CN114672135A - 一种拉伸诱导的轻质定向高导热材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种拉伸诱导的轻质定向高导热材料，包括导热填料、碳骨架和高分子基体，其中，导热填料取向分布于高分子基体内，且通过碳骨架形成三维导热网络结构。该高导热材料轻量化，高导热，热稳定性较好。本发明还公开了拉伸诱导的轻质定向高导热材料的制备方法，包括将碳骨架前驱体与导热填料进行共混得到混合物，拉伸混合物使得导热填料取向排布得到拉伸混合物；将拉伸混合物干燥后石墨化得到具有导热网络混合物，采用抽真空的方法，向具有导热网络混合物中加入高分子基体或高分子单体与引发剂体系的混合物，得到拉伸诱导的轻质定向高导热材料。该制备方法简单、高效。

Description

一种拉伸诱导的轻质定向高导热材料及其制备方法
技术领域
本发明属于导热材料领域，具体涉及一种拉伸诱导的轻质定向高导热材料及其制备方法。
背景技术
真空中由于没有空气流动，对电子器件散热提出了比在地球环境更高的要求，而随着航天设备器件的集成化越来越高，航天电子设备散热的重要性也越发为人们所认识。
目前所需要的导热系数指标为100W m-1K-1以上，通常传统散热材料通常选用金属复合材料，如专利号为CN105702641的中国专利公开了空间飞行器可变大功率器件散热装置，解决了现有技术中空间飞行器器件的散热方法单一、补偿加热功耗大的问题。本发明的散热装置，主要包括安装板、隔热垫、相变盒、热管热端、多层隔热组件、热管中间段和热管冷端；其中，隔热垫设定在安装板和器件之间，相变盒由主体和密封盖组成，主体的内表面固定在器件的外表面上，主体的外表面设有交错的肋板，密封盖密封固定在主体的外表面上，主体和密封盖之间填充有相变材料，热管热端固定在密封盖的表面上，热管冷端固定到散热面上或需要热量的位置。该散热装置不用开设很大的散热面，无需补偿热量，能源节省率能够达到90％以上，且能实现余热利用和精确温控。
公开号为CN100464904C的中国专利公布了一种制备Al/AlN电子封装材料的方法，属于电子封装技术领域。工艺步骤为：使用凝胶注模成形或注射成形制备Mg粉与Al粉的混合粉末或镁铝合金粉末坯体；坯体在温度为100℃～500℃和非氧化气氛下排除有机物；使上一步得到的坯体在温度为在600℃～900℃，氮气分压为1kPa～10MPa的气氛中烧结30分钟～120小时。优点在于，最终得到Al/AlN复合电子封装材料，该材料的N的质量分数量为3％～30％。同时，制备的Al/AlN复合材料的热导率在100W/m·K以上，满足了电子产品散热的需求。实现了低成本的制造高热导低热膨胀的电子封装材料。
上述专利中所使用的铝制散热封盖进行散热。但在应用中，由于航天器件对重量的限制，以及太空环境中剧烈的冷热交替，行业内期望能够制备更为轻质，同时有较好热稳定性和较高导热性能的新型材料。
因此亟需设计一种具有轻量化，高导热，热稳定性好的导热材料。
发明内容
本发明提供了一种拉伸诱导的轻质定向高导热材料，该材料具有轻量化，高导热，热稳定性较好。
一种拉伸诱导的轻质定向高导热材料，包括导热填料、碳骨架和高分子基体，其中，导热填料取向分布于高分子基体内，且通过碳骨架形成三维导热网络结构。
所述导热填料的取向情况为在5度夹角内占比85～95％。
本发明利用定向分布的导热填料和碳骨架使得制备的材料具有较高的导热性，且制备的材料具有较低的密度，具有轻量化的特点。
所述导热填料为碳纤维粉末、碳纳米管、氮化硼、鳞片石墨粉或石墨烯中的至少一种。
所述导热填料的粒径为0.5～500μm。
所述高分子基体为环氧树脂、硅凝胶、丙烯酸橡胶、丙烯酸酯共聚树脂、乙烯-醋酸乙烯共聚树脂、聚氨酯橡胶、聚乙烯基醚树脂中的至少一种。
所述碳骨架通过碳骨架前驱体经过石墨化后形成。所述碳骨架前驱体为面团或面筋。
所述拉伸诱导的轻质定向高导热材料还包括表面改性剂、流变改性剂或抗氧剂中的一种或多种。
所述表面改性剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、硬脂酸中的至少一种。所述表面改性剂的含量为0.05～0.5wt％。
所述流变改性剂为乙酸乙酯、甲苯、乙苯、丙酮、乙醇、异丙醇、烷烃类溶剂中的至少一种。所述流变改性剂的含量为1～5wt％。
所述抗氧剂为受阻酚类抗氧剂、受阻胺类抗氧剂、硫代酯、亚磷酸酯中的至少一种。所述抗氧剂的含量为0.05～1wt％。
