CN115418015A - 一种复合材料导热垫的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于热界面材料制备领域，具体为一种复合材料导热垫的制备方法。将平面高导热薄膜材料切割成纤维状，再将多根高导热纤维定向排列，高热导纤维之间缝隙用有机物和填充助剂填充，组成复合材料块体。在垂直于高导热纤维方向对复合材料块体进行切片，获得垂直方向高热导率的垫片。该方法制备出的导热垫片，具有高垂直热导率、低成本、柔性、稳定力学结构的特点，可替代碳纤维垫片作为热界面材料应用于导热和散热领域。
Description
技术领域
本发明属于热界面材料制备领域，具体为一种复合材料导热垫的制备方法。
背景技术
随着电子设备向小型化、集成化、多功能化和高性能化的方向发展，电子设备在使用过程产生的废热集中和积累，严重影响了电子器件的性能和寿命，将废热传导出电子设备内部成为解决问题的主要途径，在热流由电子设备内部向外部转移时需要跨过多种界面，界面接触热阻严重限制了热量的传输，导热硅胶垫是目前工业界普遍用于降低接触热阻的一种热界面材料，其采用陶瓷类、金属类传统的导热填料，已经不能满足高功率散热芯片对热界面材料的需求(>20W/mK)。
目前碳纤维导热垫可以做到25w以上，导热性能上具有优越性。但是碳纤维导热垫及其他定向排列碳类导热垫，存在几个问题。
中间相沥青基碳纤维制备的导热垫导热性能虽然好，但是硬度很高。由于高分子聚合物通常粘性较大，改性后的碳纤维在聚合物中定向排列不是一件容易的事。把碳纤维直接与有机物基体混合后挤出，碳纤维的取向度低，达不到理想的效果。这些问题严重制约了碳纤维在高性能热界面材料领域的应用，亟需一种制备方法实现碳纤维垂直定向排列于导热垫内，同时保持导热垫的结构完整，又不影响导热垫的粘性、柔性、良好的压缩性能。
发明内容
本发明的目的在于提出一种复合材料导热垫的制备方法，将高平面导热薄膜材料切割成纤维状，再将多根高热导纤维定向排列，高热导纤维之间缝隙用有机物填充，组成复合材料块体。在垂直于高导热纤维方向对复合材料块体进行切片，获得垂直方向高热导率的垫片。所制备的高平面导热垫垂直热导率最高可达500W/mK。
该方法制备出的导热垫片，具有高垂直热导率、低成本、柔性、稳定力学结构的特点。
本发明的技术方案是：
一种复合材料导热垫的制备方法，具体流程如下：将平面高导热薄膜材料切割成纤维状，再将多根高导热纤维定向排列，高热导纤维之间缝隙用有机物和填充助剂填充，组成复合材料块体。在垂直于高导热纤维方向对复合材料块体进行切片，获得垂直方向高热导率的垫片。
所述的复合材料导热垫的制备方法，高平面导热薄膜材料包括但不限于石墨纸、人工石墨膜、石墨烯膜、氮化硼膜、金刚石膜、金属膜等其中的一种或多种混合，薄膜厚度范围是0.1～1000μm。
所述的复合材料导热垫的制备方法，高平面导热薄膜材料切割成纤维状，切割方式包括但不限于激光切割、化学刻蚀、机械加工、线切割、离子切割等其中的一种或者两种以上方式组合，切割出的纤维形状是正方形或长方形，纤维宽度范围是0.1～3000μm。
所述的复合材料导热垫的制备方法，将多根高热导纤维定向排列，定向排列方式包括但不限于手工排列、机械手排列、机械拉丝、流体辅助排列中的一种或两种以上方式组合，纤维数量范围是0.1万～10000万根。
所述的复合材料导热垫的制备方法，高导热纤维之间缝隙用有机物填充，包括但不限于用硅橡胶、天然橡胶乳、氯丁胶乳、聚氨酯、石蜡中的一种或两种以上混合有机物进行填充并固化。
所述的复合材料导热垫的制备方法，有机物的填充方式，包括但不限于真空浇筑、加压浇筑、浸渍填充。
所述的复合材料导热垫的制备方法，有机物的固化类型，包括但不限于溶剂挥发、液相凝固、交联固化中的一种或两种以上方式的混合。
所述的复合材料导热垫的制备方法，填充助剂包括着色剂、阻燃剂、固化剂、金属氧化物、金属氮化物中的一种或两种以上混合。
