的长度尺寸相对于(共)聚合物基质复合片材的第一主表面对齐或取向可改善(共)聚合物基质复合材料的FFDM特性。在一些实施方案中，(共)聚合物基质复合材料为具有第一主表面的片材的形式，并且软铁磁颗粒材料为软铁磁颗粒薄片材料，每个薄片具有第一主表面和垂直于薄片的第一主表面的厚度，其中薄片的第一主表面的大部分被定向为在(共)聚合物基质复合片材的相邻的第一主表面的至少25度内。
所谓“多数”是指薄片的第一主表面的至少50％的薄片被定向成在(共)聚合物基质复合片材的相邻的第一主表面的至少25度内。在一些实施方案中，薄片的第一主表面的至少30％、至少50％、至少70％、至少80％、至少90％、至少95％、至少98％或甚至100％被定向为在(共)聚合物基质复合片材的相邻的第一主表面的至少25度、至少20度、至少15度或甚至至少10度内。
在一些实施方案中，(共)聚合物基质复合材料为具有第一主表面和在20微米和5000微米之间的厚度的片材的形式，并且软铁磁颗粒材料为软铁磁颗粒薄片材料，每个薄片具有第一主表面和垂直于薄片的第一主表面的厚度，其中薄片的第一主表面的大部分被定向成在(共)聚合物基质复合片材的相邻的第一主表面的至少25度内。
(共)聚合物基质复合材料的密度可根据所用的软铁磁颗粒材料的密度和量、热塑性聚合物的密度和热塑性聚合物网络结构的孔隙率而变化。一般来讲，密度越高，(共)聚合物基质复合材料的磁特性(例如，FFDM特性)就越大。
在一些实施方案中，(共)聚合物基质复合材料的密度在1.5克/厘米3和6g/cm3之间、在1.5g/cm3和5.5g/cm3之间、在1.5g/cm3和3.0g/cm3之间、在1.5g/cm3和2.5g/cm3之间、在3.0g/cm3和6.0g/cm3之间、在3.0g/cm3和5.5g/cm3之间、在3.0g/cm3和5.0g/cm3之间、在3.5g/cm3和6.0g/cm3之间、在3.5g/cm3和5.5g/cm3之间或甚至在3.5g/cm3和5.0g/cm3之间。
在一些实施方案中，本文所述的(共)聚合物基质复合材料具有至少5％(在一些实施方案中，在10％至80％、20％至70％或甚至30％至60％范围内)的孔隙率。
在一些实施方案中，本文所述的(共)聚合物基质复合材料具有小于80％(在一些实施方案中，在0％至80％、0％至70％、0％至60％、10％至80％、10％至70％、10％至60％、10％至50％、10％至40％、10％至30％或甚至5％至20％范围内)的孔隙率。
在一些实施方案中，本文所述的(共)聚合物基质复合材料呈厚度在50微米至11000微米范围内的层的形式，其中厚度不包括从层的基部延伸的任何突出部的高度。
(共)聚合物基质复合材料的厚度(例如(共)聚合物基质复合片材的厚度)不受特别限制。然而，对于许多应用，例如移动/手持式电子装置，期望(共)聚合物基质复合材料的该厚度(例如(共)聚合物基质复合片材的厚度)低于5000微米、低于3000微米或甚至低于1000微米并且高于20微米、40微米或甚至超过60微米。
在一些实施方案中，(共)聚合物基质复合材料的厚度(例如(共)聚合物基质复合片材的厚度)在20微米和5000微米之间、在20微米和3000微米之间、在20微米和1000微米之间、在20微米和500微米之间、在20微米和300微米之间、在40微米和5000微米之间、在40微米和3000微米之间、在40微米和1000微米之间、在40微米和500微米之间、在40微米和300微米之间、在60微米和5000微米之间、在60微米和3000微米之间、在60微米和1000微米之间、在60微米和500微米之间或甚至在60微米和300微米之间。
在一些示例性实施方案中，导热颗粒和磁性颗粒存在于由(共)聚合物基质复合材料构成的单层中。在某些此类实施方案中，导热颗粒和磁性颗粒可基本上均匀地分布在层内。
在其他示例性实施方案中，导热颗粒存在于由(共)聚合物基质复合材料构成的第一层中，并且磁性颗粒存在于邻近第一层的第二层中。任选地，第二层邻接第一层。
在附加示例性实施方案中，导热颗粒存在于由具有相对的第一主表面和第二主表面的(共)聚合物基质复合材料构成的第一层中，并且磁性颗粒存在于覆盖并邻近第一层的第一主表面的第二层以及覆盖并邻近第一层的第二主表面的第三层中。任选地，第二层邻接第一主表面，并且第三层邻接第二主表面。
在另外的示例性实施方案中，磁性颗粒存在于由具有相对的第一主表面和第二主表面的(共)聚合物基质复合材料构成的第一层中，并且导热颗粒存在于覆盖并邻近第一层的第一主表面的第二层以及覆盖并邻近第一层的第二主表面的第三层中。任选地，第二层邻接第一主表面，并且第三层邻接第二主表面。
应当理解，包括导热颗粒和磁性颗粒中的一者或两者的多个层的各种顺序和布置在本公开的范围内。
(共)聚合物基质复合材料的影响(共)聚合物基质复合材料的磁特性的方面包括但不限于用于(共)聚合物基质复合材料中的软铁磁颗粒材料的类型和量、颗粒形状(例如，薄片)和颗粒的取向(如果其形状为各向异性的)。软铁磁颗粒薄片材料的薄片的第一主表面相对于(共)聚合物基质复合片材的第一主表面的取向可导致(共)聚合物基质复合片材的磁特性增强。
所谓关于磁特性的“取向”是指薄片的第一主表面与复合片材的第一主表面对齐。如果薄片的第一主表面平行于(共)聚合物基质复合片材的第一主表面(即，薄片的第一主表面与(共)聚合物基质复合材料的第一主表面之间的角度将为零度)，则将是完美对齐(即，完美取向)。
在一些实施方案中，(共)聚合物基质复合材料具有在600mT至1000mT之间、在600mT和900mT之间、在700mT和100mT之间或甚至在700mT和900mT之间的磁饱和感应。
在电磁学中，材料在其自身内支持磁场的形成的能力称为磁导率μ，并且表示材料可响应于所施加的磁场而被磁化的程度。相对磁导率是材料的磁导率μ与自由空间(即真空)的磁导率μm的比率。自由空间的磁导率μo可被定义为1.257×10-6H/m。
在一些实施方案中，在1MHz的频率下，本公开的(共)聚合物基质复合材料的相对磁导率μ/μo的量值可大于70、大于150或甚至大于500。在一些实施方案中，在50MHz至1000MHz的频率下的相对磁导率的量值大于70、大于150或甚至大于500。在一些实施方案中，在50MHz至300MHz的频率下的相对磁导率的量值大于70、大于150或甚至大于500。
制备(共)聚合物基质复合材料的独特方法(其包括包含软铁磁颗粒材料的热塑性聚合物-溶剂混合物的诱导相分离)允许在(共)聚合物基质复合材料内的非常高负载的软铁磁颗粒材料(高至约80体积％)和低聚合物含量(低至约4重量％)，这是由于在制造过程期间形成的热塑性聚合物网络结构。因此，可使用大约100微米厚的(共)聚合物基质复合材料的膜来实现高饱和磁通量密度(例如，0.67T)，这将使这些(共)聚合物基质复合材料能够改善电子装置的高功率、无线充电能力。包含热塑性聚合物网络结构的复合材料的独特结构还能够改善本公开的(共)聚合物基质复合材料的柔性和成型特性。
热塑性聚合物网络结构本质上是多孔的，并且可具有连续的多孔网络结构。在一些实施方案中，热塑性聚合物网络结构的至少一部分为连续的热塑性聚合物网络结构。在一些实施方案中，按体积计，至少10％、至少30％、至少50％、至少70％、至少90％、至少95％或甚至整个热塑性聚合物网络结构是连续的热塑性聚合物网络结构。
应当指出的是，与分布在热塑性聚合物网络结构内的软铁磁颗粒材料相关联的(共)聚合物基质复合材料的体积的部分不被认为是热塑性聚合物网络结构的一部分。在一些实施方案中，软铁磁颗粒材料均匀地分布在热塑性聚合物网络结构内。在一些实施方案中，当软铁磁颗粒材料为各向异性的软铁磁颗粒材料时，各向异性的软铁磁颗粒材料可随机分布在热塑性聚合物网络结构内。所谓“随机”是指颗粒材料相对于其各向异性没有取向。在一些实施方案中，当软铁磁颗粒材料为各向异性的软铁磁颗粒材料时，各向异性的软铁磁颗粒材料可均匀且随机分布在热塑性聚合物网络结构内。
在一些实施方案中，各向异性的软铁磁颗粒材料可被分布成使得各向异性的软铁磁颗粒材料在热塑性聚合物网络结构内取向。在其他实施方案中，各向异性的软铁磁颗粒材料可均匀分布成使得各向异性的软铁磁颗粒材料在热塑性聚合物网络结构内取向。
(共)聚合物
在一些实施方案中，(共)聚合物网络结构可包括至少一种热塑性(共)聚合物，或者基本上由其组成或由其组成。示例性热塑性(共)聚合物包括以下中的至少一种：聚氨酯、聚酯(例如聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯和聚乳酸)、聚酰胺(例如尼龙6、尼龙6,6、尼龙12和多肽)、聚醚(例如聚环氧乙烷和聚环氧丙烷)、聚碳酸酯(例如双酚A聚碳酸酯)、聚酰亚胺、聚砜、聚醚砜、聚苯醚、聚丙烯酸酯(例如由包含丙烯酸酯官能团的一种或多种单体的加成(共)聚合形成的热塑性(共)聚合物)、聚(甲基)丙烯酸酯(例如由包含(甲基)丙烯酸酯官能团的一种或多种单体的加成(共)聚合形成的热塑性(共)聚合物)、聚烯烃(例如聚乙烯和聚丙烯)、苯乙烯以及苯乙烯基无规和嵌段共聚物、氯化(共)聚合物(例如聚氯乙烯)、含氟(共)聚合物(例如聚偏二氟乙烯；四氟乙烯、六氟丙烯和偏二氟乙烯的(共)聚合物；乙烯、四氟乙烯的(共)聚合物；六氟丙烯；以及聚四氟乙烯)，乙烯和氯三氟乙烯的(共)聚合物，以及它们的组合物。
在一些实施方案中，热塑性(共)聚合物包括均聚物或共聚物(例如嵌段共聚物或无规共聚物)。
在一些实施方案中，热塑性(共)聚合物为单一热塑性(共)聚合物(即它不是至少两种热塑性(共)聚合物类型的混合物)。在一些实施方案中，热塑性(共)聚合物基本上由聚乙烯(例如超高分子量聚乙烯)组成，或由其组成。
在一些实施方案中，多孔(共)聚合物网络结构包含以下中的至少一种：聚丙烯腈、聚氨酯、聚酯、聚酰胺、聚醚、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚砜、聚苯醚、聚丙烯酸酯、聚(甲基)丙烯酸酯、聚烯烃、苯乙烯或苯乙烯基无规和嵌段(共)聚合物、氯化(共)聚合物、氟化(共)聚合物、或乙烯和氯三氟乙烯的(共)聚合物。
在一些实施方案中，热塑性(共)聚合物包括至少两种热塑性(共)聚合物类型的混合物(例如聚乙烯和聚丙烯的混合物或聚乙烯和聚丙烯酸酯的混合物)。在一些实施方案中，(共)聚合物可为聚乙烯(例如超高分子量聚乙烯)、聚丙烯(例如超高分子量聚丙烯)、聚乳酸、聚(乙烯共氯三氟乙烯)和聚偏二氟乙烯中的至少一种。
