CN115975606A - 一种单组分绝缘超高导热凝胶及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单组分绝缘超高导热凝胶及其制备方法，该领域属于应用于电子热管理方面的导热界面材料技术领域。该单组分绝缘超高导热凝胶的组分包括：导热填料、乙烯基硅油、含氢硅油、粉体处理剂、催化剂、抑制剂、颜料和其他助剂。该单组分绝缘超高导热凝胶采用加成型有机硅体系，以金刚石作为核心高导热填料，并对各原料的用量进行合理配置，能达到协同增效作用。能够将导热凝胶的导热系数从传统的2.0‑6.0W/m·K大幅度提升至8.0‑16.8W/m·K的超高水平，同时具有优异的高绝缘性、高工艺性和高可靠性。

Description

一种单组分绝缘超高导热凝胶及其制备方法

技术领域

本发明涉及涉及导热界面材料技术领域，具体涉及单组分绝缘超高导热有机硅凝胶及其制备方法。

背景技术

随着现代电子技术和工艺的迅猛发展，电子设备元器件的运算能力不断增强，功率也随之不断增大。同时，由于电子设备面临小型化、集成化、模块化的需求，导致元器件发热量急剧升高，这些热量若不能被及时导出，将极大影响电子元器件的可靠性和使用寿命。大量测试和计算规律表明，电子元器件的工作温度每提升10℃，会导致其失效概率增长约1倍，这主要是由于材料在高温下产生的热应力、热应变，以及材料基本性能在长期高温下的快速老化衰减所导致的。根据美国空军航空电子整体研究项目的统计数据表明，电子产品所有失效原因中，由于热管理失控而导致温度过高烧毁的占比高达55％。如何更有效地给电子设备散热降温已经成为电子领域最重要的研究方向。

导热界面材料(Thermal Interface Materials，TIM)是一类广泛应用于电子发热元器件与均热板或散热器之间的材料。因为空气的导热系数非常低(约0.024W/m·K)，是热的不良导体，因此需要用具有较高导热性能柔性导热界面材料填充于热源和散热装置之间，排除空气从而建立良好的传热通道，为电子器件降温。常见的导热界面材料包括导热凝胶、导热硅脂、导热垫片和相变导热材料等，其中导热凝胶因具有储存稳定、高导热、高可靠性以及可以实现高效自动点胶工艺等优势已经成为应用最广泛的界面导热材料之一。导热凝胶通常是由具有优秀耐热耐候性能的可反应固化的有机硅油为基体，由大量具有高导热性能的填料进行填充而组成。传统导热凝胶的导热系数一般只有2W/m·K左右，近年来通过材料的革新进步，导热系数为4-6W/m·K的导热凝胶的技术也不断趋于成熟进入产业化应用阶段。但是，面临着电子设备散热不断提出的更高需求，尤其是近年来5G通讯、光伏储能、动力电池、汽车电子和消费电子等新兴领域的发展，导热凝胶的导热能力不足问题已经成为严重限制技术进一步突破的重要因素之一。

高性能导热凝胶面临着巨大的开发难点，即难以兼顾高导热性、高可靠性和优良的工艺可操作性。例如，为了提高导热性，则需要更高的粉体填充率和更少的基体硅油，从而导致导热界面材料的粘度大幅度上升和可操作性的显著下降；而采用更高导热性能的粉体往往耐水解和耐老化性能差，同时基体硅油的减少会使固化后的导热界面材料变硬变脆，从而导致其长期使用过程中的可靠性能显著下降。同样地，提高导热界面材料的可靠性的方法会同时损伤其导热性能和工艺性能；提高导热界面材料的工艺性的方法也会同时损伤其导热性能和可靠性能。因此从根本原理上看，“导热性”、“可靠性”和“工艺性”这三个技术指标，也被称作导热界面材料的“不可能三角形”。

