CN115197454B - 一种辐射状微结构热复合材料的制备方法、装置和产品 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高分子复合材料相关技术领域，并公开了一种辐射状微结构热复合材料的制备方法、装置和产品。该方法包括：S1将导热填料与表面活性剂和去离子水混合均匀，形成导热填料分散液；S2将导热填料分散液进行抽滤，待导热填料完全沉降在滤膜上后，在导热填料中添加高分子水溶液固定导热填料之间的相对位置，抽离去离子水，从而在滤膜上形成预设排列形状的导热填料沉积体；S3将导热填料沉积体冷冻降温，使得其中残留的水分凝固成固体，持续冷冻干燥，直至沉积体中的残留水分完全升华；S4将热固性聚合物注入沉积体中，升温固化，以此获得预设排列形状的热复合材料。通过本发明，解决热复合材料中无法调控导热填料局部取向的问题。

Description

一种辐射状微结构热复合材料的制备方法、装置和产品
技术领域
本发明属于高分子复合材料相关技术领域，更具体地，涉及一种辐射状微结构热复合材料的制备方法、装置和产品。
背景技术
电子器件高性能化、集成化、微型化的发展使得电子器件热流密度急剧升高，一些特殊用途电子器件(如雷达、激光器)的功率甚至超过了1KW/cm2。这些器件内部的热量如果无法及时耗散，将造成处理器频率下降、可靠性降低甚至器件失效等问题，因此电子器件的散热成为了未来电子产品发展的主要瓶颈。在电子器件散热系统中，热界面材料负责连接芯片与热沉，是热量运输的桥梁，因此高导热、高可靠性的热界面复合材料至关重要。
复合材料因其优异的绝缘性、柔韧性和耐久性常被用于热学、机械学、生物化学、食品科学等领域。在热管理领域，当复合材料被用作热界面材料常受限于其较低的导热系数，因此工业界与学术界常通过添加高导热颗粒提高复合材料导热系数。目前，提高聚合物复合材料热性能的常用策略是将导热填料与聚合物直接共混，或通过电力、磁力和剪切力对聚合物内部导热填料的微观结构进行调控，形成垂直和水平取向的结构或三维网络结构，显著提高了复合材料在特定方向上的热性能。然而下一代5G设备和军事通信的发展给热复合材料带来了新的挑战，除了功率密度显著提高之外，现代芯片中的局部功能区域存在“热点”——局部温度明显高于芯片平均温度，热量的局部积聚也将导致核心芯片快速老化甚至失效，芯片热量的空间分布在热管理中不可忽视。因此，需要利用导热填料构建特殊的微结构，构建针对热点的区域级热通道，将热量精准、快速、高效的从热点传输出来，随后传输到散热器最终散发到环境中。
然而目前调控复合材料内导热填料取向的方法无法控制导热填料的局部取向，所制备的样品内部导热填料取向单一，无法针对热点制备区域级的高效热通道。因此，需要开发一种能够调控导热填料局部取向的热复合材料制备方法。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种辐射状微结构热复合材料的制备方法、装置和产品，解决热复合材料中无法调控导热填料局部取向的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种辐射状微结构热复合材料的制备方法，该方法包括下列步骤：
S1将导热填料与表面活性剂和去离子水混合均匀，以此形成导热填料分散液；
S2将所述导热填料分散液进行抽滤，待所述导热填料完全沉降在滤膜上后，在所述导热填料中添加高分子水溶液固定所述导热填料之间的相对位置，抽离去离子水，从而在滤膜上形成预设排列形状的导热填料沉积体；
S3将步骤S2中的滤膜和该滤膜上的导热填料沉积体冷冻降温，使得其中残留的水分凝固成固体，持续冷冻干燥，直至所述沉积体中的残留水分完全升华；
S4将热固性聚合物注入步骤S3中干燥后的沉积体中，反复抽真空，使得热固性聚合物填充至沉积体的间隙中，放入高温箱中升温固化，以此获得预设排列形状的热复合材料。