在另外的示例性实施方案中，多孔(共)聚合物网络结构有利地包含交联聚硅氧烷(共)聚合物(例如交联的聚(甲基)丙烯酰硅氧烷共聚物)。在某些此类示例性实施方案中，交联聚硅氧烷(共)聚合物可有利地用于提供对所掺入的吸热颗粒表现出低活化温度(例如，在低于150℃、低于140℃、低于130℃、低于120℃、低于110℃或甚至低于10℃的温度下活化)的(共)聚合物网络结构。
在一些实施方案中，多孔(共)聚合物网络结构包含数均分子量在5×104g/mol至1×107g/mol范围内的(共)聚合物(在一些实施方案中，数均分子量在1×106g/mol至8×106g/mol、2×106g/mol至6×106g/mol，或甚至3×106g/mol至5×106g/mol的范围内)。出于本公开的目的，数均分子量可通过本领域的已知技术测量(例如凝胶渗透色谱法(GPC))。GPC可在用于热塑性(共)聚合物的合适溶剂中进行，连同使用窄分子量分布(共)聚合物标准(例如窄分子量分布聚苯乙烯标准)。
热塑性(共)聚合物通常表征为部分结晶的，表现出熔点。在一些实施方案中，热塑性(共)聚合物的熔点可以在120℃至350℃的范围内(在一些实施方案中，在120℃至300℃、120℃至250℃或甚至120℃至200℃的范围内)。热塑性(共)聚合物的熔点可通过本领域已知的技术测量(例如用5mg至10mg样品在10℃/min的加热扫描速率下的差示扫描量热法(DSC)测试中测量的设定温度，同时样品在氮气气氛下)。
在一些实施方案中，(共)聚合物网络结构是连续的网络结构(即(共)聚合物相包括作为具有连续空隙或在空隙之间形成互连并延伸贯穿整个结构的孔的开孔的结构)。在一些实施方案中，按体积计至少2％(在一些实施方案中，至少5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、95％或甚至100％)的(共)聚合物网络结构可以是连续的(共)聚合物网络结构。应当指出的是，出于本公开的目的，由颗粒构成的(共)聚合物基质复合材料的体积部分不被认为是(共)聚合物网络结构的一部分。在一些实施方案中，(共)聚合物网络在两个颗粒之间延伸，从而形成互连颗粒的网络。
在一些实施方案中，用于制备本文所述的(共)聚合物基质复合材料的热塑性(共)聚合物是粒度小于1000微米(在一些实施方案中，在1微米至10微米、10微米至30微米、30微米至100微米、100微米至200微米、200微米至500微米、500微米至1000微米范围内)的颗粒。
溶剂
通常选择溶剂使得其能够溶解(共)聚合物并形成可混溶的(共)聚合物-溶剂溶液。将溶液加热至升高的温度可有利于(共)聚合物的溶解。在一些实施方案中，在20℃至350℃范围内的至少一个温度处进行(共)聚合物与溶剂的组合。可以在(共)聚合物溶解之前，(共)聚合物溶解之后或之间的任何时间以任何或所有组合添加导热颗粒和/或磁性颗粒。
在一些实施方案中，溶剂为至少两种单独溶剂的共混物。在一些实施方案中，当(共)聚合物为聚烯烃(例如聚乙烯或聚丙烯中的至少一种)时，溶剂可以是以下中的至少一种：矿物油、石蜡油/蜡、莰烯、橙油、植物油、蓖麻油或棕榈仁油。在一些实施方案中，当(共)聚合物为聚偏二氟乙烯时，溶剂为碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯或1,2,3三乙酰氧基丙烷中的至少一种。
在一些实施方案中，溶剂可通过例如蒸发去除，高蒸气压溶剂尤其适于这种去除方法。然而，如果第一溶剂具有低蒸气压，则可使用具有高蒸气压的第二溶剂萃取第一溶剂，随后蒸发第二溶剂。例如，在一些实施方案中，当矿物油用作第一溶剂时，处于升高的温度(例如，约60℃)的异丙醇或甲基九氟丁基醚(C4F9OCH3)、乙基九氟丁基醚(C4F9OC2H5)和反式-1,2-二氯乙烯(可以商品名“NOVEC 72DE”购自明尼苏达州圣保罗市的3M公司(3MCompany,St.Paul,MN))的共混物可用作萃取第一溶剂的第二溶剂，随后蒸发第二溶剂。
在一些实施方案中，当将植物油或棕榈仁油中的至少一种用作第一溶剂时，处于升高的温度(例如约60℃)下的异丙醇可用作第二溶剂。在一些实施方案中，当碳酸亚乙酯用作第一溶剂时，水可用作第二溶剂。
在一些实施方案中，可以将少量其他添加剂添加到(共)聚合物基质复合材料中以赋予附加功能或充当加工助剂。这些包括粘度调节剂(例如热解法二氧化硅、嵌段(共)聚合物和蜡)、增塑剂、热稳定剂(例如，诸如例如以商品名“Irganox 1010”购自德国路德维希港巴斯夫公司(BASF,Ludwigshafen,Germany))、抗微生物剂(例如，银和季铵)、阻燃剂、抗氧化剂、染料、颜料和紫外线(UV)稳定剂。
颗粒
基于(共)聚合物基质复合材料(不包括任何任选溶剂)的总重量计，导热颗粒和磁性颗粒通常在15重量％至99重量％(在一些实施方案中，25重量％至98重量％、50重量％至98重量％、75重量％至98重量％、或甚至93重量％至97重量％)的范围内存在。
导热颗粒
示例性导热颗粒包括导电碳、金属、半导体和陶瓷。
在一些实施方案中，导热颗粒包含非导电颗粒(例如，包含氮化硼、三水合铝、碳化硅和金属氧化物(例如，氧化铝和氧化铁)、氧化镁、氧化锌等的陶瓷颗粒)。
在一些实施方案中，导热颗粒包括导电颗粒(例如，碳颗粒，诸如炭黑、石墨或石墨烯；以及包含选自铝、铜、镍、铂、银和金的至少一种金属的金属颗粒)。
示例性导热颗粒包括金属、半导体和陶瓷。示例性导热颗粒包含以下中的至少一种：铝、铜、银、石墨、金刚石、SiC、Si3N4、AlN、BeO、MgO、Al2O3、氢氧化铝、羟基氧化铝、六方氮化硼(h-BN)、立方氮化硼(c-BN)、ZnO、天然硅铝酸盐、或合成硅铝酸盐。
导热颗粒的示例性尺寸在数百纳米至数百微米尺寸的范围内。导热颗粒的示例性形状包括不规则、板状、针状、四足状、球形形状，以及附聚形式。附聚物的尺寸可在例如几微米至最多并且包括几毫米的范围内。可将颗粒混合以具有多峰尺寸分布，其可例如允许最佳堆积密度。
在一些实施方案中，导电颗粒包括选自以下的两种或更多种颗粒类型的混合物：炭黑、石墨、石墨烯、铝、铜、银、石墨、金刚石、SiC、Si3N4、AlN、BeO、MgO、Al2O3、氢氧化铝、羟基氧化铝、六方氮化硼(h-BN)、立方氮化硼(c-BN)、ZnO、天然硅铝酸盐或合成硅铝酸盐。
在一些实施方案中，导热颗粒具有在100nm至2mm的范围内(在一些实施方案中，在200nm至1000nm范围内)的平均粒度(最长尺寸的平均长度)。
在一些实施方案中，导热颗粒具有双峰分布或三峰分布。颗粒的多峰分布可允许更高的堆积效率，改善的颗粒与颗粒接触，并且从而改善热导率。
磁性颗粒
本公开的(共)聚合物基质复合材料包括磁性硬磁颗粒材料和磁性软磁颗粒材料两者。磁性硬材料通常可用于永磁体应用。合适的磁性硬质材料包括基于金属的合金，诸如：Fe-Cr-Co、Nd-Fe-B、Sm-Co、Sm-Fe-N、Al-Ni-Co、Cu-Ni-Fe、Cu-Ni-Fe-Co、具有铁素体或马氏体晶体结构的钢，以及铁氧体诸如：钡铁氧体和锶铁氧体。
磁性软材料通常可用于磁隔离、通量导向应用。合适的磁性软材料包括基于金属的合金，诸如Fe基无定形氮化物、Fe基纳米晶氮化物、Fe基纳米晶氮化物、Fe-Al-Si、Fe-Cr、Fe-Si、Fe-Si-B、Fe-Si-Cr、Fe-Co-B、Ni-Fe、Ni-Fe-Mo、Ni-Si、Co-Nb-Zr、基于硼的无定形合金，以及软铁氧体诸如：氧化铁(磁铁矿)、Ni-Zn和Mn-Zn合金。
描述铁磁颗粒材料的术语“软”在本领域中具有其传统含义，并且涉及非磁性材料在被放置在磁场(例如，弱磁场)内时变成磁性的能力。当移除磁场时，软铁磁颗粒材料的感应磁性将基本上消失，即材料在施加的磁场中表现出可逆磁性。
在一些实施方案中，软磁颗粒材料的矫顽力在1A/m至1000A/m之间、在10A/m至1000A/m之间或甚至在30A/m至1000A/m之间。在一些实施方案中，软磁颗粒材料的矫顽力小于或等于1000A/m。软铁磁材料可具有窄的滞回线，即低的矫顽场值Hc、高磁饱和电感、高磁导率，并且对于高频应用，理想地具有低电导率以最小化涡流功率损失。
在一些实施方案中，软铁磁颗粒材料可包括铁中的至少一种，包括但不限于Fe-Cr合金、Fe-Si合金(包括但不限于Fe-Si-Al(其可以商品名SENDUST购自从中国天津的天津生态技术贸易有限公司(Tianjin Ecotech Trade Co.,Ltd.,Tianjin,China))和Fe-Si-Cr)、FeCoB、Fe基无定形合金、纳米晶Fe基氧化物和纳米晶Fe基氮化物；镍基合金，包括但不限于Ni-Fe合金和Ni-Si合金；CoNbZr；以及硼基无定形合金。
软铁磁颗粒材料的形状没有具体限制，然而，薄片形状的颗粒可能是尤其有益的。薄片可被认为是不规则形状的板状结构，其具有第一主表面和第二主表面和基本上垂直于第一主表面和第二主表面中的至少一者的厚度。在一些实施方案中，软铁磁颗粒材料为软铁磁颗粒薄片材料，每个薄片具有第一主表面和垂直于薄片的第一主表面的最大厚度T。
软铁磁颗粒薄片材料的薄片可通过中值直径D50(其涉及长度尺寸L)和最大厚度T来表征。在一些实施方案中，软铁磁颗粒材料可为各向异性的软铁磁颗粒材料。各向异性的软铁磁颗粒的纵横比可被定义为如例如粒径分析确定的中值直径D50除以如例如图像分析确定的各向异性颗粒的最大厚度。
对于一组特定的软铁磁颗粒材料，最大厚度的值可被视为中值Tm。比率D50/Tm为中值纵横比。在一些实施方案中，中值纵横比D50/Tm在5/1至1000/1之间、在10/1至1000/1之间、在20/1至1000/1之间、在5/1和至500/1之间、在10/1至500/1之间、在20/1至500/1之间、在5/1至200/1之间、在10/1至200/1之间或甚至在20/1至200/1之间。
在一些实施方案中，如在(共)聚合物基质复合材料的横截面图像中观察和测量的薄片的图像长度Li可被视为薄片的长度，并且薄片的图像厚度Ti可被视为如在(共)聚合物基质复合材料的横截面图像中观察和测量的薄片的最大厚度。图像可为光学显微图像或SEM，例如。对于一组特定的软铁磁颗粒薄片材料，可以使用标准的统计分析方法，将Li和Ti的值视为薄片的子集的平均值Lia(平均图像长度)和Tia(平均图像厚度)。在一些实施方案中，Lia/Tia在5/1和1000/1之间、在10/1和1000/1之间、在20/1和1000/1之间、在5/1和500/1之间、在10/1和500/1之间、在20/1和500/1之间、在5/1和200/1之间、在10/1和200/1之间或甚至在20/1和200/1之间。