导热凝胶中使用的最常见的导热填料为球形或类球形氧化铝，因其具有较好的形貌可以实现高填充率，制备的导热凝胶具有良好的工艺性能，并且因为化学惰性而具有良好的可靠性能。但是氧化铝的导热系数理论上限只有约30W/m·K，所能制备的导热凝胶的导热系数无法达到6W/m·K以上。为了进一步提升导热性能，则需要加入具有更高导热系数的填料，如银(420W/m·K)、铜(397W/m·K)铝(270W/m·K)和液态金属等。近年来发展较快的新型高性能碳材料也具有非常优异的导热能力，如碳纤维(轴向20-100W/m·K)、碳纳米管(轴向约3000W/m·K)和石墨烯(片层内5300W/m·K)等。但是这些材料在电子领域的实际应用中往往受到限制，因上述高性能导热材料的主要导热机理为电子导热，作为导热填料时即便在添加比例很小的情况下也会严重影响胶体的绝缘性能，尤其表现为体积电阻率和介电强度的大幅度衰减。此前国内已发生过因使用的非绝缘性导热界面材料发生外溢，滴落在其他元器件上导致设备短路损毁，以及造成操作人员触电身亡的案例。

氮化铝是满足绝缘需求的较为合适的高导热填料，其导热系数理论上限可以达到320W/m·K，实际烧结成为具有较好形貌的导热填料后也可以达到80W/m·K以上的高水平，因此在绝缘高导热界面材料中也得到了较多应用。但是作为导热填料，氮化铝始终面临着一个致命缺陷，即氮化铝的水解问题。氮化铝接触空气后会由表及里地与空气中的水蒸气发生反应，生成导热能力很弱的氢氧化铝并释放氨气。虽然通过对氮化铝表面进行改性处理，如物理包覆、化学修饰及在表面形成氧化保护层等，可以一定程度上减缓氮化铝在室温下的水解速度，但依然无法有效避免最终水解的发生。这导致采用氮化铝作为导热填料的高导热凝胶在长期使用过程中会发生导热能力的持续下降，尤其是在面临类似“双85”等高温高湿条件下性能会迅速衰减。此外，采用氮化铝作为主体填料的导热凝胶可以把导热系数提高至最高10W/m·K左右的水平，但其上限也只能止步于此。

通过检索发现，国内目前在高导热凝胶领域，已有少量专利如CN 111925654A、CN112457821A、CN 114539781A等公开了能够制备导热系数达到8W/m·K甚至10W/m·K以上的导热凝胶。但这些实施例中无一例外都在体系中添加了包括铜、银、铝或液态金属等金属材料，碳纤维、碳纳米管或石墨烯片等碳材料，以及不耐水解的氮化铝中的至少1种或多种。这些实施例在实际使用时，均无法同时满足电子产品广泛要求的严格绝缘耐压性能以及长期使用过程中的耐老化可靠性，因此无法达到当前电子产品对高导热凝胶的应用需求。此外，高导热凝胶还普遍面临着点胶速率低、工艺性差等问题。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是：传统导热凝胶导热系数低导热能力不足，但高导热凝胶无法满足绝缘性、耐老化性、高工艺点胶速率的要求。针对以上问题，提出一系列单组分绝缘超高导热凝胶及其制备方法。该系列导热凝胶以金刚石(导热系数约2500W/m·K)作为导热主体填料，克服金刚石惰性表面难以改性及与硅油基体相容性差等问题，具有可达8.0-16.8W/m·K的超高导热系数；同时该系列导热凝胶不含有任何导电粉体填料，保证胶体的体积电阻率大于1013Ω·cm，击穿强度大于6kV/mm；此外，该系列导热凝胶还具有大于60g/min(30cc EFD@90psi)的高点胶速率，满足自动化产线快速点胶的工艺需求。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种单组分绝缘超高导热凝胶，其特征在于，包括以下重量份数的原料：导热填料100份，乙烯基硅油0.3-5份，含氢硅油0.1-3份，粉体处理剂0.4-4份，催化剂0.01-0.5份，抑制剂0.01-0.3份，颜料0-0.5份，其他助剂0-2份。