进一步优选地，在步骤S2中，在所述导热填料分散液进行抽滤之前，先在抽滤装置中加入一定量的去离子水，待其稳定后形成稳定的初始流场，避免滤膜上方流场在抽滤的初始时刻为紊乱的流场。
进一步优选地，在步骤S1中，所述导热填料为沥青基碳纤维、PAN基碳纤维、碳纳米管、还原氧化石墨烯和六方氮化硼中的一种或多种。
进一步优选地，在步骤S1中，所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基氯化铵、十八酸钠、十二烷基硫酸铵和2-氨基甲基磺酸钾中的一种或多种。
进一步优选地，在步骤S1中，所述导热填料与所述表面活性剂的质量比为：25:3～25:2。
进一步优选地，在步骤S2中，所述高分子水溶液为羧甲基纤维素钠水溶液、聚乙烯醇水溶液、聚乙烯吡咯烷酮水溶液中的一种。
进一步优选地，在步骤S4中，所述热固性聚合物为有机硅橡胶、聚氨酯或有机树脂中的一种或至少两种的组合。
进一步优选地，在步骤S4中，所述固化温度为80℃～100℃，固化时间为3h～5h。
按照本发明的另一个方面，提供了一种上述所述的制备方法中使用的抽滤装置，所述抽滤装置中设置有引流板，该引流板设置在所述滤膜上方，与滤膜、抽滤瓶上烧瓶共同形成抽滤定型空间，该引流板上设置有通孔，导热填料穿过该通孔沉积在所述滤膜上，其中，所述通孔的位置和大小根据导热填料所需的排列方式进行设置。
按照本发明的又一个方面，提供了一种上述所述的制备方法制备获得的热复合材料。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：
1.本发明结合了传统的抽滤方法与流体剪切力取向法，在引流抽滤过程中，抽滤瓶上烧瓶中的水在下烧瓶的负压驱动下流过滤膜，迫使导热填料沉积在滤膜上方的抽滤定型空间，与此同时，抽滤定型空间中的导热填料将在流体剪切力的驱动下沿流线取向，最终在负压与液体剪切力的共同作用下，导热填料以相似于抽滤定型空间中流场的形貌沉积在滤膜上方，解决热复合材料中无法调控导热填料局部取向的问题；
2.本发明在引流抽滤过程中，流场速度越大，导热填料沿流线取向所需时间越短，抽滤定型后导热填料取向程度越高，其在滤膜上的排列越规整，导热填料之间的缝隙越少，导热填料则沉积的更加密集，最终热复合材料的导热填料质量分数越高，导热填料更高的质量分数以及更规整的排列能够有效提高热复合材料的面内导热系数，形成更加高效的热通道；
3.本发明中可通过改变引流板中心孔径大小以及滤膜孔隙来控制分散液的过孔流速，从而控制抽滤定型空间中的流场速度，在流体驱动导热填料沿流线取向过程中，流场速度越大，流场剪切力越大，使得驱使导热填料沿流线取向的时间越短，越能提高沉积时导热填料沿流线的取向程度进而控制导热填料在抽滤定型空间中沿流线的取向程度；
4.本发明中在填料分散液抽滤完成后添加高分子水溶液是因为沉积的导热填料相互接触连接，但并未固定，导热填料之间没有较强束缚力，容易在灌胶过程中被破坏，因此在引流抽滤过程中加入高分子水溶液，高分子水溶液因其高分子长链无法穿过滤膜，将沉积在导热填料之间，在冷冻干燥后，高分子水溶液固体析出，包裹并缠绕导热填料，起到对导热填料辐射状排列微结构的固定保护作用；
5.本发明中采用预置去离子水形成稳定的流场，保证抽滤定型空间内形成稳定的初始流场，避免紊乱、不统一的初始条件造成后续流场的混乱与排列微结构的不一致性，同时对之后分散液的加入起到缓冲作用，保护抽滤定型空间内流场不被破坏；
6.本发明中选取表面活性剂，表面活性剂吸附在导热填料的表面，以此提高所述导热填料的亲水性保证导热填料充分分散在去离子水中形成分散液；
7.本发明可通过引流板的设计调控抽滤定型空间内形成特定的流场，使得导热填料以预设排列形状沉积在滤膜上方，从而实现导热填料的局部取向调控，使得所制备的热界面复合材料具有特殊的导热性能；