所述的复合材料导热垫的制备方法，在垂直于高导热纤维方向对复合材料块体进行切片，切片方式包括激光切割、等离子切割、超声切割、线切割、刀片切割、锯片切割中的一种或两种以上分切方式组合，切片厚度范围是10～10000μm。
本发明的技术原理是：
本发明通过将平面高导热薄膜材料切割成纤维状，再将多根高导热纤维定向排列，高导热纤维之间缝隙用有机物和填充助剂填充，构成一个紧密联通的有机高分子网络，组成复合材料块体。如图1所示，本发明将高平面导热薄膜材料切割成纤维状高热导材料，再将多根高热导纤维定向排列，高热导纤维之间缝隙用有机物填充，垂直于高导热纤维方向切割得到复合材料的导热垫。
本发明的优点及有益效果：
1、本发明解决了碳纤维在热界面材料中取向困难问题，将热导率性能最好的碳纤维方向置于热流传导方向，从而获得导热性能更高的热界面材料。
2、本发明解决了因碳纤维分隔有机基体引起的结构开裂破碎问题，高性能导热垫兼具良好的粘性、柔性、可压缩性和稳定的力学结构。
3、本发明的导热硅胶垫导热性能高的同时，制备成本较低。
附图说明
图1为本发明复合材料导热垫的制备流程示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明复合材料导热垫的制备方法，具体流程如下：
将平面高导热薄膜材料切割成纤维状，再将多根高导热纤维定向排列，高热导纤维之间缝隙用有机物和填充助剂填充，组成复合材料块体。在垂直于高导热纤维方向对复合材料块体进行切片，获得垂直方向高热导率的垫片。
本发明所述附图和实施例是对本发明的具体实施方式做进一步详细描述，以下的三个实施例是用于本发明的说明，但不能用来限制本发明的范围。
实施例1.
本实施例中，采用平面高导热的人工石墨膜，厚度为35μm，密度为2.0g/cm3。平面高导热的人工石墨膜采用激光切割方法切割成纤维，宽度80微米，长度100mm。将切割好的人工石墨纤维用机械手定向排列，放入事先准备好的模具中，人工石墨纤维之间的缝隙用石蜡热熔浇筑填充，填充时保持温度在石蜡熔点之上，石蜡通过液相凝固方式限制人工石墨纤维，组成复合材料块体。
本实施例中，用ASTM D5470方法测试材料的导热性能，测试方法如下：沿着垂直于高导热纤维细条方向，把人工石墨纤维复合石蜡材料块体用刀片切出的1mm厚度的高垂直导热垫片，用模具压出6片直径为30mm的圆片，放置在DRL导热系数测试仪的测试面上，分别施加25KPa、50KPa、100KPa、150KPa、200KPa、250KPa的压力，在100KPa的压力下测试结果较好，测得垂直方向本征热导率为208W/mK，较高的导热系数相比市面上的导热硅胶垫具有优势。
沿着水平于高导热纤维细条方向切出1mm厚度的薄片，用相同的方法测试，在100KPa压力下水平方向热导率为3W/mK。水平方向抗拉强度用万能拉力机检测为8KPa，具有良好的柔性。
实施例2.
本实施例中，采用平面高导热的氮化硼膜，厚度为70μm，密度为2.2g/cm3。平面高导热的氮化硼膜采用机械切割方法切割成纤维，纤维宽度260微米，长度80mm。将切割好的氮化硼纤维用机械手定向排列，放入事先准备好的模具中，聚氨酯倒在氮化硼纤维上，抽真空使聚氨酯填满缝隙，聚氨酯交联组成复合材料块体。
本实施例中，用ASTM D5470方法测试材料的导热性能，测试方法如下：沿着垂直于高导热纤维细条方向，把氮化硼纤维复合聚氨酯材料块体用激光切出的2mm厚度的高垂直导热垫片，用模具压出6片30mm直径的圆片，放置在DRL导热系数测试仪的测试面上，分别施加50KPa、100KPa、150KPa、200KPa、250KPa、300KPa的压力，在250KPa的压力下测试结果较好，测得垂直方向本征热导率为68W/mK。
沿着水平于高导热纤维方向切出2mm厚度的薄片，用相同的方法测试，测试结果在150KPa压力下水平方向热导率为2W/mK。水平方向抗拉强度用万能拉力机检测为20KPa。
实施例3.