在一些实施方案中，D50在5微米至5000微米之间、在5微米至1000微米之间、在5微米至500微米之间、在5微米至200微米之间、在10微米至5000微米之间、在10微米至1000微米之间、在10微米至500微米之间、在10微米至200微米之间、在25微米至5000微米之间、在25微米至1000微米之间、在25微米至500微米之间或甚至在25微米至200微米之间。
在一些实施方案中，软铁磁颗粒薄片材料的薄片具有中值直径D50，并且热塑性聚合物网络结构具有平均孔径P，并且D50>2P。在一些实施方案中，D50在25微米至5000微米之间，P在50纳米至25微米之间，并且D50>2P。在一些实施方案中，D50在10微米至5000微米之间，P在50纳米至25微米之间，并且D50>2P。在一些实施方案中，D50在25微米至5000微米之间，P在50纳米至25微米之间，并且D50>4P。在一些实施方案中，D50在10微米至5000微米之间，P在50纳米至25微米之间，并且D50>4P。在一些实施方案中，D50在25微米至5000微米之间，P在50纳米至25微米之间，并且D50>6P。在一些实施方案中，D50在10微米至5000微米之间，P在50纳米至25微米之间，并且D50>6P。
制备(共)聚合物基质复合材料的方法
可使用各种方法来制备本公开的(共)聚合物基质复合材料。在一些实施方案中，多孔(共)聚合物网络结构通过可混溶的热塑性(共)聚合物-溶剂溶液的诱导相分离来制备。在一些实施方案中，诱导相分离为热诱导相分离或溶剂诱导相分离中的至少一者。
第一方法
在另一方面，本公开描述了制备本文所述的(共)聚合物基质复合材料的第一方法，所述方法包括：
将热塑性(共)聚合物、溶剂、多个导热颗粒和多个磁性颗粒组合(例如，混合或共混)以提供浆液；
使所述浆液成形为制品(例如，层)；
在环境中加热所述制品以在所述制品中保留基于所述制品中的所述溶剂的重量计至少90重量％(在一些实施方案中，至少91重量％、92重量％、93重量％、94重量％、95重量％、96重量％、97重量％、98重量％、99重量％或甚至至少99.5重量％)的所述溶剂，并且溶解基于所述热塑性(共)聚合物的总重量计至少50％(在一些实施方案中，至少55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、96％、97％、98％、99％或甚至100％)的所述热塑性(共)聚合物；以及
诱导所述热塑性(共)聚合物与所述溶剂相分离以提供所述(共)聚合物基质复合材料。
在第一方法中，在(共)聚合物变得可与溶剂混溶之前形成期望制品，并且相分离是热诱导相分离(TIPS)方法。
在TIPS方法中，使用升高的温度使非溶剂变成(共)聚合物的溶剂，然后降低温度，使溶剂返回到用于(共)聚合物的非溶剂中。有效地，当去除足够的热时，热溶剂变成孔形成剂，并且失去溶剂化能力。用于热相分离方法中的溶剂可以是挥发性或非挥发性的。
出乎意料的是，在制备(共)聚合物基质复合材料的第一方法中，相对高的颗粒载量允许制备可成型为层的浆液，该浆液在加热溶剂以保持与(共)聚合物可混溶时保持其形式。所用的溶剂通常是挥发性的，并且随后蒸发。
通常，基于颗粒和粘结剂的体积，可在传统颗粒填充的复合材料(致密(共)聚合物膜、粘合剂等)中实现的最大颗粒负载不超过约40体积％至60体积％。将超过60体积％的颗粒掺入传统的颗粒填充的复合材料中通常是不可实现的，因为此类高颗粒负载的材料不能经由涂布或挤出方法来加工并且/或者所得复合材料变得非常易碎。
传统的复合材料通常还用粘结剂完全包封颗粒，从而防止进入颗粒表面并且最小化潜在的颗粒与颗粒接触。令人惊奇的是，用本文所述的方法获得的高含量的溶剂和相分离形态使得能够以相对较低量的高分子量粘结剂实现相对较高的颗粒负载。多通孔的相分离形态还允许样品在相对较低至相对较高的颗粒浓度下是可透气的。高颗粒负载也有助于最小化可在相分离期间形成的薄无孔(共)聚合物层的形成。此外，本文所述的(共)聚合物基质复合材料是相对柔性的，并且倾向于不脱落颗粒。虽然不想受到理论的限制，但据信本文所述的(共)聚合物基质复合材料的实施方案的另一个优点在于，颗粒不用粘结剂完全涂布，从而能够实现高度的颗粒表面接触，而不会由于粘结剂的多孔性质而掩蔽。应当指出的是，层的压缩可显著增强颗粒与颗粒接触。即使在升高的温度(例如，135℃)下，高分子量粘结剂也不易于在不存在溶剂的情况下流动。
在使用TIPS工艺来制备(共)聚合物基质复合材料的第一方法中，所用的溶剂通常为非挥发性的，但在一些示例性实施方案中，有利地选择溶剂为挥发性溶剂或可包含至少一种非挥发性溶剂和至少一种挥发性溶剂的混合物。
如果颗粒致密，则通常将浆液连续混合或共混，以防止或减少(共)聚合物和/或颗粒与溶剂的沉降或分离。在一些实施方案中，使用本领域已知的技术对浆液脱气以去除残留的空气。
可使用本领域已知的技术将浆液形成为制品，所述技术包括刮涂、辊涂(例如通过限定的辊隙进行辊涂)以及通过具有合适尺寸或轮廓的任何数量的不同模具进行涂布。
在第一方法的一些实施方案中，组合在低于(共)聚合物的熔点且低于溶剂的沸点的至少一个温度处进行。
在第一方法的一些实施方案中，加热在高于可混溶的热塑性(共)聚合物-溶剂溶液的熔点并且在低于溶剂的沸点的至少一个温度处进行。
在第一方法的一些实施方案中，诱导相分离在低于浆液中的(共)聚合物的熔点的温度处进行。虽然不想受到束缚，但据信在一些实施方案中，用于制备与(共)聚合物的可混溶共混物的溶剂可导致(共)聚合物中的熔点降低。本文所述的熔点包括低于(共)聚合物溶剂体系的任何熔点降低。
在第一方法的一些实施方案中，溶剂是至少两种单独溶剂的共混物。在一些实施方案中，当(共)聚合物为聚烯烃(例如聚乙烯或聚丙烯中的至少一种)时，溶剂可以是以下各项中的至少一种：矿物油、四氢化萘、十氢化萘、1,2-邻二氯苯、环己烷-甲苯混合物、十二烷、石蜡油/蜡、煤油、对二甲苯/环己烷混合物(1/1wt./wt.)、莰烯、1,2,4三氯苯、辛烷、橙油、植物油、蓖麻油或棕榈仁油。在一些实施方案中，当(共)聚合物为聚偏二氟乙烯时，溶剂为碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯或1,2,3三乙酰氧基丙烷中的至少一种。
在第一方法的一些实施方案中，可在相分离期间形成(共)聚合物网络结构。在一些实施方案中，可通过可混溶的热塑性(共)聚合物-溶剂溶液的诱导相分离来提供(共)聚合物网络结构。在一些实施方案中，(例如，经由淬火至比加热期间使用的温度低的温度的热诱导相分离(TIPS))热诱导相分离。可以例如在空气、液体中或在固体界面上提供冷却，并且冷却可变化以控制相分离。(共)聚合物网络结构可以固有地是多孔的(即，具有孔)。孔结构可以是开放的，使得能够从(共)聚合物网络结构的内部区域到(共)聚合物网络结构的外表面和/或在(共)聚合物网络结构的第一表面和(共)聚合物网络结构的对置的第二表面之间进行流体连通。
在本文所述方法的一些实施方案中，溶剂与(共)聚合物的重量比为至少9:1。在一些实施方案中，颗粒与(共)聚合物的体积比为至少9:1。在一些实施方案中，为了便于制造，可期望在室温下形成层。通常，在使用相分离形成层的过程中，相对较小的孔在溶剂萃取过程中尤其容易塌缩。通过本文所述的方法可实现的相对高的颗粒与(共)聚合物载量可减少孔塌缩并产生更均匀的无缺陷(共)聚合物基质复合材料。
在一些实施方案中，第一方法还包括在诱导热塑性(共)聚合物与溶剂相分离之后，从成形制品中去除溶剂的至少一部分(在一些实施方案中，基于成形制品中的溶剂的重量计，去除至少5重量％、10重量％、15重量％、20重量％、25重量％、30重量％、35重量％、40重量％、45重量％、50重量％、55重量％、60重量％、65重量％、70重量％、75重量％、80重量％、85重量％、90重量％、95重量％、96重量％、97重量％、98重量％、99重量％、99.5重量％或甚至100重量％的溶剂)。
在第一方法的一些实施方案中，基于成形制品中溶剂的重量，去除至少90重量％的溶剂，其中在基于成形制品中溶剂的重量去除至少90重量％的溶剂之前，成形制品具有第一体积，其中在基于成形制品中溶剂的重量去除至少90重量％的溶剂之后，成形制品具有第二体积，并且其中第一体积和第二体积之间的差(即(第一体积减去第二体积)除以第一体积乘以100)小于10％(在一些实施方案中，小于9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.75％、0.5％，或甚至小于0.3％)。
挥发性溶剂可例如通过使溶剂从(共)聚合物基质复合材料的至少一个主表面蒸发而从(共)聚合物基质复合材料中去除。可以例如通过添加热、真空或气流中的至少一种来辅助蒸发。易燃溶剂的蒸发可在溶剂级烘箱中实现。然而，如果第一溶剂具有低蒸气压，则可使用具有高蒸气压的第二溶剂萃取第一溶剂，随后蒸发第二溶剂。例如，在一些实施方案中，当矿物油用作第一溶剂时，处于升高的温度(例如，约60℃)的异丙醇或甲基九氟丁基醚(C4F9OCH3)、乙基九氟丁基醚(C4F9OC2H5)和反式-1,2-二氯乙烯(可以商品名“NOVEC72DE”购自明尼苏达州圣保罗市的3M公司)的共混物可用作萃取第一溶剂的第二溶剂，随后蒸发第二溶剂。在一些实施方案中，当将植物油或棕榈仁油中的至少一种用作第一溶剂时，处于升高的温度(例如约60℃)下的异丙醇可用作第二溶剂。在一些实施方案中，当碳酸亚乙酯用作第一溶剂时，水可用作第二溶剂。
在第一方法的一些实施方案中，制品具有第一主表面和第二主表面，其中端部垂直于第一主表面和第二主表面，并且在去除溶剂期间，端部不受约束(即，在萃取期间不需要约束)。例如，这可以通过在烘箱中不受约束地干燥层的一部分来完成。连续干燥可以例如通过将支撑在带上的层的大部分在输送通过烤箱时干燥来实现。另选地，例如为便于去除非挥发性溶剂，可以将层的大部分连续地输送通过相容性挥发性溶剂浴，从而交换溶剂，并随后对该层进行干燥而不受限制。然而，在溶剂交换期间，并非所有的非挥发性溶剂都需要从层中去除。少量的非挥发性溶剂可保留并充当(共)聚合物的增塑剂。
在第一方法的一些实施方案中，去除溶剂后的成形的相分离制品具有至少5％(在一些实施方案中，至少10％、20％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％或甚至至少90％；在一些实施方案中，在25％至90％范围内)的孔隙率。该孔隙率是由(共)聚合物与溶剂的相分离引起的，所述相分离最初不留下未填充的空隙，因为(共)聚合物基质复合材料中的孔填充有溶剂。在完全或部分去除溶剂之后，使(共)聚合物基质复合材料中的空隙空间暴露。颗粒与颗粒的交互作用可以使多孔(共)聚合物基质复合材料因溶剂干燥过程中毛细管诱导的负压而导致的塌缩或变形最小化。