8.本发明获得的热复合材料，导热填料具有高导热、耐高温、耐腐蚀、高强度等特性，其中辐射状排列的导热填料在热传导中发挥主要作用，沉积的导热填料相互堆叠接触，并沿着辐射状流线相互接触连接，显著降低了热复合材料内部的界面热阻，并形成了辐射状的高速热通道，能将辐射中心热点产热迅速传输出来，辐射状排列的导热填料显著提升了热复合材料的面内导热系数。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的辐射状微结构热复合材料制备工艺流程示意图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的抽滤瓶的结构示意图；
图3是按照本发明的优选实施例所构建的抽滤过程的原理图，其中(a)是抽滤过程的去离子水与导热填料流动示意图，(b)是导热填料沉积体示意图，(c)是数值计算所得抽滤定型空间纵截面流场图，(d)是数值计算所得抽滤定型空间内A-A截面俯视流场图；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的热复合材料光学显微镜图与扫描电镜图，其中，(a)是热复合材料整体光学显微镜图，(b)是(a)中“中”对应位置的光学显微镜图，(c)是(a)中“中”对应位置的扫描电镜图，(d)是(a)中“上”对应位置的扫描电镜图，(e)是(a)中“下”对应位置的扫描电镜图，(f)是(a)中“左”对应位置的扫描电镜图，(g)是(a)中“右”对应位置的扫描电镜图；
图5是按照本发明的优选实施例所构建的羧甲基纤维素钠固体包裹缠绕导热填料的扫描电镜图，其中，(a)是表面扫面电镜图，(b)是截面扫面电镜图，图中A是导热填料，B是羧甲基纤维素钠固体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种如上所述的辐射状微结构热复合材料的制备方法包括以下步骤：
S1按一定质量比称取表面活性剂、导热填料与去离子水，并放置在磁力搅拌器上搅拌0.5～1h，以保证所述表面活性剂完全溶解并充分吸附在所述导热填料上，提高导热填料亲水性与分散性，使得所述导热填料充分分散在去离子水中形成分散液。
S2-1抽滤预处理：如图2所示，将不同孔径滤膜放置在抽滤瓶中部滤头内的砂芯上方，引流板放置在抽滤瓶上烧瓶中滤膜上方5mm处，形成抽滤定型空间。随后，向抽滤瓶上烧瓶中倒入一定量的预置去离子水以保证所述抽滤定型空间形成稳定的初始流场。
S2-2引流抽滤：将导热填料分散液匀速缓慢倒入抽滤瓶上烧瓶中并同时开启真空泵进行抽滤，待导热填料完全沉降后，匀速缓慢加入一定量的高分子水溶液并保持真空泵持续工作直至抽滤瓶上烧瓶中去离子水完全抽离至抽滤瓶下烧瓶，从而形成具有特定排列形状的导热填料沉积体。
在引流抽滤过程中，液体在抽滤瓶下烧瓶的负压作用下流过滤膜，并迫使导热填料沉积在滤膜上方。同时，抽滤定型空间中形成的扩散水流驱动导热填料沿流线取向。因此，在负压与液体剪切力的共同作用下，抽滤定型空间中的导热填料将以相似于抽滤定型空间中流场形貌沉积在滤膜上方。
S3冷冻干燥：去离子水完全抽离后，将滤膜和所述导热填料沉积体整体转移至铜块上方，并利用液氮对铜块底部降温，从而使得导热填料沉积体中残留水分凝固成固体。随后将滤膜与所述导热填料沉积体整体转移至冻干机中持续冷冻干燥12～24小时，直至沉积体残留水分完全升华。其中，冻干法很好的避免了去除水分造成的结构的破坏，因为其是直接将水分从固体变成气体，不会冲击导热填料的结构。
S4灌胶固化：待沉积体中水分完全去除后，将热固性聚合物注入沉积体中，并对沉积体反复抽真空3～5次去除其中的空气，使得热固性聚合物填充至沉积体的间隙之中。待空气完全去除后，刮去沉积体上方多余的热固性聚合物，并将沉积体放入高温箱中升温固化，以获得导热填料具有特定排列形状的热复合材料。
步骤S1中的表面活性剂与导热填料相互匹配，利用表面活性剂改善导热填料的亲水性及其在去离子水中的分散性，进一步优选地，导热填料为沥青基碳纤维，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵，进一步优选地，表面活性剂、沥青基碳纤维、去离子水之间的质量比为2:25:10000～3:25:10000。