本实施例中，采用高平面导热的石墨烯膜，厚度为100μm，密度为1.9g/cm3。高平面导热的石墨烯膜采用机械切割方法切割成纤维，纤维宽度100微米，长度150mm。将切割好的石墨烯纤维用人工定向排列，硅橡胶加交联剂、固化剂预混合，按一定的比例加入阻燃剂和氧化铝，用真空消泡设备混合消泡。石墨烯纤维用硅橡胶浸渍，浸渍后放入模具压合，于100℃烘箱中交联固化，组成复合材料块体。
本实施例中，用ASTM D5470方法测试材料的导热性能，测试方法如下：沿着垂直于高导热纤维方向，把石墨烯纤维复合硅橡胶材料块体用超声切割刀切出的3mm厚度的高垂直导热垫片，用模具压出6片30mm直径的圆片，放置在DRL导热系数测试仪的测试面上，分别施加50KPa、100KPa、150KPa、200KPa、250KPa、300KPa的压力，在150KPa的压力下测试结果较好，测得垂直方向本征热导率为435W/mK.
沿着水平于高导热纤维细条方向切出3mm厚度的薄片，用相同的方法测试，在150KPa压力下水平方向热导率为3.5W/mK。水平方向抗拉强度用万能拉力机检测为10KPa。
实施例结果表明，本发明方法制备出的导热垫，平面高导热纤维垂直于垫片的平面方向，具有高垂直热导率，同时保持垫片的力学结构稳定和柔性，可作为热界面材料应用于导热和散热领域。
以上的三个实例是对本发明的进一步说明，其中高平面导热薄膜材料种类及尺寸、堆叠方式、有机物填充方式、分切方式可做若干变换和改进，在不脱离本发明技术的原理的变换和改进，也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种复合材料导热垫的制备方法，其特征在于，具体流程如下：将平面高导热薄膜材料切割成纤维状，再将多根高导热纤维定向排列，高热导纤维之间缝隙用有机物和填充助剂填充，组成复合材料块体，在垂直于高导热纤维方向对复合材料块体进行切片，获得垂直方向高热导率的垫片。
2.按照权利要求1所述的复合材料导热垫的制备方法，其特征在于，平面高导热薄膜材料包括但不限于石墨纸、人工石墨膜、石墨烯膜、氮化硼膜、金刚石膜、金属膜中的一种或多种混合，薄膜厚度范围是0.1～1000μm。
3.按照权利要求1所述的复合材料导热垫的制备方法，其特征在于，平面高导热薄膜材料切割成纤维状，切割方式包括但不限于激光切割、化学刻蚀、机械加工、线切割、离子切割中的一种或者两种以上方式组合，切割出的纤维形状是正方形或长方形，纤维宽度范围是0.1～3000μm。
4.按照权利要求1所述的复合材料导热垫的制备方法，其特征在于，将多根高热导纤维定向排列，定向排列方式包括但不限于手工排列、机械手排列、机械拉丝、流体辅助排列中的一种或两种以上方式组合，纤维数量范围是0.1万～10000万根。
5.按照权利要求1所述的复合材料导热垫的制备方法，其特征在于，填充高导热纤维之间缝隙的有机物包括但不限于用硅橡胶、天然橡胶乳、氯丁胶乳、聚氨酯、石蜡其中的一种或两种以上混合有机物。
6.按照权利要求5所述的复合材料导热垫的制备方法，其特征在于，有机物的填充方式包括但不限于真空浇筑、加压浇筑、浸渍填充。
7.按照权利要求5所述的复合材料导热垫的制备方法，其特征在于，有机物的固化类型，包括但不限于溶剂挥发、液相凝固、交联固化中的一种或两种以上类型。
8.按照权利要求1所述的复合材料导热垫的制备方法，其特征在于，填充助剂包括着色剂、阻燃剂、固化剂、金属氧化物、金属氮化物中的一种或两种以上混合。
9.按照权利要求1所述的复合材料导热垫的制备方法，其特征在于，在垂直于高导热纤维方向对复合材料块体进行切片，切片方式包括激光切割、等离子切割、超声切割、线切割、刀片切割、锯片切割中的一种或两种以上分切方式组合，切片厚度范围是10～10000μm。
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