在第一方法的一些实施方案中，未从成形制品中去除溶剂(即使在诱导热塑性(共)聚合物与溶剂相分离之后)。这可例如通过使用非挥发性溶剂(例如矿物油或蜡)而不是完成萃取/蒸发步骤来实现。
第二方法
在另一方面，本公开描述了制备本文所述的(共)聚合物基质复合材料的第二方法，所述方法包括：
将热塑性(共)聚合物、用于热塑性(共)聚合物的溶剂、多个导热颗粒和多个磁性颗粒组合(例如，混合或共混)以在可混溶的热塑性(共)聚合物-溶剂溶液中形成磁性颗粒的悬浮液；
诱导所述热塑性(共)聚合物与所述溶剂相分离；以及
去除所述溶剂的至少一部分以提供所述(共)聚合物基质复合材料。
在第二方法中，(共)聚合物可在形成期望制品之前与溶剂混溶。在第二方法中，通过使用湿法或干法的溶剂诱导相分离(SIPS)或热诱导相分离方法实现相分离。
在SIPS湿法中，将溶解(共)聚合物的溶剂与非溶剂交换以诱导相分离。所述体系中的新的交换溶剂成为(共)聚合物的孔形成剂。在SIPS干法中，蒸发溶解(共)聚合物的溶剂以诱导相分离。在干法中，还通过溶解(共)聚合物的溶剂将非溶剂溶解在溶液中。随着增溶溶剂的蒸发，该(共)聚合物的非溶剂成为(共)聚合物的成孔剂。由于不使用附加的交换液体，因此该方法被视为“干法”。非溶剂通常也是挥发性的，但是沸点比溶剂低至少30℃。
在通过湿法或干法SIPS方法制备(共)聚合物基质复合材料的第二方法中，溶剂对于湿法通常是非挥发性的，而对于干法是挥发性的。然而，在湿式或干式SIPS方法的一些示例性实施方案中，溶剂可有利地包含至少一种非挥发性溶剂和至少一种挥发性溶剂的混合物。
在一些实施方案中，第二方法还包括在相分离之前将导热颗粒和/或磁性颗粒和任选的磁性颗粒添加到可混溶的(共)聚合物-溶剂溶液中。(共)聚合物网络结构可在该过程的相分离期间形成。在一些实施方案中，聚合物网络结构经由可混溶的热塑性聚合物-溶剂溶液的诱导相分离来制备。在一些实施方案中，热诱导(例如通过淬火至较低温度的热诱导相分离(TIPS))、化学诱导(例如通过用良好的溶剂取代不良的溶剂的溶剂诱导相分离(SIPS))或溶剂比率变化(例如通过蒸发溶剂中的一种)来诱导相分离。
也可使用本领域已知的其他相分离或孔形成技术，诸如不连续的(共)聚合物共混(有时也称为(共)聚合物辅助相倒置(PAPI))，水分诱导相分离或蒸气诱导相分离。(共)聚合物网络结构可以固有地是多孔的(即，具有孔)。孔结构可以是开放的，使得能够从(共)聚合物网络结构的内部区域到(共)聚合物网络结构的外表面和/或在(共)聚合物网络结构的第一表面和(共)聚合物网络结构的对置的第二表面之间进行流体连通。
在第二方法的一些实施方案中，可混溶的热塑性(共)聚合物-溶剂溶液中的(共)聚合物具有熔点，其中溶剂具有沸点，并且其中组合在高于可混溶的热塑性(共)聚合物溶液的熔点并且在低于溶剂的沸点的至少一个温度处进行。
在第二方法的一些实施方案中，可混溶的热塑性(共)聚合物-溶剂溶液中的(共)聚合物具有熔点，并且其中诱导相分离在低于可混溶的热塑性(共)聚合物-溶剂溶液中的(共)聚合物的熔点的至少一个温度处进行。热塑性(共)聚合物溶剂混合物可被加热以有利于热塑性(共)聚合物在溶剂中的溶解。在热塑性(共)聚合物已与溶剂相分离之后，可使用本领域已知的技术将溶剂的至少一部分从(共)聚合物基质复合材料中去除，该技术包括蒸发溶剂或通过较高蒸气压第二溶剂萃取溶剂，然后蒸发第二溶剂。
在一些实施方案中，可以从(共)聚合物基质复合材料中去除在10重量％至100重量％范围内(在一些实施方案中，在20重量％至100重量％、30重量％至100重量％、40重量％至100重量％、50重量％至100重量％、60重量％至100重量％、70重量％至100重量％、80重量％至100重量％、90重量％至100重量％、95重量％至100重量％或甚至98重量％至100重量％范围内)的溶剂和第二溶剂(如果使用的话)。
通常，在相分离过程中，在(共)聚合物固化之前，使共混的混合物成形为层。将(共)聚合物溶解于溶剂中(其允许形成可混溶的热塑性溶剂溶液)，并且将磁性颗粒分散以形成共混的混合物，该共混的混合物成形为制品(例如，层)，随后进行相分离(例如，对于TIPS温度降低，对于SIPS溶剂蒸发或与非溶剂进行溶剂交换)。层形成可使用在本领域中已知的技术进行，包括刮涂、辊涂(例如通过限定辊隙的辊涂)和挤出(例如通过模具的挤出，例如通过具有适当的层尺寸(即模具间隙的宽度和厚度)的模具的挤出)。在一个示例性实施方案中，混合物具有糊状稠度并且通过挤出(例如通过具有适当的层尺寸(即模具间隙的宽度和厚度)的模具的挤出)被成形为层。
在使浆液成形为其中热塑性(共)聚合物能够在其溶剂中混溶的层之后，然后诱导(共)聚合物相分离。可使用若干技术来诱导相分离，包括热诱导相分离或溶剂诱导相分离中的至少一者。当进行诱导相分离的温度低于(共)聚合物、溶剂和磁性颗粒的组合温度时，可发生热诱导相分离。如果组合在接近室温下进行，这可通过冷却可混溶的(共)聚合物-溶剂溶液，或通过首先将可混溶的(共)聚合物-溶剂溶液加热至升高的温度(在组合期间或在组合之后)，随后降低可混溶的(共)聚合物-溶剂溶液的温度，从而诱导热塑性(共)聚合物的相分离来实现。
在这两种情况下，冷却可导致(共)聚合物与溶剂相分离。可通过将对于(共)聚合物而言为不良溶剂的第二溶剂添加到可混溶的(共)聚合物-溶剂溶液来进行溶剂诱导相分离，或者可通过去除可混溶的(共)聚合物-溶剂溶液的溶剂的至少一部分(例如蒸发可混溶的(共)聚合物-溶剂溶液的溶剂的至少一部分)，从而诱导(共)聚合物的相分离，来实现溶剂诱导相分离。可采用相分离技术(例如热诱导相分离和溶剂诱导相分离)的组合。
热诱导相分离可为有利的，因为当组合是在升高的温度下进行时，其还有利于(共)聚合物的溶解。在一些实施方案中，热诱导相分离是在低于组合温度的5℃至300℃范围内(在一些实施方案中，在5℃至250℃、5℃至200℃、5℃至150℃、15℃至300℃、15℃至250℃、15℃至200℃、15℃至130℃或甚至25℃至110℃范围内)的至少一个温度下进行。
在诱导相分离之后，可去除溶剂的至少一部分，从而形成多孔(共)聚合物基质复合材料层，该复合材料层具有(共)聚合物网络结构和分布在热塑性(共)聚合物网络结构内的磁性材料。
溶剂可通过蒸发去除，高蒸气压溶剂尤其适于这种去除方法。然而，如果第一溶剂具有低蒸气压，则可使用具有高蒸气压的第二溶剂萃取第一溶剂，随后蒸发第二溶剂。在一些实施方案中，可以从(共)聚合物基质复合材料中去除在10重量％至100重量％范围内(在一些实施方案中，在20重量％至100重量％、30重量％至100重量％、40重量％至100重量％、50重量％至100重量％、60重量％至100重量％、70重量％至100重量％、80重量％至100重量％、90重量％至100重量％、95重量％至100重量％或甚至98重量％至100重量％范围内)的溶剂和第二溶剂(如果使用的话)。
任选附加的加工步骤
在引致相分离之后或在去除溶剂的至少一部分步骤之后，可塌缩所形成的热塑性聚合物网络结构以便使(共)聚合物基质复合材料致密化。这可通过向(共)聚合物基质复合材料例如(共)聚合物基质复合片材施加压缩力和张力中的至少一者来实现。在一些实施方案中，制备(共)聚合物基质复合材料的方法还包括在移除溶剂步骤之后施加压缩力和张力中的至少一者，从而使(共)聚合物基质复合片材致密化。
压缩力和张力中的至少一者可通过本领域已知的技术来施加。例如，压缩力可通过促使(共)聚合物基质复合材料例如(共)聚合物基质复合片材通过一对轧辊的辊隙(例如压延)来实现，该辊具有设置小于(共)聚合物基质复合材料的厚度的间隙。与不具有热塑性聚合物网络结构的常规复合材料不同，(共)聚合物基质复合材料的最终密度可根据热塑性聚合物网络结构的塌缩程度(例如，在先前的压缩力示例中相对于(共)聚合物基质复合材料厚度的辊隙厚度)来控制。
在另一个示例中，可经由拉幅方法向(共)聚合物基质复合材料例如(共)聚合物基质复合片材施加张力。与不具有热塑性聚合物网络结构的常规复合材料不同，(共)聚合物基质复合材料的最终密度可根据热塑性网络结构塌缩的程度(例如，在先前的张力示例中在拉幅过程中拉伸(共)聚合物基质复合片材的量)来控制。
在一些实施方案中，第一种方法和第二种方法还包括压缩(共)聚合物基质复合材料。即，在诱导相分离之后，可压缩所形成的(共)聚合物网络结构，例如以调谐(共)聚合物基质复合材料的气流阻力。(共)聚合物基质复合材料的压缩可例如通过本领域已知的常规压延工艺来实现。
在其中网络结构通过至少压缩力塑性变形的一些实施方案中，可在施加压缩力期间赋予振动能量。在这些实施方案中的一些中，(共)聚合物基质复合材料为具有无限长度的条带的形式，并且在条带穿过辊隙时执行施加压缩力的步骤。拉伸负载可在穿过此辊隙期间施加。例如，辊隙可在两个辊之间形成，其中至少一个辊施加振动能量；在辊和条之间，其中至少一个施加振动能量；或在两个条之间，其中至少一个条施加振动能量。压缩力和振动能量的施加可以连续的辊对辊方式或以步进和重复的方式来实现。在其他实施方案中，在例如板和台板之间的离散层上执行压缩力步骤，其中板和台板中的至少一个施加振动能量。在一些实施方案中，振动能量在超声范围(例如20kHz)内，但其他范围被认为是合适的。关于使网络结构塑性变形的更多详细信息参见2017年10月30日提交的具有美国序列号62/578,732的共同待审的专利申请，该专利的公开内容以引用方式并入本文。
在一些实施方案中，在压缩之后，压缩的(共)聚合物基质复合材料的密度为至少1g/cm3(在一些实施方案中，为至少2.5g/cm3或甚至至少为1.75g/cm3；在一些实施方案中，在1g/cm3至1.75g/cm3或甚至1g/cm3至2.5g/cm3的范围内)。
在一些实施方案中，压缩(共)聚合物基质复合材料通过增加颗粒与颗粒接触而增加其密度。密度的这种增加可增加每单位体积的磁量。
在一些实施方案中，本文所述的(共)聚合物基质复合材料可以包在0.5mm(在一些实施方案中为0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、1cm、5cm、10cm、25cm、50cm，甚至1m)的杆周围而不会断裂。
在一些实施例中，用于制造(共)聚合物基质复合材料(例如，(共)聚合物基质复合片材)和/或用于使(共)聚合物基质复合材料塌缩以使(共)聚合物基质复合材料致密化的方法也可对软铁磁颗粒材料(例如，软铁磁颗粒薄片材料)进行取向。当(共)聚合物基质复合材料为具有第一主表面的(共)聚合物基质复合片材的形式时，制备(共)聚合物基质复合材料的方法还可包括将各向异性的软铁磁颗粒材料取向成使得各向异性的软铁磁颗粒材料的最大长度尺寸被取向成在(共)聚合物基质复合片材的相邻第一主表面的至少25度内、至少20度内、至少15度内或甚至至少10度内。