步骤S2-1中的引流板放置在滤膜上方5mm处，与滤膜、抽滤瓶上烧瓶共同围成抽滤定型空间。
步骤S2-1中的引流板具有特殊的孔道，能够引导导热填料分散液流动穿过孔道，在所述的抽滤定型空间形成特定的流场。进一步优选地，引流板中心具有不同孔径大小的通孔，能够引导分散液在抽滤定型空间形成中心辐射状的流场；可通过控制孔径大小控制分散液的过孔流速，引流板中心孔直径为3～9mm，从而控制流场速度。
可通过引流板的设计来控制抽滤定型空间中形成特定的流场，从而使得导热填料以特定形貌沉积在滤膜上方。本发明优选实施例中，引流板中心具有不同孔径大小的通孔，抽滤瓶上烧瓶中液体在下方负压下持续流过滤膜进入抽滤瓶下烧瓶，因此，抽滤瓶上烧瓶中引流板上方液体持续由中心孔进入抽滤定型空间，随后流入抽滤瓶下烧瓶。在该流动过程中，液体经历由小孔到抽滤定型空间的截面变化过程，液体从小孔扩散进入抽滤定型空间从而形成扩散流，该流线呈辐射状，从而驱使导热填料以辐射状排列沉积。
步骤S2-1中在抽滤瓶上烧瓶预置一定量去离子水用以在抽滤定型空间形成稳定的初始流场。
步骤S2-1中的滤膜孔隙为0.22um～5um，可通过控制滤膜孔隙控制整体引流抽滤的速度，从而控制分散液的过孔流速，从而控制流场速度。
步骤S2-2中，导热填料分散液与高分子水溶液匀速缓慢加入抽滤瓶上烧瓶中以避免对已沉积的导热填料排列产生影响，同时避免破坏抽滤定型空间中的流场。
步骤S2-2中，高分子水溶液为羧甲基纤维素钠水溶液。
步骤S3中采用冷冻干燥法除去沉积体中残留的水分，使得高分子水溶液析出成固体。
步骤S3中采用金属块传递液氮的冷量，使得沉积体中的水分冷冻成固体，进一步优选地，采用铜块传递冷量。
步骤S4中，热固性聚合物选自环氧树脂、有机硅橡胶、聚氨酯或有机树脂中的任意一种或至少两种的组合，进一步优先为有机硅橡胶，进一步优选为PDMS。高分子基体的选择主要基于其化学稳定性和机械性能两方面的考虑。本发明中所选择的高分子基体的材质为热固性聚合物，具有韧性高，机械强度高，加工性能好，耐久性好等机械性能，且化学性质稳定，耐腐蚀，耐高温等优点，能与导热填料沉积体相互配合形成性能优异的热复合材料。本发明在优选方案中进一步筛选了PDMS，PDMS具有耐热性，耐寒性，化学稳定性好，弹性优异等特点，能够满足热复合材料对于高分子基体的性能要求。
步骤S4中反复抽真空过程需执行3～5次，每次10分钟确保热固性聚合物内部空气的完全除尽；固化温度选择80℃～100℃，固化时间为3～5小时，确保高分子基体的完全固化。
在流体驱动导热填料沿流线取向过程中，流场速度越大，流场剪切力越大，使得驱使导热填料沿流线取向的时间越短，越能提高沉积时导热填料沿流线的取向程度。因此，可通过改变引流板中心孔径大小以及滤膜孔隙来控制分散液的过孔流速，从而控制抽滤定型空间中的流场速度，进而控制导热填料在抽滤定型空间中沿流线的取向程度。在本发明中，导热填料被设计为中心辐射状排列，因此能够对芯片热点产热起到快速扩散作用。
利用上述制备方法制备的热复合材料包括辐射状排列并相互接触的导热填料沉积体和填充并包覆所述沉积体的高分子基体；辐射状沉积体在流场驱动的抽滤中产生，并该沉积体微结构可通过引流板的设计形成特定形状。
在热复合材料中，导热填料具有高导热、耐高温、耐腐蚀、高强度等特性，辐射状排列的导热填料在热传导中发挥主要作用。辐射状排列的导热填料不仅显著提升了热复合材料的面内导热系数，同时针对于热点问题，该辐射状排列迅速将辐射中心的热点产热传输出来，随后传递至热沉。
在引流抽滤过程中，流场速度越大，导热填料沿流线取向所需时间越短，抽滤定型后导热填料取向程度越高。导热填料取向程度越高，其在滤膜上的排列越规整，导热填料之间的缝隙越少，导热填料则沉积的更加密集，最终热复合材料的导热填料质量分数越高。导热填料更高的质量分数以及更规整的排列能够有效提高热复合材料的面内导热系数，形成更加高效的热通道。