所述拉伸诱导的轻质定向高导热材料的导热系数为60～120W m-1K-1，密度为1.1～1.7g cm-3。
进一步的，当所述导热填料为碳纤维粉末时，所述拉伸诱导的轻质定向高导热材料的导热系数为100～120W m-1K-1，密度为1.1～1.6g cm-3。
进一步的，当所述导热填料为氮化硼粉末时，所述拉伸诱导的轻质定向高导热材料的导热系数为60～100W m-1K-1，密度为1.2～1.7g cm-3。
进一步的，当所述导热填料为鳞片石墨粉末时，所述拉伸诱导的轻质定向高导热材料的导热系数为80～120W m-1K-1，密度为1.2～1.6g cm-3。
本发明还提供了一种拉伸诱导的轻质定向高导热材料的制备方法，包括：
(1)将碳骨架前驱体与导热填料进行共混得到混合物，拉伸5～30次所述混合物得到拉伸混合物，所述拉伸混合物中的导热填料取向排布，其中，碳骨架前驱体的伸长率为3200～1011％，所述导热填料的取向情况为在5度夹角内占比85～95％；
(2)将所述拉伸混合物干燥后石墨化得到具有导热网络混合物，采用抽真空的方法，向所述具有导热网络混合物中加入高分子基体或高分子单体与引发剂体系的混合物，得到拉伸诱导的轻质定向高导热材料。
本发明提供的碳骨架前驱体具有较高的伸长率，通过多次拉伸手段使得导热填料能够取向分布到碳骨架中，碳骨架前驱体不但具有使得导热填料取向排布的作用，还具有支撑导热填料的作用；通过干燥将拉伸混合物的水分去掉后再石墨化能够防止碳骨架前驱体蓬松后扰乱导热填料的取向排列。
对所述拉伸混合物干燥前先进行冷冻，冷冻温度为-140～-196℃。使得水分能够快去除，并防止在高温碳化下发生孔隙膨胀现象
所述碳骨架前驱体与导热填料的质量比为1:1～1:2。
所述高分子基体与导热填料的质量比为1:1～1:4。
所述引发剂体系为表面改性剂、流变改性剂或抗氧剂中一种或多种。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明利用具有取向的导热填料和碳骨架使得制备的材料具有较高的导热系数和较低的密度，导热系数为60～120W m-1K-1，密度为1.1––1.7g cm-3，密度远低于铜，铝等常见散热用金属材料。
(2)该发明所提供的方法普适性好，通过切换不同的各向异性导热填料，可获得不同性能的导热复合材料。经验证，碳纤维粉末，氮化硼粉末，鳞片石墨都可以作为导热填料，通过该方法加工成导热材料。
(3)本发明将碳骨架前驱体和导热填料共混合后，拉伸碳骨架前驱体使得导热填料能够较好的取向排布，从而具有较好的导热效果，制备方法简单、高效。
附图说明
图1为实施例1制备的一种拉伸诱导的轻质定向高导热材料的SEM图；
图2为实施例1制备的一种拉伸诱导的轻质定向高导热材料的micro-CT图。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
如无特别说明，本申请的实施例中的原料均通过商业途径购买，
导热系数的测试方法为：利用激光导热仪，按照标准ASTM E1461标准进行测试。
实施例1
原料：高筋面粉7g，水8.4g，碳纤维7g，环氧单体10g，固化剂9.5g，0.1g抗氧剂1010。
首先，将高筋面粉7g，水8.4g，碳纤维7g混合均匀使混合物有一定粘性。反复拉伸后放入液氮进行冷冻，在冻干机中进行冷冻干燥。将混合物放入管式炉，在真空下1000℃保持2h，将面粉预石墨化。在此之后，将混合物放入石墨化炉，2800℃石墨化4h，得到由石墨骨架和碳纤维构成的导热网络，如图1和2所示，导热填料之间的角度在5°以内的占比约为95％。
将10g环氧单体、9.5g固化剂与0.1g抗氧剂1010混合并搅拌均匀。将制备得到的导热网络浸入环氧前体中，在70℃下保持真空，知道环氧液体表面不再有气泡冒出。将整个体系在常压135℃下保持2h，预固化，之后升温到165℃进行固化。
经测定，该方法得到的导热复合材料，在高导热方向的导热系数随拉伸程度而提高。导热系数和密度记录在表1中。
实施例2
原料：高筋面粉7g，水8.4g，氮化硼7g，环氧单体10g，固化剂9.5g，硬脂酸0.1g。
首先，将高筋面粉7g，水8.4g，氮化硼7g混合均匀使混合物有一定粘性。反复拉伸后放入液氮进行冷冻，在冻干机中进行冷冻干燥。将混合物放入管式炉，在真空下1000℃保持2h，将面粉预石墨化。在此之后，将混合物放入石墨化炉，2800℃石墨化4h，得到由石墨骨架和碳纤维构成的导热网络。