在一些实施方案中，各向异性的软铁磁颗粒材料的最大长度尺寸可在用于制造(共)聚合物基质复合片材的方法的纵向上取向。当(共)聚合物基质复合材料为具有第一主表面的(共)聚合物基质复合片材的形式并且软铁磁颗粒材料为软铁磁颗粒薄片材料时，每个薄片均具有第一主表面，制备(共)聚合物基质复合材料的方法还可包括将软铁磁颗粒薄片材料定向为使得薄片的第一主表面的大部分被定向为在(共)聚合物基质复合片材的相邻第一主表面的至少25度内、至少20度内、至少15度内或甚至至少10度内。在一些实施方案中，软铁磁颗粒薄片材料的第一主表面可在用于制造(共)聚合物基质复合片材的方法的纵向上取向。
在本公开的示例性实施方案中获取各种意料不到的结果和优点。这些和其它意想不到的结果和优点在以下示例性实施方案的范围内。
示例性实施方案列表
1A.一种(共)聚合物基质复合材料，所述(共)聚合物基质复合材料包含：
多孔(共)聚合物网络结构；以及
分布在所述(共)聚合物网络结构内的多个导热颗粒和多个磁性颗粒；
其中基于磁性颗粒和所述(共)聚合物(不包括任何溶剂)的总重量计，所述导热颗粒和所述磁性颗粒以15重量％至99重量％(在一些实施方案中，25重量％至98重量％、50重量％至98重量％、75重量％至98重量％、或甚至93重量％至97重量％)的范围存在；
2A.根据示例性实施方案1A所述的(共)聚合物基质复合材料，其中所述(共)聚合物基质复合材料的密度为至少0.3g/cm3(在一些实施方案中，在0.3g/cm3至4.0g/cm3、0.4g/cm3至3.9g/cm3、0.5g/cm3至3.8g/cm3、或甚至0.6g/cm3至3.7g/cm3的范围内)。
3A.根据任一项前述示例性实施方案所述的(共)聚合物基质复合材料，其中所述(共)聚合物基质复合材料具有至少5％(在一些实施方案中，在10％至80％、20％至70％或甚至30％至60％范围内)的孔隙率。
4A.根据任一项前述示例性实施方案所述的(共)聚合物基质复合材料，其中所述导热颗粒包含非导电颗粒或导电颗粒中的至少一种，另外其中所述非导电颗粒为陶瓷颗粒，所述陶瓷颗粒选自氮化硼、三水合铝、碳化硅、氮化硅、金属氧化物、金属氮化物以及它们的组合物；并且所述导电颗粒为选自炭黑、石墨、石墨烯以及它们的组合物的碳颗粒，和/或选自铝、铜、镍、银、铂、金以及它们的组合物的金属颗粒；另外，其中所述磁性颗粒包括以下软金属合金中的至少一者：Fe基无定形、Fe基纳米晶、Fe基纳米晶氮化物、Fe-Al-Si、Fe-Cr、Fe-Si、Fe-Si-B、Fe-Si-Cr、Fe-Co-B、Ni-Fe、Ni-Fe-Mo、Ni-Si、Co-Nb-Zr、硼基无定形合金；磁性软铁氧体诸如：氧化铁(磁铁矿)、Ni-Zn、Mn-Zn；磁性硬金属合金诸如：Fe-Cr-Co、Nd-Fe-B、Sm-Co、Sm-Fe-N、Al-Ni-Co、Cu-Ni-Fe、Cu-Ni-Fe-Co、具有铁素体或马氏体晶体结构的钢；以及硬铁氧体诸如：钡铁氧体、锶铁氧体，或它们的组合物。
5A.根据任一项前述示例性实施方案所述的(共)聚合物基质复合材料，其中所述导热颗粒包括不同(即，不同的热导率、组成、粒度或微结构)的第一导热颗粒和第二导热颗粒。
6A.根据示例性实施方案5A所述的(共)聚合物基质复合材料，其中所述第一导热颗粒的平均粒度(最长尺寸的平均长度)在500nm至7000微米的范围内(在一些实施方案中，在70微米至300微米、300微米至800微米、800微米至1500微米、或甚至1500微米至7000微米的范围内)，并且所述第二导热颗粒的平均粒度(最长尺寸的平均长度)在500nm至7000微米的范围内(在一些实施方案中，在70微米至300微米、300微米至800微米、800微米至1500微米、或甚至1500微米至7000微米的范围内)。
7A.根据任一项前述示例性实施方案所述的(共)聚合物基质复合材料，其中所述磁性颗粒包括不同(即，不同的磁特性、组成、粒度或微结构)的第一磁性颗粒和第二磁性颗粒。
8A.根据示例性实施方案7A所述的(共)聚合物基质复合材料，其中所述第一磁性颗粒的平均粒度(最长尺寸的平均长度)在500nm至7000微米的范围内(在一些实施方案中，在70微米至300微米、300微米至800微米、800微米至1500微米、或甚至1500微米至7000微米的范围内)，并且所述第二磁性颗粒的平均粒度(最长尺寸的平均长度)在500nm至7000微米的范围内(在一些实施方案中，在70微米至300微米、300微米至800微米、800微米至1500微米、或甚至1500微米至7000微米的范围内)。
9A.根据示例性实施方案7A至8A中任一项所述的(共)聚合物基质复合材料，其中基于所述第一磁性颗粒和所述第二磁性颗粒的总重量计，所述第一磁性颗粒以15重量％至99重量％的范围(在一些实施方案中，以25重量％至98重量％、50重量％至98重量％、75重量％至98重量％、或甚至93重量％至97重量％的范围)存在，并且其中所述第二磁性颗粒以15重量％至99重量％的范围(在一些实施方案中，以25重量％至98重量％、50重量％至98重量％、75重量％至98重量％、或甚至93重量％至97重量％的范围)的重量分数存在。
10A.根据任一项前述示例性实施方案所述的(共)聚合物基质复合材料，其中所述多孔(共)聚合物网络结构包含以下中的至少一种：聚氨酯、聚酯、聚酰胺、聚醚、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚砜、聚醚砜、聚苯醚、聚丙烯酸酯、聚(甲基)丙烯酸酯、聚丙烯腈、聚烯烃、苯乙烯或苯乙烯基无规和嵌段(共)聚合物、氯化(共)聚合物、氟化(共)聚合物或乙烯和氯三氟乙烯的(共)聚合物。
11A.根据任一项前述示例性实施方案所述的(共)聚合物基质复合材料，其中所述多孔(共)聚合物网络结构包括相分离的多个互连的形态(例如，原纤、节结、节点、开孔、闭孔、叶状花边、股线、结点、球体或蜂窝结构中的至少一种)。
12A.根据任一项前述示例性实施方案所述的(共)聚合物基质复合材料，其中所述多孔(共)聚合物网络结构包含数均分子量在5×104g/mol至1×107g/mol范围内(在一些实施方案中，在1×106g/mol至8×106g/mol、2×106g/mol至6×106g/mol或甚至3×106g/mol至5×106g/mol范围内)的(共)聚合物。
13A.根据任一项前述示例性实施方案所述的(共)聚合物基质复合材料，其中所述(共)聚合物基质复合材料呈厚度在50微米至7000微米范围内的层的形式。
14A.根据任一项前述示例性实施方案所述的(共)聚合物基质复合材料，其中所述多孔(共)聚合物网络结构通过可混溶的热塑性(共)聚合物-溶剂溶液的诱导相分离来制备。
15A.根据示例性实施方案14A所述的(共)聚合物基质复合材料，其中诱导相分离为热诱导相分离和溶剂诱导相分离中的至少一者。
16A.根据任一项前述示例性实施方案所述的(共)聚合物基质复合材料，所述(共)聚合物基质复合材料具有相对的第一平坦主表面和第二平坦主表面。
17A.根据任一项前述示例性实施方案所述的(共)聚合物基质复合材料，所述聚合物基质复合材料具有相对的第一主表面和第二主表面，其中所述第一主表面为非平坦的(例如，弯曲的或其间没有平坦表面的突出部)。
18A.根据示例性实施方案16A或17A所述的(共)聚合物基质复合材料，其中所述第一主表面具有从所述第一主表面向外延伸的第一突出部。在一些实施方案中，所述突出部与所述第一主表面成一整体。
19A.根据示例性实施方案18A所述的(共)聚合物基质复合材料，其中所述第一突出部为柱、导轨、钩、锥体、连续轨、连续多向轨、半球、圆柱体或多叶状圆柱体中的至少一者。
20A.根据示例性实施方案16A至19A中任一项所述的(共)聚合物基质复合材料，其中所述第一主表面具有延伸到所述第一主表面中的第一凹陷部。
21A.根据示例性实施方案20A所述的(共)聚合物基质复合材料，其中所述第一凹陷部为凹槽、狭槽、倒金字塔、孔(包括通孔或盲孔)或凹坑中的至少一者。
22A.根据示例性实施方案18A至21A中任一项所述的(共)聚合物基质复合材料，其中所述第二主表面具有从所述第二主表面向外延伸的第二突出部。
23A.根据示例性实施方案22A所述的(共)聚合物基质复合材料，其中所述第二突出部为柱、导轨、钩、锥体、连续轨、连续多向轨、半球、圆柱体或多叶状圆柱体中的至少一者。
24A.根据示例性实施方案18A至23A中任一项所述的(共)聚合物基质复合材料，其中所述第二主表面具有延伸到所述第二主表面中的第二凹陷部。
25A.根据示例性实施方案24A所述的(共)聚合物基质复合材料，其中所述第二凹陷部为凹槽、狭槽、倒金字塔、孔(包括通孔或盲孔)或凹坑中的至少一者。
26A.根据任一项前述示例性实施方案所述的(共)聚合物基质复合材料，所述聚合物基质复合材料还包含增强剂(例如，部分地在其中和/或在其中附接到所述(共)聚合物基质复合材料)。
27A.根据任一项前述示例性实施方案所述的(共)聚合物基质复合材料，所述聚合物基质复合材料能够包在0.5mm(在一些实施方案中，0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、1cm、5cm、10cm、25cm、50cm或甚至1m)的杆周围而不会断裂。
28A.根据示例性实施方案1A至12A中任一项所述的(共)聚合物基质复合材料，其中所述导热颗粒和所述磁性颗粒存在于单个层中。
29A.根据示例性实施方案1A至12A中任一项所述的(共)聚合物基质复合材料，其中所述导热颗粒存在于第一层中，并且所述磁性颗粒存在于与所述第一层相邻的第二层中，任选地其中所述第二层邻接所述第一层。
30A.根据示例性实施方案1A至12A中任一项所述的(共)聚合物基质复合材料，其中所述导热颗粒存在于具有相对的第一主表面和第二主表面的第一层中，并且所述磁性颗粒存在于覆盖并邻近所述第一层的所述第一主表面的第二层以及覆盖并邻近所述第一层的所述第二主表面的第三层中，任选地其中所述第二层邻接所述第一主表面，并且所述第三层邻接所述第二主表面。
31A.根据示例性实施方案1A至12A中任一项所述的(共)聚合物基质复合材料，其中所述磁性颗粒存在于具有相对的第一主表面和第二主表面的第一层中，并且所述导热颗粒存在于覆盖并邻近所述第一层的所述第一主表面的第二层以及覆盖并邻近所述第一层的所述第二主表面的第三层中，任选地其中所述第二层邻接所述第一主表面，并且所述第三层邻接所述第二主表面。