热复合材料的总质量以100％计，导热填料的质量分数为35％～60％。
热复合材料内导热填料以辐射状形貌排列，所述热复合材料面内导热系数范围为：10W/(m·K)～36W/(m·K)。
本发明提供的热复合材料可通过对引流板设计对其内部导热填料进行任意调控，所制备的热复合材料具有特殊的导热性能，能够适应特定场合的应用，因此该方法适用性广，可调控性强，是一种具有大规模工业化生产前景的新型热复合材料，可广泛适用于具有特殊热点问题的电子器件散热领域。
如图3所示，是按照本发明的优选实施例所构建的抽滤过程的原理图。图3中的(a)展示了抽滤过程中去离子水与导热填料流动示意图，去离子水携带导热填料从引流板上方透过孔道，以扩散水流的形式流进抽滤定型空间，最终驱导热填料以辐射状排列微结构沉积在滤膜上；图3中的(b)是导热填料沉积体示意图，图3中的(c)是抽滤过程数值计算中，抽滤定型空间纵截面流场图，图3中的(d)是抽滤过程数值计算中，抽滤定型空间内A-A截面俯视流场分布图；流体在穿过引流板孔道后以扩散水流形式流动，最终在滤膜上方形成辐射状流场，驱动填料颗粒以辐射状结构排列。
图4中(a)～(g)可以明显观察到所制备的实施例中的填料颗粒以辐射状结构排列，上下左右对应的位置的填料颗粒均指向辐射中心排列。
图5是按照本发明的优选实施例所构建的羧甲基纤维素钠固体包裹缠绕导热填料的扫描电镜图，其中A是所述导热填料，B是所述羧甲基纤维素钠固体，羧甲基纤维素钠固体充分分布在导热填料之间并包裹缠绕导热填料，对导热填料之间的相对位置起到固定作用，保证其在灌胶固化过程中不被破坏。
下面将结合具体实施例进一步说明本发明。
实施例1
本实施例提供一种热复合材料，具体制备方法包括以下步骤：
S1(表面处理)：称量0.025g十六烷基三甲基溴化铵、0.25g沥青基碳纤维与100ml去离子水，并放置在磁力搅拌器上搅拌0.5h，以保证所述表面活性剂完全溶解并充分吸附在所述导热填料上，提高导热填料亲水性与分散性，使得所述导热填料充分分散在去离子水中形成分散液。
S2-1(抽滤预处理)：将0.22um孔隙滤膜放置在抽滤瓶中部滤头内的砂芯上方，将具有直径5mm中心孔的引流板放置在抽滤瓶上烧瓶中滤膜上方5mm处，形成抽滤定型空间。随后，向抽滤瓶上烧瓶中倒入200ml预置去离子水以保证所述抽滤定型空间稳定的初始流场。
S2-2(引流抽滤)：将导热填料分散液匀速缓慢加入抽滤瓶上烧瓶中并同时开启真空泵进行抽滤，待导热填料完全沉降后，匀速缓慢加入15ml质量分数为2％的羧甲基纤维素钠水溶液并保持真空泵持续工作直至抽滤瓶上烧瓶中去离子水完全抽离至抽滤瓶下烧瓶，从而形成具有辐射状排列的导热填料沉积体。
S3(冷冻干燥)：去离子水完全抽离后，将滤膜和所述导热填料沉积体整体转移至铜块上方，并利用液氮对铜块底部降温，从而使得导热填料沉积体中残留水分凝固成固体。随后将滤膜与所述导热填料沉积体整体转移至冻干机中持续冷冻干燥12小时，直至沉积体残留水分完全升华。
S4(灌胶固化)：待沉积体中水分完全去除后，将热固性聚合物PDMS注入沉积体中，并对所述沉积体反复抽真空4次，每次10分钟，去除其中的空气，使得PDMS填充至沉积体的间隙之中。待空气完全去除后，刮去沉积体上方多余的热固性聚合物，并将所述沉积体放入100℃高温箱中固化3小时，以此获得具有辐射状排列的导热填料的热复合材料
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，步骤S2中的引流板中心孔直径为7mm，固化温度为90℃，固化时间为4小时。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于，步骤S2中的引流板中心孔直径为7mm，滤膜孔隙为0.45um。