将10g环氧单体、9.5g固化剂与0.1g硬脂酸混合并搅拌均匀。将制备得到的导热网络浸入环氧前体中，在70℃下保持真空，知道环氧液体表面不再有气泡冒出。将整个体系在常压135℃下保持2h，预固化，之后升温到165℃进行固化。
经测定，该方法得到的导热复合材料，在高导热方向的导热系数随拉伸程度而提高。导热系数和密度记录在表1中。
对比例1
原料：高筋面粉7g，水8.4g，氮化硼7g，环氧单体10g，固化剂9.5g。
首先，将高筋面粉7g，水8.4g，氮化硼7g混合均匀使混合物有一定粘性。不进行拉伸，直接将样品放入液氮进行冷冻，在冻干机中进行冷冻干燥。将混合物放入管式炉，在真空下1000℃保持2h，将面粉预石墨化。在此之后，将混合物放入石墨化炉，2800℃石墨化4h，得到由石墨骨架和碳纤维构成的导热网络。
将10g环氧单体与9.5g固化剂混合并搅拌均匀。将制备得到的导热网络浸入环氧前体中，在70℃下保持真空，知道环氧液体表面不再有气泡冒出。将整个体系在常压135℃下保持2h，预固化，之后升温到165℃进行固化。
表1为实施例1、2与对比例1的导热系数和密度
Figure BDA0003569870030000051
Figure BDA0003569870030000061
本申请提出了一种制备轻量定向高导热材料的方法。通过拉伸介质，可以带动其中的填料进行取向，进而将介质碳化构成链接导热填料的碳骨架。相比于之前的方法，该方法可以在低密度的情况下，实现金属级导热。最终的导热系数最高可达110W m-1K-1而密度仅有1.4g cm-3左右。相比与之前的研究，有较大提升，有望应用于电子散热领域。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围。

Claims (10)

1.一种拉伸诱导的轻质定向高导热材料，其特征在于，包括导热填料、碳骨架和高分子基体，其中，导热填料取向分布于高分子基体内，且通过碳骨架形成三维导热网络结构。
2.根据权利要求1所述的拉伸诱导的轻质定向高导热材料，其特征在于，所述导热填料的取向为在5度夹角内占比85-95％。
3.根据权利要求1所述的拉伸诱导的轻质定向高导热材料，其特征在于，所述导热填料为碳纤维粉末、碳纳米管、氮化硼、鳞片石墨粉或石墨烯中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的拉伸诱导的轻质定向高导热材料，其特征在于，所述导热填料的粒径为0.5～500μm。
5.根据权利要求1所述的拉伸诱导的轻质定向高导热材料，其特征在于，所述高分子基体为环氧树脂、硅凝胶、丙烯酸橡胶、丙烯酸酯共聚树脂、乙烯-醋酸乙烯共聚树脂、聚氨酯橡胶、聚乙烯基醚树脂中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的拉伸诱导的轻质定向高导热材料，其特征在于，所述碳骨架通过碳骨架前驱体经过石墨化后形成，所述碳骨架前驱体为面团或面筋。
7.根据权利要求1所述的拉伸诱导的轻质定向高导热材料，其特征在于，所述拉伸诱导的轻质定向高导热材料还包括表面改性剂、流变改性剂或抗氧剂中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的拉伸诱导的轻质定向高导热材料，其特征在于，所述拉伸诱导的轻质定向高导热材料的导热系数为60～120W m-1K-1，密度为1.1～1.7g cm-3。
9.根据权利要求1-8任一项所述的拉伸诱导的轻质定向高导热材料的制备方法，其特征在于，包括：
(1)将碳骨架前驱体与导热填料进行共混得到混合物，拉伸5～30次所述混合物得到拉伸混合物，所述拉伸混合物中的导热填料取向排布，其中，碳骨架前驱体的伸长率为3200％～1011％，所述导热填料的取向为在5度夹角内占比85～95％；
(2)将所述拉伸混合物干燥后石墨化得到具有导热网络混合物，采用抽真空的方法，向所述具有导热网络混合物中加入高分子基体或高分子单体与引发剂体系的混合物，得到拉伸诱导的轻质定向高导热材料。
10.根据权利要求9所述的拉伸诱导的轻质定向高导热材料的制备方法，其特征在于，所述碳骨架前驱体与导热填料的质量比为1:1～1:2，所述高分子基体与导热填料的质量比为1:1～4:1。
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