32A.根据任一项前述示例性实施方案所述的(共)聚合物基质复合材料，所述聚合物基质复合材料包含以下中的至少一种：粘度调节剂(例如热解法二氧化硅、嵌段(共)聚合物和蜡)、增塑剂、热稳定剂(例如，诸如例如以商品名“Irganox 1010”购自德国路德维希港的巴斯夫公司(BASF,Ludwigshafen,Germany))、抗微生物剂(例如，银和季铵)、阻燃剂、抗氧化剂、染料、颜料或紫外线(UV)稳定剂。
1B.一种制备根据任一项前述示例性实施方案所述的(共)聚合物基质复合材料的方法，所述方法包括：
将热塑性(共)聚合物、溶剂、多个导热颗粒、多个磁性颗粒和任选的多个磁性颗粒组合(例如，混合或共混)以提供浆液；
使所述浆液成形为制品(例如，层)；
在环境中加热所述制品以在所述制品中保留基于所述制品中的所述溶剂的重量计至少90重量％(在一些实施方案中，至少91重量％、92重量％、93重量％、94重量％、95重量％、96重量％、97重量％、98重量％、99重量％或甚至至少99.5重量％)的所述溶剂，并且溶解基于所述热塑性(共)聚合物的总重量计至少50％(在一些实施方案中，至少55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、96％、97％、98％、99％或甚至100％)的所述热塑性(共)聚合物；以及
诱导所述热塑性(共)聚合物与所述溶剂相分离以提供所述(共)聚合物基质复合材料。
2B.根据示例性实施方案1所述的方法，所述方法还包括在诱导所述热塑性(共)聚合物与所述溶剂相分离之后，从成形制品中去除所述溶剂的至少一部分(在一些实施方案中，基于所述成形制品中所述溶剂的重量计，去除至少5重量％、10重量％、15重量％、20重量％、25重量％、30重量％、35重量％、40重量％、45重量％、50重量％、55重量％、60重量％、65重量％、70重量％、75重量％、80重量％、85重量％、90重量％、95重量％、96重量％、97重量％、98重量％、99重量％、99.5重量％或甚至100重量％的所述溶剂)。
3B.根据示例性实施方案2所述的方法，其中基于所述成形制品中所述溶剂的重量计，去除至少90重量％的所述溶剂，其中基于所述成形制品中所述溶剂的重量计，所述成形制品在去除至少90重量％的所述溶剂之前具有第一体积，其中基于所述成形制品中所述溶剂的重量计，所述成形制品在去除至少90重量％的所述溶剂之后具有第二体积，并且其中所述第一体积和所述第二体积之间的差(即(所述第一体积减去所述第二体积)除以所述第一体积乘以100)小于10％(在一些实施方案中，小于9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.75％、0.5％或甚至小于0.3％)。
4B.根据示例性实施方案3B所述的方法，其中所述制品具有第一主表面和第二主表面，所述第一主表面和所述第二主表面具有垂直于所述第一主表面和所述第二主表面的端部，并且其中所述端部在所述溶剂去除期间不受限制。
5B.根据示例性实施方案3B或4B所述的方法，其中在去除所述溶剂之后，所述成形制品具有至少5％(在一些实施方案中，至少10％、20％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％或甚至至少90％；在一些实施方案中，在25％至90％范围内)的孔隙率。
6B.根据示例性实施方案1B所述的方法，其中未从所述成形制品中去除溶剂(即使在诱导热塑性(共)聚合物与溶剂相分离之后)。
7B.根据任一项前述B示例性实施方案所述的方法，其中诱导相分离包括热诱导相分离。
8B.根据任一项前述B示例性实施方案所述的方法，其中所述浆液中的所述(共)聚合物具有熔点，其中所述溶剂具有沸点，并且其中组合在低于所述浆液中的所述(共)聚合物的所述熔点下并且在低于所述溶剂的所述沸点下进行。
9B.根据任一项前述B示例性实施方案所述的方法，其中所述浆液中的所述(共)聚合物具有熔点，并且其中诱导相分离在低于所述浆液中的所述(共)聚合物的所述熔点下进行。
10B.根据任一项前述B示例性实施方案所述的方法，所述方法还包括压缩所述(共)聚合物基质复合材料。
11B.根据示例性实施方案1B至9B中任一项所述的方法，所述方法还包括在所述施加压缩力的同时向所述(共)聚合物基质复合材料施加振动能量。
12B.根据任一项前述B示例性实施方案所述的方法，其中所述多孔(共)聚合物网络结构包含以下中的至少一种：聚丙烯腈、聚氨酯、聚酯、聚酰胺、聚醚、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚砜、聚醚砜、聚苯醚、聚丙烯酸酯、聚(甲基)丙烯酸酯、聚烯烃、苯乙烯或苯乙烯基无规和嵌段(共)聚合物、氯化(共)聚合物、氟化(共)聚合物或乙烯和氯三氟乙烯的(共)聚合物。
13B.根据任一项前述B示例性实施方案所述的方法，其中所述多孔(共)聚合物网络结构包含多个互连形态(例如，原纤、结节、节点、开孔、闭孔、叶状花边、股线、节点、球体或蜂窝结构中的至少一种)。
14B.根据任一项前述B示例性实施方案所述的方法，其中所述多孔(共)聚合物网络结构通过可混溶的热塑性(共)聚合物-溶剂溶液的诱导相分离来制备。
15B.根据示例性实施方案14B所述的方法，其中诱导相分离包括热诱导相分离。
1C.一种制备根据任一项前述A示例性实施方案所述的(共)聚合物基质复合材料的方法，所述方法包括：
将热塑性(共)聚合物、用于所述热塑性(共)聚合物的溶剂、多个导热颗粒、多个磁性颗粒和任选的多个磁性颗粒组合(例如，混合或共混)以在可混溶的热塑性(共)聚合物-溶剂溶液中形成磁性颗粒的悬浮液；
诱导所述热塑性(共)聚合物与所述溶剂相分离；以及
去除所述溶剂的至少一部分以提供所述(共)聚合物基质复合材料。
2C.根据示例性实施方案1C所述的方法，其中诱导相分离包括热诱导相分离或溶剂诱导相分离中的至少一者。
3C.根据示例性实施方案1C所述的方法，其中所述可混溶的热塑性(共)聚合物-溶剂溶液中的所述(共)聚合物具有熔点，其中所述溶剂具有沸点，并且其中组合在高于所述可混溶的热塑性(共)聚合物-溶剂溶液的所述熔点下并且在低于所述溶剂的所述沸点下进行。
4C.根据任一项前述C示例性实施方案所述的方法，其中所述可混溶的热塑性(共)聚合物-溶剂溶液中的所述(共)聚合物具有熔点，并且其中诱导相分离在低于所述可混溶的热塑性(共)聚合物-溶剂溶液中的所述(共)聚合物的所述熔点下进行。
5C.根据任一项前述C示例性实施方案所述的方法，所述方法还包括压缩所述(共)聚合物基质复合材料。
6C.根据示例性实施方案1C至4C中任一项所述的方法，所述方法还包括在所述施加压缩力的同时向所述(共)聚合物基质复合材料施加振动能量。
7C.根据任一项前述C示例性实施方案所述的方法，其中所述多孔(共)聚合物网络结构包含以下中的至少一种：聚丙烯腈、聚氨酯、聚酯、聚酰胺、聚醚、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚砜、聚醚砜、聚苯醚、聚丙烯酸酯、聚(甲基)丙烯酸酯、聚烯烃、苯乙烯或苯乙烯基无规和嵌段(共)聚合物、氯化(共)聚合物、氟化(共)聚合物或乙烯和氯三氟乙烯的(共)聚合物。
8C.根据任一项前述C示例性实施方案所述的方法，其中所述多孔(共)聚合物网络结构包含多个互连形态(例如，原纤、结节、节点、开孔、闭孔、叶状花边、股线、节点、球体或蜂窝结构中的至少一种)。
1D.一种制品(例如，热界面材料、热引发熔断器和阻火装置)，所述制品包含根据任一项前述A示例性实施方案所述的(共)聚合物基质复合材料。
本公开的操作将参照以下详述的实施例另外描述。提供这些实施例以另外说明各种具体和优选的实施方案和技术。然而，应当理解，可做出许多变型和修改而仍落在本公开的范围内。
实施例
这些实施例仅是为了例示性目的，且并非意在过度地限制所附权利要求书的范围。尽管示出本公开的广义范围的数值范围和参数为近似值，但尽可能精确地记录具体示例中示出的数值。然而，任何数值都固有地包含某些误差，其各自的测试测量中所存在的标准偏差必然会引起这种误差。最低程度上说，并且在不试图将等同原则的应用限制到权利要求书的范围内的前提下，至少应当根据所报告的有效位数并通过应用惯常的四舍五入法来解释每个数值参数。
测试方法
气流阻力测试
使用密度计(以型号4110获自纽约州特洛伊市的高利精密仪器公司(GurleyPrecision Instruments,Troy,NY))和定时器(以型号4320获自高利精密仪器公司(GurleyPrecision Instruments))测量气流阻力。将样品夹持在测试仪中。复位计时器和光眼，并且释放滚筒，使空气通过具有4.88英寸(12.4cm)水(1215N/m2)的恒定力的1平方英寸(6.5cm2)圆。记录通过50mL空气的时间。
在一些情况下，通过除以膜厚度(以微米为单位)并乘以500微米，将气流阻力归一化为500微米厚的膜的气流阻力。如下文在“密度和孔隙率方法”节段中所述测量膜厚度。
泡点压力测试
泡点压力是表征多孔隔膜中最大孔的常用技术。该技术是对ASTM F316-03(2006)“通过泡点和平均流量孔测试测定隔膜过滤器的孔径特性的标准测试方法(Standard TestMethods for Pore Size Characteristics of Membrane Filters by Bubble Point andMean Flow Pore Test)”的修改，并且包括自动压力控制器和流量计以定量何时已达到泡点压力，该ASTM F316-03(2006)的整个公开内容以引用方式并入本文。
切割直径为47mm的盘，并且将样品浸泡在IPA中以完全填充和润湿样品内的孔。然后，将湿样品置于保持器(47mm；来自纽约州华盛顿港市颇尔公司(Pall Corporation,PortWashington,NY)的不锈钢保持器零件#2220)中。使用压力控制器在样品的顶部缓慢增加压力，并且使用气体流量计在底部测量气流。当来自基线流量的流量显著增加时，对压力进行重新编码。这被报告为每平方英寸(psi)的泡点压力磅数(汞柱的厘米数，cm Hg或帕斯卡，Pa)。
根据ASTM测试方法，采用下列等式计算孔径：
限制孔直径(μm)＝(以达因/cm为单位的表面张力*0.415)/(以psi为单位的压力)
包括因数0.415，因为压力以psi为单位。将21.68达因/cm的表面张力用于IPA。
密度和孔隙率测试