如图4所示是本实施例中沉积体的光学图像以及所对应的位置的扫描电镜图像。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于，步骤S2中的引流板中心孔直径为7mm，滤膜孔隙为0.8um，固化温度为90℃，固化时间为4小时。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于，步骤S2中的引流板中心孔直径为9mm，固化温度85℃，固化时间为4.5小时。
实施例6
本实施例与实施例1的区别在于，步骤S2中的引流板中心孔直径为9mm，滤膜孔隙为0.45um，固化温度为95℃，固化时间为4小时。
实施例7
本实施例与实施例1的区别在于，步骤S2中的引流板中心孔直径为9mm，滤膜孔隙为0.8um。
实施例8
本实施例与实施例1的区别在于，步骤S2中的引流板中心孔直径为7mm，滤膜孔隙为5um。
实施例9
本实施例与实施例1的区别在于，导热填料为PAN基碳纤维，表面活性剂为十八酸钠，二者的质量分别为0.25g、0.02g，步骤S2中的引流板中心孔直径为7mm，滤膜孔隙为0.45um，步骤S4中的热固性聚合物为环氧树脂，固化温度为90℃，固化时间为5小时。
实施例10
本实施例与实施例1的区别在于，导热填料为六方氮化硼，表面活性剂为十二烷基硫酸铵，二者的质量分别为0.25g、0.03g，步骤S2中的引流板中心孔直径为7mm，滤膜孔隙为0.8um，固化温度为90℃，固化时间为4小时。
实施例11
本实施例与实施例1的区别在于，导热填料为还原氧化石墨烯，表面活性剂为2-氨基甲基磺酸钾，二者的质量分别为0.25g、0.025g，步骤S2中的引流板中心孔直径为9mm，滤膜孔隙为0.22um，固化温度为80℃，固化时间为5小时。
实施例12
本实施例与实施例1的区别在于，导热填料为碳纳米管，表面活性剂为十二烷基三甲基溴化铵，二者的质量分别为0.25g、0.025g，步骤S2中的引流板中心孔直径为7mm，滤膜孔隙为0.22um，步骤S4中热固性聚合物为有机树脂，固化温度为95℃，固化时间为4小时。
对比例1
本对比例提供一种热复合材料，具体制备方法包括以下步骤：
S1(表面处理)：称量0.025g十六烷基三甲基溴化铵、0.25g沥青基碳纤维与100ml去离子水，并放置在磁力搅拌器上搅拌0.5h，以保证所述表面活性剂完全溶解并充分吸附在所述导热填料上，提高导热填料亲水性与分散性，使得所述导热填料充分分散在去离子水中形成分散液。
S2-1(抽滤预处理)：将0.45um孔隙滤膜放置在抽滤瓶中部滤头内的砂芯上方，向抽滤瓶上烧瓶中倒入200ml预置去离子水以保证所述抽滤定型空间稳定的初始流场。
S2-2(抽滤)：将导热填料分散液匀速缓慢加入抽滤瓶上烧瓶中并同时开启真空泵进行抽滤，待导热填料完全沉降后，匀速缓慢加入15ml质量分数为2％的羧甲基纤维素钠水溶液并保持真空泵持续工作直至抽滤瓶上烧瓶中去离子水完全抽离至抽滤瓶下烧瓶，从而形成具有随机排列的导热填料沉积体。
S3(冷冻干燥)：去离子水完全抽离后，将滤膜和所述导热填料沉积体整体转移至铜块上方，并利用液氮对铜块底部降温，从而使得导热填料沉积体中残留水分凝固成固体。随后将滤膜与所述导热填料沉积体整体转移至冻干机中持续冷冻干燥12小时，直至沉积体残留水分完全升华。
S4(灌胶固化)：待沉积体中水分完全去除后，将热固性聚合物PDMS注入沉积体中，并对所述沉积体反复抽真空4次，每次10分钟，去除其中的空气，使得PDMS填充至沉积体的间隙之中。待空气完全去除后，刮去沉积体上方多余的热固性聚合物，并将所述沉积体放入100℃高温箱中固化4小时，以此获得具有特定排列导热填料的热复合材料。
对比例2
本对比例提供一种纯PDMS，具体制备方法包括以下步骤：
S1(灌胶固化)：将热固性聚合物PDMS注入模具中，并反复抽真空4次，每次10分钟，去除其中空气。待空气完全去除后，将模具放入100℃高温箱中固化3小时。