进一步的，所述的导热填料为金刚石、氧化铝、氮化铝、氮化硅、氮化硼、碳化硅、氧化镁、氧化锌等绝缘性无机导热粒子中的至少一种；所述导热填料的形态为球形、类球形或不规则形态；所述导热填料的粒径为0.05μm-200μm。

优选地，上述导热填料包括金刚石、氧化铝、氧化锌中的至少二种。

优选地，上述金刚石为菱形十二面体形态人造单晶金刚石。

优选地，上述氧化铝为球形或类球形高α相氧化铝。

优选地，上述导热填料由多种粒径尺寸为0.1μm-160μm的绝缘性无机导热粒子复配而成。其中粒径为0.1μm-2μm的导热填料占总量的0-15％；粒径为2μm-15μm的导热填料占总量的10-40％；粒径为15μm-50μm的导热填料占总量的0-20％；粒径为50μm-160μm的导热填料占总量的30-60％。

进一步的，所述的乙烯基硅油包括单端或双端乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷或甲基封端、侧链含乙烯基聚硅氧烷中的至少一种；所述乙烯基硅油中乙烯基含量为0.05-1.80mmoles/g；所述乙烯基硅油在25℃时的粘度范围为10-2000cSt。

优选地，上述乙烯基硅油中乙烯基含量为0.25-1.20mmoles/g。

优选地，上述乙烯基硅油在25℃时的粘度范围为20-200cSt。

进一步的，所述的含氢硅油包括端单端或双端含氢聚硅氧烷、侧含氢聚硅氧烷中的至少一种；所述的含氢硅油的含氢量为0.15-12mmoles/g；所述的含氢硅油的在25℃时的粘度范围为10-500cSt。

优选地，上述含氢硅油的含氢量为0.4-4mmoles/g。

优选地，上述含氢硅油在25℃时的粘度范围为15-120cSt。

进一步的，所述的粉体处理剂为含1-18个碳原子烷烃链段的三甲氧基硅氧烷或三乙氧基硅氧烷、含乙烯基的三甲氧基硅氧烷或三乙氧基硅氧烷、三甲氧基硅氧烷或三乙氧基硅氧烷封端的聚二甲基硅氧烷、钛酸酯中的至少一种。

优选地，上述粉体处理剂为单端三甲氧基硅氧烷封端的聚二甲基硅氧烷，分子式为Me3(SiMe2O)nSi(OMe)3，其中n为20-60的整数。

进一步的，所述的催化剂为铂-乙烯基硅氧烷、铂-炔烃基螯合物、氯铂酸或微囊型铂金催化剂中的任意一种。

进一步的，所述的抑制剂为多乙烯基型抑制剂或炔醇型抑制剂。

进一步的，所述的颜料为钴蓝、铁红、炭黑、镉黄中至少一种，或将这些颜料分散在硅油中形成的色浆。

进一步的，所述的其他助剂为增粘剂、稀释剂、抗氧化剂、表面活性剂、阻燃剂中的一种或多种；

所述的增粘剂，包括3-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷、[8-(环氧丙基氧)-正辛基]三甲氧基硅烷、1,3,5-三(三甲氧基硅丙基)异氰脲酸酯、1,3-二(三甲氧基硅丙基)-5-烯丙基异氰脲酸酯、环氧改性有机硅树脂、丙烯酸改性有机硅树脂、钛酸酯，或其他在同一分子中同时具有乙烯基、烷氧基、环氧基、甲基丙烯酰氧基、异氰酸酯基、异氰尿酸酯基两种或两种以上结构的增粘剂；