使用与ASTM F-1315-17(2017)“密封垫圈材料的密度的标准测试方法(StandardTest Method for Density of a Sheet Gasket Material)”类似的方法计算样品的密度，所述方法为：切割47mm直径的盘，在合适分辨率(通常为0.0001克)的分析天平上称量盘，以及在自重为7.3psi(50.3KPa)的厚度计(可以型号49-70购自特拉华州新城堡的测试机器公司(Testing Machines,Inc.,New Castle,DE))和0.63英寸(1.6cm)直径的平砧上，以约3秒的保压时间和+/-0.0001英寸的分辨率测量盘，其中ASTM F-1315-17(2017)的整个公开内容以引用方式并入本文。然后通过将质量除以体积来计算密度，该体积由样品的厚度和直径计算。利用(共)聚合物基质复合材料的组分的已知密度和重量分数，通过混合物规则计算(共)聚合物基质复合材料的理论密度。使用理论密度和测量密度，孔隙率计算如下：
孔隙率＝[1-(测量的密度/理论密度)]×100。
热导率测试
根据ASTM D5470“用于导热电绝缘材料的热透射特性的标准测试方法(StandardTest Method for Thermal Transmission Properties of Thermally ConductiveElectrical Insulation Materials)”使用购自马塞诸塞州韦克菲尔德的安赛斯科技公司(AnalysisTech,Wakefield,MA)的热界面材料测试仪型号TIM1300测量膜的热导率，该ASTMD5470的整个公开内容以引用方式并入本文。使用打孔机从致密方块切出33mm的圆盘。测试温度为50℃，并且施加的测试压力设定为100psi。使用仪器厚度计测量测试期间样品的厚度。将热脂薄层(热脂120系列，新罕布什尔州佩勒姆的韦克菲尔德热解决方案公司(Wakefield Thermal Solutions,Pelham,NH))施加到样品上，然后将它们放入TIM测试仪中，以降低测试表面和样品表面之间的接触电阻(增加表面润湿)。
静态磁特性-磁性测试I
在进行磁性测量之前，将(共)聚合物基质复合材料样品切割成6mm盘。振动样品磁力计(以7400-S获自俄亥俄州韦斯特维尔的湖畔低温电子公司(Lake Shore Cryotronics,Westerville,OH))用于记录磁滞回线(M-H曲线)。将磁化场H施加在样品的平面内。磁场跨度被设置成H＝±4kOe，并且饱和磁化Ms在完全饱和(|H|＝4kOe)时测量。磁化场H以0.14Oe的步长测量，矫顽场Hc经由基于M-H曲线上与M＝0相邻的6个点的线性拟合定义在M＝0附近。
动态磁特性-磁性测试II
将(共)聚合物基质复合材料样品切割成外径为18mm且内径为5mm的圆环面。使用磁性测试固定装置(以16454A得自加利福尼亚州圣克拉拉的是德科技公司(KeysightTechnologies,Santa Clara,CA))和阻抗计(以E4990A得自是德科技公司(KeysightTechnologies))来测量相对磁导率μr的实部和虚部。根据16454A的手册分析数据。
截面检测测试
用扫描电镜(SEM)(以商品名“PHENOM”得自俄亥俄州希尔斯伯勒市的FEI公司(FEICompany,Hillsboro,OR))拍摄聚合物基质复合材料的横截面的SEM数字图像。通过液氮冷冻压裂，然后用溅射涂布机(可以商品名“EMITECH K550X”购自英国苏塞克斯州莱普顿东斯塞克斯的Quorum技术公司(Quorum Technologies,Laughton East Sussex,England))进行金溅射涂布来制备横截面样品。
材料
除非另有说明，否则实施例及本说明书其余部分中的所有份数、百分比、比等均以重量计。除非另有说明，否则所用的溶剂和其它试剂可得自威斯康星州密尔沃基的西格玛奥德里奇化学公司(Sigma-Aldrich Chemical Company(Milwaukee,WI))。表I汇总了实施例中使用的材料和材料来源。
表1：在实施例中使用的原材料
Figure BDA0003354144040000541
制剂
由列出的材料制备三种不同的制剂。R1、F1以及A1或A2
根据汇总于表2中的制剂单独称量。
表2：在实施例中使用的制剂
Figure BDA0003354144040000542
规程
制备了三个不同的示例。两个示例由单层组成，该单层具有混合在一起的两种颗粒类型(导热颗粒和磁性颗粒)。一个示例是双层构造，其在单独的层中具有每种颗粒类型(导热颗粒和磁性颗粒)。
使用以下规程来制备实施例。
混合
制剂C1：
称量制剂的各个组分并将其沉积到塑料杯(以商品名“MAX 300LONG CUP获得，用于以商品名“SPEEDMIXER DAC600.2 VAC-LR”获得的高速混合器，两者均得自南卡罗来州兰德拉姆的弗兰特科公司(FlackTek,Inc.,Landrum,SC))，将该塑料杯置于SpeedMixerTM(Model DAC 600，南卡罗来州兰德拉姆的弗兰特科公司)中。根据以下特征进行混合：800RPM持续60秒、1200RPM持续60秒、800RPM持续60秒以及0RPM持续15秒，同时对于每个步骤将真空设定为50mBar。
制剂C2：
分别制备部分A和部分B。称量各个组分并将其沉积到塑料杯，将该塑料杯置于SpeedMixerTM(Model DAC 600，南卡罗来州兰德拉姆的弗兰特科公司)中。根据以下特征进行混合：800RPM持续10秒，900RPM持续20秒以及1200RPM持续30秒，同时对于每个步骤将真空设定为50mBar。
制剂C3：
分别制备层1和层2。称量各个组分并将其沉积到塑料杯，将该塑料杯置于SpeedMixerTM(Model DAC 600，南卡罗来州兰德拉姆的弗兰特科公司)中。根据以下特征进行混合：800RPM持续60秒、1200RPM持续60秒、800RPM持续60秒以及0RPM持续15秒，同时对于每个步骤将真空设定为50mBar。
例示性(共)聚合物基质复合材料制品
制剂C1：
将大约一半的浆液沉积到3密耳(75微米)热稳定的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)衬垫上，然后将另一个3密耳(75微米)PET衬垫置于顶部上以夹置浆液。通过使用被设置成66密耳(1.68mm)间隙的凹口棒将浆液铺展在PET衬垫之间。凹口棒导轨宽于PET衬垫，以获得大约60密耳(1.52mm)的有效湿膜厚度。使用具有增大的凹口棒的向下压力的渐进式多次传递来压平浆液。
将夹置的、成形浆液置于铝托盘上并置于135℃(275℉)的实验室烘箱(可以商品名“DESPATCH RFD1-42-2E”购自明尼苏达州明尼阿波利斯市的Despatch公司(Despatch,Inc.,Minneapolis,MN))中5分钟以活化(即，使UHMWPE溶解到溶剂中从而形成单相)。活化之后，将膜从烘箱中取出。
将具有活化夹置成形浆液的托盘从烘箱中取出，并使其空气冷却至环境温度(约25℃)，从而形成溶剂填充的聚合物基质复合材料。去除顶部衬垫和底部衬垫两者，使聚合物基质复合材料暴露于空气。然后将聚合物基质复合材料放回托盘上的PET衬垫上，并将托盘插入100℃(215℉)的实验室烘箱中30分钟。在蒸发之后，将聚合物基质复合材料从烘箱中取出，使其冷却至环境温度并进行表征。
制剂C2：
首先使用木制压舌板在塑料杯中将部分A和部分B混合在一起。随后，再次将塑料杯置于SpeedMixerTM(Model DAC 600，南卡罗来州兰德拉姆的弗兰特科公司)中。将混合器设置为800RPM持续30秒，并且对于每个步骤将真空设置为50mBar。然后将混合物沉积在PET衬垫上，并且将第二PET衬垫置于顶部上以夹置混合物。使用手动辊和2mm间隔棒，将材料压实并铺展以形成片材，在处理之前将该片材在室温下在空气中固化至少10分钟。
制剂C3：
在室温(约25℃)下用铲将层A的浆液施加到3密耳(75微米)热稳定的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)衬垫(以商品名“COATED PET ROLL#33716020500”得自明尼苏达州圣保罗的3M公司)。然后将3密耳(75微米)热稳定的PET衬垫(“COATED PET ROLL#33716020500”)施加在顶部上以夹置浆液。将两个1mm厚的铝片沿相对边缘放置在PET衬垫之间，与PET衬垫重叠约0.5英寸。使长度足以搁置在两个铝片上的扁平金属棒在PET衬垫上运行，以将浆液铺展至铝片的1mm厚度。使用具有增大的扁平金属棒的向下压力的渐进式多次传递来压平浆液。
从PET衬垫之间移除铝片。将夹置的、成形浆液置于铝托盘上并置于135℃(275℉)的实验室烘箱(可以商品名“DESPATCH RFD1-42-2E”购自明尼苏达州明尼阿波利斯市的Despatch公司(Despatch,Inc.,Minneapolis,MN))中5分钟以活化(即，使UHMWPE溶解到溶剂中从而形成单相)。将具有活化夹置成形浆液的托盘从烘箱中取出，并使其空气冷却至环境温度(约25℃)，从而形成溶剂填充的聚合物基质复合材料。
去除顶部衬垫和底部衬垫两者，使聚合物基质复合材料暴露于顶部的空气。然后将聚合物基质复合材料层A放回PET衬垫(“COATED PET ROLL#33716020500”)上。将用于层B的浆液施加在活化层A的顶部上，然后将第二PET衬垫施加在层B的顶部上。将四个1mm厚的铝片沿相对边缘(每侧2片)放置在PET衬垫之间，与PET衬垫重叠约0.5英寸。使长度足以搁置在两个铝片上的扁平金属棒在PET衬垫上运行，以将浆液层B铺展至1mm厚。使用具有增大的扁平金属棒的向下压力的渐进式多次传递来压平浆液。
从PET衬垫之间移除铝片。将夹置的、成形浆液置于铝托盘上并置于135℃(275℉)的实验室烘箱(可以商品名“DESPATCH RFD1-42-2E”购自明尼苏达州明尼阿波利斯市的Despatch公司(Despatch,Inc.,Minneapolis,MN))中5分钟以活化(即，使UHMWPE溶解到溶剂中从而形成单相)。将具有活化夹置成形浆液的托盘从烘箱中取出，并使其空气冷却至环境温度(约25℃)，从而形成溶剂填充的聚合物基质复合材料。去除顶部衬垫和底部衬垫两者，使聚合物基质复合材料暴露于顶部的空气。将托盘插入100℃(215℉)的实验室烘箱(“DESPATCH RFD1-42-2E”)一小时。在蒸发之后，将聚合物基质复合材料从烘箱中取出，使其冷却至环境温度并进行表征。
测试结果
实施例C1：