性能测试方法：本发明所述热复合材料的性能测试参考现有技术进行。导热系数等于密度，比热容和热扩散系数三者的乘积。密度通过密度进行性测量，比热容通过差式扫描热量仪DSC进行测量，热扩散系数通过LFA467激光导热测量仪进行测量。最后通过计算三者的乘积计算得导热系数。
表一
Figure GDA0004200828200000141
Figure GDA0004200828200000151
热复合材料的面内导热系数受样品取向度、质量分数、完整度、均匀度等各方面的影响。从表一可以的数据可以看出，实施例相对于同等或相近条件下的对比例展现了优异的导热性能，面内导热系数最高为35.46W/(m·K)，相较于对应的纯PDMS提高了236倍。相较于传统的抽滤(对比例1)，流场驱动的引流抽滤能够显著提高导热填料的取向度，提升导热填料的填充质量，从而显著提升热复合材料的导热性能。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种辐射状微结构热复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
S1 将导热填料与表面活性剂和去离子水混合均匀，以此形成导热填料分散液；
S2 将所述导热填料分散液进行抽滤，待所述导热填料完全沉降在滤膜上后，在所述导热填料中添加高分子水溶液固定所述导热填料之间的相对位置，抽离去离子水，从而在滤膜上形成预设排列形状的导热填料沉积体；所述滤膜上方设置有引流板，引流板中心具有不同孔径大小的通孔，引导所述分散液在抽滤定型空间形成中心辐射状的流场；
S3将步骤S2中的滤膜和该滤膜上的导热填料沉积体冷冻降温，使得其中残留的水分凝固成固体，持续冷冻干燥，直至所述沉积体中的残留水分完全升华；
S4 将热固性聚合物注入步骤S3中干燥后的沉积体中，反复抽真空，使得热固性聚合物填充至沉积体的间隙中，放入高温箱中升温固化，以此获得预设排列形状的热复合材料。
2.如权利要求1所述的一种辐射状微结构热复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，在所述导热填料分散液进行抽滤之前，先在抽滤装置中加入去离子水，待其稳定后形成稳定的初始流场，避免滤膜上方流场在抽滤的初始时刻为紊乱的流场。
3.如权利要求1或2所述的一种辐射状微结构热复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述导热填料为沥青基碳纤维、PAN基碳纤维、碳纳米管、还原氧化石墨烯和六方氮化硼中的一种或多种。
4.如权利要求2所述的一种辐射状微结构热复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基氯化铵、十八酸钠、十二烷基硫酸铵和2-氨基甲基磺酸钾中的一种或多种。
5.如权利要求3所述的一种辐射状微结构热复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述导热填料与所述表面活性剂的质量比为：25:3~25:2。
6.如权利要求1或2所述的一种辐射状微结构热复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述高分子水溶液为羧甲基纤维素钠水溶液、聚乙烯醇水溶液、聚乙烯吡咯烷酮水溶液中的一种。
7.如权利要求1所述的一种辐射状微结构热复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，所述热固性聚合物为环氧树脂、有机硅橡胶或聚氨酯中的一种或至少两种的组合。
8.如权利要求6所述的一种辐射状微结构热复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，所述固化温度为80℃～100℃，固化时间为3h～5h。
9.一种利用权利要求1-8任一项所述的制备方法制备获得的热复合材料。
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