CN115404001B - 高发射率高热导率耐腐蚀薄膜及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高发射率高热导率耐腐蚀薄膜及其制备方法和应用，本发明采用具有高热导率的六方氮化硼作为填料，与石墨烯复合可以通过声子谱匹配构建高效“桥连”导热网络，提升涂层热导率。同时由于石墨烯易团聚的特性，不利于氮化硼和石墨烯形成均匀且分散度较好的溶液，在混合液中加入具有共轭结构的分散剂和亚氧化钛有效解决该问题。并且，亚氧化钛的高辐射率和硬度对于散热薄膜的硬度具有显著提升,从而获得耐腐蚀性能好，硬度高，且散热效率高的散热薄膜，兼具散热和防腐双重作用，可以适用电子产品散热，如涂覆在大功率绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块在散热外壳上，大幅度降低了IGBT模块在电子设备领域的使用能耗，节约能源。

Description

高发射率高热导率耐腐蚀薄膜及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及散热技术领域，特别涉及一种应用于散热壳的高发射率高热导率耐腐蚀薄膜及其制备方法。
背景技术
高功率绝缘栅双极晶体管(IGBT)是电压驱动式功率半导体器件，在国家16个重大技术突破专项中位居第二位，广泛运用于轨道交通、航空航天、新能源等领域，被称为电力电子装置的“CPU”。IGBT模块由于高效节能和绿色环保等特点，是解决当前最为突出的能源短缺问题和降低碳排放的关键支撑技术，但是，在实际应用中，由于高温引起的能耗和断电保护等问题亟待解决。
在热传递的三种方式：热传导、热对流和热辐射中，热传导和热辐射由于效果较好，而且，二者通常可以兼具，是目前传热研究主要方向。其中，散热涂层由于具有实施方法简便易行，性价比高，对基底材料无要求，还可以作为腐蚀防护层等优点，已成为该类研究的热点。
石墨烯因量子化的晶格振动与分立的能级特征使其在全红外波段具有接近理论黑体红外发射率，是公认的制备高发射率涂层的理想辐射填料。目前，石墨烯散热薄膜涂层相关研究主要包括石墨烯加入粘结剂，石墨烯掺杂金属氧化物、粘结剂等，在制备工艺方面主要采用模具成型、浸涂、刮刀涂布、电镀以及喷涂等。已有报道的石墨烯薄膜涂层单位厚度的单位散热效率为500～2000W/m·K。然而，薄膜涂料中用到的粘结剂普遍热导率偏低，因此，需要一种制备过程简单易行，耐腐蚀性能好，且散热效率高的耐腐蚀薄膜。
发明内容
针对上述不足，本发明的目的在于，提供一种高发射率高热导率耐腐蚀薄膜及其制备方法。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：
一种高发射率高热导率耐腐蚀薄膜的制备方法，其包括以下步骤：
(1)制备混合粉体：预备以下质量百分比的原料：辐射主料10～60％，具有共轭结构的分散剂1～6％，粘结剂20～50％，溶剂10～50％，其中所述辐射主料的组成成分的质量比如下：石墨烯粉:六方氮化硼:亚氧化钛＝1～4:1～4:1。所述石墨烯粉的粒径优选小于500nm，纯度优选不低于99.9％。所述分散剂优选为罗丹明6G。所述粘结剂优选为聚二甲基硅氧烷。所述溶剂优选为乙醚、丙酮、乙醇、乙酸乙酯中的一种或多种混合。将石墨烯粉、六方氮化硼、亚氧化钛和具有共轭结构的分散剂相混合通过机械搅拌或/和超声波方式进行混匀形成均匀的悬浊液，常压干燥，获得复合粉体；
(2)制备涂料：将步骤(1)中的复合粉体与粘结剂和溶剂相混合，并通过机械搅拌或/和超声波方式进行混匀，获得涂料；