使用“测试方法”部分中所述的方法测试并表征样品。所得聚合物基质复合材料的厚度为0.85mm(33.6密耳)，并且测量的密度为0.6605g/cm3(如通过“密度和孔隙率测试”所测定)，并且格利气流为1.7sec/50cm3(如通过“气流阻力测试”所测定)。参见图4，示出了使用对(共)聚合物基质复合材料的截面检测测试获得的显微照片。
实施例C1-B：
实施例C1-B如实施例C1中所述那样制备。从膜上切下1.5”×1.5”正方形。将正方形置于两个剥离衬垫之间，并且然后置于两片金属板之间。将该叠层置于液压机(以商品名“WABASH-GENESIS MODEL G30H-15-LP”获自印第安纳州沃巴什的Wabash MPI(Wabash MPI,Wabash,IN))中并在环境温度(约25℃)处以15吨压缩60秒。在压缩之后，使用“热导率测试”、“磁性测试I”和“磁性测试II”部分中所述的方法测试样品。结果汇总于表4中：分别针对热导率测试和磁性测试。
表3：来自热导率测试的样品C1-B结果
Figure BDA0003354144040000581
表4：来自磁性测试I和II的样品C1-B结果
样品ID 矫顽磁力(Oe) 磁导率(MHz)
C1-B 1.7235 15.83
实施例C2：
使用“测试方法”
部分中所述的方法测试并表征样品。所得聚合物基质复合材料的厚度为3.23mm(127.3密耳)，并且测量的密度为1.583g/cm3(如通过“密度和孔隙率测试”所测定)。错误！未发现参考源示出实施例的横截面的SEM图像。热导率测试和磁性测试的结果分别汇总于表5。参见图5，示出了使用对(共)聚合物基质复合材料的截面检测测试获得的显微照片。
参见图5，示出了使用对(共)聚合物基质复合材料的截面检测测试获得的显微照片。
表5：来自热导率测试的样品C1-B结果
Figure BDA0003354144040000591
表6：来自磁性测试I和II的样品C1-B结果
样品ID 矫顽磁力(Oe) 磁导率(MHz)
C2 0.859 3.549
实施例C3：
使用“测试方法”部分中所述的方法测试并表征样品。所得聚合物基质复合材料的厚度为1.63mm(64.3密耳)，并且测量的密度为0.654g/cm3(如通过“密度和孔隙率测试”所测定)。
实施例C3-B：
实施例C3-B如实施例C3中所述那样制备。从膜上切下1.5”×1.5”正方形。将正方形置于两个剥离衬垫之间，并且然后置于两片金属板之间。将该叠层置于液压机(以商品名“WABASH-GENESIS MODEL G30H-15-LP”获自印第安纳州沃巴什的Wabash MPI(Wabash MPI,Wabash,IN))中并在环境温度(约25℃)处以15吨压缩60秒。在压缩之后，使用“热导率测试”、“磁性测试I”和“磁性测试II”部分中所述的方法测试样品。结果分别汇总于表7和表8中。
表7：来自热导率测试的样品C3-B结果
Figure BDA0003354144040000601
表8：来自磁性测试I和II的样品C3-B结果
样品ID 矫顽磁力(Oe) 磁导率(MHz)
C3-B 1.276 37.601
本说明书中通篇提及的“一个实施方案”、“某些实施方案”、“一个或多个实施方案”或“实施方案”，无论在术语“实施方案”前是否包括术语“示例性的”都意指结合该实施方案描述的特定特征、结构、材料或特性包括在本公开的某些示例性实施方案中的至少一个实施方案中。因此，在本说明书通篇各处出现的短语诸如“在一个或多个实施方案中”、“在某些实施方案中”、“在一个实施方案中”或“在实施方案中”不一定是指本公开的某些示例性实施方案中的同一实施方案。此外，具体特征、结构、材料或特性可在一个或多个实施方案中以任何合适的方式组合。
虽然本说明书已经详细地描述了某些示例性实施方案，但是应当理解，本领域的技术人员在理解上述内容后，可很容易地想到这些实施方案的更改、变型和等同物。因此，应当理解，本公开不应不当地受限于以上示出的例示性实施方案。特别地，如本文所用，用端值表述的数值范围旨在包括该范围内所包含的所有数值(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)。另外，本文所用的所有数字都被认为是被术语“约”修饰。
此外，本文引用的所有出版物和专利均以引用的方式全文并入本文中，如同各个单独的出版物或专利都特别地和单独地指出以引用方式并入一般。已对各个示例性实施方案进行了描述。这些实施方案以及其他实施方案均在以下权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种(共)聚合物基质复合材料，所述(共)聚合物基质复合材料包含：
多孔(共)聚合物网络结构；以及
分布在所述(共)聚合物网络结构内的多个导热颗粒和多个磁性颗粒；
其中所述导热颗粒、磁性颗粒和任选的磁性颗粒以所述(共)聚合物基质复合材料的15重量％至99重量％的范围存在。
2.根据权利要求1所述的(共)聚合物基质复合材料，其中所述(共)聚合物基质复合材料具有至少0.3g/cm3的密度或至少5％的孔隙率。
3.根据权利要求1所述的(共)聚合物基质复合材料，其中所述导热颗粒包含非导电颗粒或导电颗粒中的至少一种，另外其中所述非导电颗粒为选自氮化硼、三水合铝、碳化硅、氮化硅、金属氧化物、金属氮化物以及它们的组合物的陶瓷颗粒，并且所述导电颗粒为选自铝、铜、镍、银、铂、金以及它们的组合物的金属颗粒，另外，其中所述磁性颗粒包括以下中的至少一者：Fe基无定形氮化物、Fe基纳米晶氮化物、Fe基纳米晶氮化物、Fe-Al-Si、Fe-Cr、Fe-Si、Fe-Si-B、Fe-Si-Cr、Fe-Co-B、Ni-Fe、Ni-Fe-Mo、Ni-Si、Co-Nb-Zr、基于硼的无定形合金；氧化铁、Ni-Zn、Mn-Zn；Fe-Cr-Co、Nd-Fe-B、Sm-Co、Sm-Fe-N、Al-Ni-Co、Cu-Ni-Fe、Cu-Ni-Fe-Co、具有铁素体或马氏体晶体结构的钢、钡铁氧体、锶铁氧体、以及它们的组合物。
4.根据权利要求1所述的(共)聚合物基质复合材料，其中所述多孔(共)聚合物网络结构包含以下中的至少一种：聚氨酯、聚酯、聚酰胺、聚醚、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚砜、聚醚砜、聚苯醚、聚丙烯酸酯、聚(甲基)丙烯酸酯、聚丙烯腈、聚烯烃、苯乙烯或苯乙烯基无规和嵌段(共)聚合物、氯化(共)聚合物、氟化(共)聚合物或乙烯和氯三氟乙烯的(共)聚合物。
5.根据权利要求1所述的(共)聚合物基质复合材料，其中所述导热颗粒和所述磁性颗粒存在于单层中。
6.根据权利要求1所述的(共)聚合物基质复合材料，其中所述导热颗粒和所述磁性颗粒存在于多个层中。
7.根据权利要求1所述的(共)聚合物基质复合材料，其中所述导热颗粒存在于第一层中，并且所述磁性颗粒存在于与所述第一层相邻的第二层中，任选地其中所述第二层邻接所述第一层。
8.根据权利要求1所述的(共)聚合物基质复合材料，其中所述导热颗粒存在于具有相对的第一主表面和第二主表面的第一层中，并且所述磁性颗粒存在于覆盖并邻近所述第一层的所述第一主表面的第二层以及覆盖并邻近所述第一层的所述第二主表面的第三层中，任选地其中所述第二层邻接所述第一主表面，并且所述第三层邻接所述第二主表面。
9.一种制备根据权利要求1所述的(共)聚合物基质复合材料的方法，所述方法包括：
将热塑性(共)聚合物、溶剂、多个导热颗粒和多个磁性颗粒组合以提供浆液；
使所述浆液成形为制品；
在环境中加热所述制品以在所述制品中保留基于所述制品中所述溶剂的重量计至少90重量％的所述溶剂，并且溶解基于所述热塑性(共)聚合物的总重量计至少50重量％的所述热塑性(共)聚合物；以及
诱导所述热塑性(共)聚合物与所述溶剂相分离以提供所述(共)聚合物基质复合材料。
10.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括在诱导所述热塑性(共)聚合物与所述溶剂相分离之后，从成形制品中去除所述溶剂的至少一部分。
11.根据权利要求10所述的方法，其中未从所述成形制品中去除溶剂。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述浆液中的所述(共)聚合物具有熔点，其中所述溶剂具有沸点，并且其中组合在低于所述浆液中的所述(共)聚合物的所述熔点下并且在低于所述溶剂的所述沸点下进行。
13.根据权利要求9所述的方法，其中所述浆液中的所述(共)聚合物具有熔点，并且其中诱导相分离在低于所述浆液中的所述(共)聚合物的所述熔点下进行。
14.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括通过施加压缩力，并且任选地在施加所述压缩力的同时向(共)聚合物基质复合材料施加振动能量来压缩所述(共)聚合物基质复合材料。
15.一种制备根据权利要求1所述的(共)聚合物基质复合材料的方法，所述方法包括：
将热塑性(共)聚合物、用于所述热塑性(共)聚合物的溶剂、多个导热颗粒和多个磁性颗粒组合以在可混溶的热塑性(共)聚合物-溶剂溶液中形成磁性颗粒的悬浮液；
诱导所述热塑性(共)聚合物与所述溶剂相分离；以及
去除所述溶剂的至少一部分以提供所述(共)聚合物基质复合材料。
16.根据权利要求15所述的方法，其中诱导相分离包括热诱导相分离或溶剂诱导相分离中的至少一者。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述可混溶的热塑性(共)聚合物-溶剂溶液中的所述(共)聚合物具有熔点，其中所述溶剂具有沸点，并且其中组合在高于所述可混溶的热塑性(共)聚合物-溶剂溶液的所述熔点下并且在低于所述溶剂的所述沸点下进行。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述可混溶的热塑性(共)聚合物-溶剂溶液中的所述(共)聚合物具有熔点，并且其中诱导相分离在低于所述可混溶的热塑性(共)聚合物-溶剂溶液中的所述(共)聚合物的所述熔点下进行。
19.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括通过施加压缩力，并且任选地在施加所述压缩力的同时向(共)聚合物基质复合材料施加振动能量来压缩所述(共)聚合物基质复合材料。
20.一种制品，所述制品包含根据权利要求1所述的(共)聚合物基质复合材料，任选地其中所述制品为电子装置。
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