(3)喷涂：将涂料均匀喷涂在散热金属基体上，如铝制本体或铜制本体，等干燥固化后，获得厚度为30～70μm的高发射率高热导率耐腐蚀薄膜。
本发明高发射率高热导率耐腐蚀薄膜可以应用于IGBT模块外壳散热，所述IGBT模块外壳为采用铝制本体、铜制本体或其它散热效率高的金属制成。能有效降低散热金属基体表面温度，可以在30-180℃下进行工作，涂覆本发明高发射率高热导率耐腐蚀薄膜后较涂覆前降低20％左右。
本发明的有益效果为：本发明合理采用具有高热导率的六方氮化硼(h-BN，理论热导率1700～2000W/(m﹒K)作为填料，与石墨烯复合可以通过声子谱匹配构建高效“桥连”导热网络，提升涂层热导率。同时由于石墨烯易团聚的特性，不利于氮化硼和石墨烯形成均匀且分散度较好的溶液，在混合液中加入具有共轭结构的分散剂和亚氧化钛有效解决该问题。并且，亚氧化钛的高辐射率和硬度对于散热薄膜的硬度具有显著提升,从而获得耐腐蚀性能好，硬度高，且散热效率高的散热薄膜，兼具散热和防腐双重作用，可以适用电子产品散热，经测试，如涂覆在大功率绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块在散热外壳上，可将其辐射率从0.2提高到0.9以上，温度降低能达到33℃以上，耐湿热腐蚀，大幅度降低了IGBT模块在电子设备领域的使用能耗，有利于节能降耗。
下面结合附图和实施例，对本发明进一步说明。
附图说明
图1为本发明的薄膜表面扫描电镜图像。
图2为本发明的薄膜横截面扫描电镜图像。
图3为无涂敷散热片和涂敷本发明薄膜的散热片的温度对比图。
图4为无涂敷散热片和涂敷本发明薄膜的红外成像图像。
具体实施方式
实施例1：本实施例提供一种高发射率高热导率耐腐蚀薄膜制备方法，具体步骤如下：
(1)将粒径小于20μm，5-8层的石墨烯粉、100×100×100nm的六方氮化硼、亚氧化钛和罗丹明6G按照17:66:17:10的质量比例加入等量体积的乙酸乙酯中，采用高速搅拌和超声波结合混匀的方式，形成均匀的悬浊液，常压干燥，得到混合均匀的复合粉体；
(2)将复合粉体加入0.1倍体积的乙酸乙酯中，接着加入0.2倍体积的聚二甲基硅氧烷，采用高速搅拌和超声波方式相结合混匀；
(3)混匀后的涂料均匀喷涂在铝基材料上，待烘干、固化后，在铝基材料表面上形成均匀厚度为30μm的高发射率高热导率耐腐蚀薄膜。
实施例2：本实施例提供一种高发射率高热导率耐腐蚀薄膜制备方法，具体步骤如下：
(1)将粒径小于15μm，5-8层的石墨烯粉、100×100×100nm的六方氮化硼、亚氧化钛和罗丹明6G按照20:5:5:3的质量比例加入等量体积的乙酸乙酯中，采用高速搅拌和超声波结合混匀的方式，形成均匀的悬浊液，常压干燥，得到混合均匀的复合粉体；
(2)将复合粉体加入0.1倍体积的乙酸乙酯中，接着加入0.2倍体积的聚二甲基硅氧烷，采用高速搅拌和超声波方式相结合混匀；
(3)混匀后的涂料均匀喷涂在铝基材料上，待烘干、固化后，在铝基材料表面上形成均匀厚度为40μm的高发射率高热导率耐腐蚀薄膜。
实施例3：本实施例提供一种高发射率高热导率耐腐蚀薄膜制备方法，具体步骤如下：
(1)将粒径小于30μm，5-8层的石墨烯粉、100×100×100nm的六方氮化硼、亚氧化钛和罗丹明6G按照10:5:5:2的质量比例加入等量体积的乙酸乙酯中，采用高速搅拌和超声波结合混匀的方式，形成均匀的悬浊液，常压干燥，得到混合均匀的复合粉体；
(2)将复合粉体加入等量体积的乙酸乙酯中，接着加入0.2倍体积的聚二甲基硅氧烷，采用高速搅拌和超声波方式相结合混匀；
(3)混匀后的涂料均匀喷涂在铝基材料上，待烘干、固化后，在铝基材料表面上形成均匀厚度为70μm的高发射率高热导率耐腐蚀薄膜。
实施例4：本实施例提供一种高发射率高热导率耐腐蚀薄膜制备方法，具体步骤如下：
(1)将粒径10μm，5-8层的石墨烯粉、100×100×500nm的六方氮化硼、亚氧化钛和罗丹明6G按照2:5:5:3的质量比例加入等量体积的乙酸乙酯中，采用高速搅拌和超声波结合混匀的方式，形成均匀的悬浊液，常压干燥，得到混合均匀的复合粉体；
(2)将复合粉体加入等量体积的乙酸乙酯中，接着加入0.2倍体积的聚二甲基硅氧烷，采用高速搅拌和超声波方式相结合混匀；
(3)混匀后的涂料均匀喷涂在铝基材料上，待烘干、固化后，在铝基材料表面上形成均匀厚度为60μm的高发射率高热导率耐腐蚀薄膜。
上述实施例仅为本发明较好的实施方式，本发明不能一一列举出全部的实施方式，凡采用上述实施例之一的技术方案，或根据上述实施例所做的等同变化，均在本发明保护范围内。
下面以实施例3的样品进行测试为例，将实施例3中涂覆有高发射率高热导率耐腐蚀薄膜的铝基材料和未经涂膜的铝基材料放置于加热板上，将感温探头放置于板面中心，利用测温仪记录温度。未经散热薄膜涂敷的铝基材料和实施例3中涂覆有高发射率高热导率耐腐蚀薄膜的铝基材料的温度测试结果见图3和图4。结果表明，涂覆有高发射率高热导率耐腐蚀薄膜的铝基材料较未涂覆的铝基材料具有更好的散热效果。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。如本发明上述实施例所述，采用与其相同或相似的步骤而得到的其它材料及其制备方法，均在本发明保护范围内。

Claims (8)

1.一种高发射率高热导率耐腐蚀薄膜，其特征在于，其包括以下质量百分比的原料：
辐射主料 10～60%，
具有共轭结构的分散剂 1～6%，
粘结剂 20～50%，
溶剂 10～50%，
其中所述辐射主料的组成成分的质量比如下：
石墨烯粉:六方氮化硼:亚氧化钛=1～4:1～4:1；
所述石墨烯粉的粒径小于500nm，纯度不低于99.9%；
所述粘结剂为聚二甲基硅氧烷。
2.根据权利要求1所述高发射率高热导率耐腐蚀薄膜，其特征在于，所述分散剂为罗丹明6G。
3.根据权利要求1所述高发射率高热导率耐腐蚀薄膜，其特征在于，所述溶剂为乙醚、丙酮、乙醇、乙酸乙酯中的一种或多种混合。
4.一种权利要求1-3任意一项所述高发射率高热导率耐腐蚀薄膜的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1) 制备混合粉体：将石墨烯粉、六方氮化硼、亚氧化钛和具有共轭结构的分散剂相混合形成均匀的悬浊液，常压干燥，获得复合粉体；
(2) 制备涂料：将步骤（1）中的复合粉体与粘结剂和溶剂混合均匀，获得涂料；
（3）喷涂：将涂料喷涂在散热金属基体上，等干燥固化后，获得高发射率高热导率耐腐蚀薄膜。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中采用机械搅拌或/和超声波方式进行混匀，步骤（2）中采用机械搅拌或/和超声波方式进行混匀。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中的高发射率高热导率耐腐蚀薄膜的厚度为30～70μm。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中散热金属基体为铝制本体或铜制本体。
8.一种权利要求1-3任意一项所述高发射率高热导率耐腐蚀薄膜或者权利要求4-7中任意一项所述的高发射率高热导率耐腐蚀薄膜的制备方法制得的高发射率高热导率耐腐蚀薄膜在IGBT模块外壳散热的应用。
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