所述的稀释剂，为小分子烷烃或不饱和烃、白油、石脑油、矿物油、有机硅环体、低粘度二甲基硅油中的任一种，能够起到降低体系粘度；

所述的抗氧化剂，为氧化铁、氧化铈、对苯二酚、苯醌、2-叔丁基苯酚、3,5-二叔丁基-4-羟基苯丙酸异辛酯中的任一种，能够起到抗氧化效果；

所述的表面活性剂，为油酸、油酸钠、硬脂酸、硬质酸钠、十二烷基苯磺酸钠中的任一种，可以提高体系相容性和稳定性；

所述的阻燃剂，包括氢氧化铝、氢氧化镁、二氧化钛等固体阻燃剂，或卤系、磷系液体阻燃剂。

一种如权利要求1-9任一项所述的单组分绝缘超高导热凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将所述导热填料、乙烯基硅油、含氢硅油、粉体处理剂、颜料和其他助剂按配比称取后，一次性或分批加入行星式动力混合机中，室温混合均匀后，加热至100℃-180℃，在真空条件下持续搅拌0.5h-4h，冷却待用；

步骤二、将所述抑制剂、催化剂和其他剩余助剂按配比称取后，加入上述行星式动力混合机中，在真空条件下持续搅拌0.5h-2h后待用；

步骤三、真空出料并分装至单组分胶管或其他包装材料中，真空脱泡后在室温或低温条件下密封保存。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

本发明利用导热填料、乙烯基硅油、含氢硅油、粉体处理剂、催化剂、抑制剂、颜料和其他助剂进行共混，得到了一种单组分绝缘超高导热凝胶。通过采用绝缘材料中具有最高导热系数的材料单晶金刚石为主要填料，通过多个尺寸多种粉体的合理搭配，成功使导热凝胶的导热系数从传统的2.0-6.0W/m·K大幅度提升至8.0-16.8W/m·K的超高水平。与已经公开的专利中采用金属颗粒和导电碳材料提高凝胶的导热系数不同，本发明在配方中不含有任何导电的成分，充分保证了材料的绝缘性能，大幅度提高了导热凝胶在应用时的电气安全性能，使其拥有在电子领域广泛的使用可行性。同时，区别与其他公开专利中采用氮化铝作为主要高导热填料，本发明在配方中也不含有任何有水解风险或不耐氧化的成分，在长期使用过程或加速老化过程中，导热凝胶的导热系数不会因为材料水解而下降，老化后的热阻没有明显上升，保证了导热凝胶在复杂条件下长期使用的可靠性。此外，本发明通过采用新型的粉体处理剂和合理的改性工艺，解决了金刚石惰性表面不易改性的难题，成功增加了金刚石与有机硅基体的相容性，避免油粉分离现象的发生，提高了产品的长期储存稳定性，并且使导热凝胶的粘度显著降低，大幅度提升了导热凝胶在应用时的点胶工艺性。综上所述，本发明提供的单组分绝缘超高导热凝胶同时具有优异的高绝缘性、高工艺性和高可靠性，能够满足5G通讯、光伏储能、动力电池、汽车电子和消费电子等新兴领域对高导热凝胶的需求，解决高功耗芯片和电子元器件的散热降温问题，大幅度提升电子产品的使用寿命。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是为本发明中一种单组分绝缘超高导热凝胶在不同倍率下的放大图像，其中多面体颗粒为单晶金刚石，球形颗粒为高α相氧化铝。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明针对传统导热凝胶导热性能不佳，高导热凝胶绝缘性差及可靠性差，无法满足高功率芯片和电子元器件散热要求等问题，提供了一种单组分绝缘超高导热凝胶及其制备方法。具体地，该单组分绝缘超高导热凝胶，包括以下重量份数的原料：导热填料100份，乙烯基硅油0.3-5份，含氢硅油0.1-3份，粉体处理剂0.4-4份，催化剂0.01-0.5份，抑制剂0.01-0.3份，颜料0-0.5份，其他助剂0-2份。

下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。

实施例中方法如无特殊说明的采用常规方法，使用的试剂如无特殊说明的使用常规市售试剂或按常规方法配制的试剂。

实施例1

本实施例提供一种单组分绝缘超高导热凝胶，按重量份数计包括：导热填料100份，粉体处理剂0.8份，乙烯基硅油2.5份，含氢硅油0.7份，催化剂0.05份，抑制剂0.01份组成。

其中，上述导热填料100份由多种不同粒径的金刚石和氧化铝按比例复配而成，包括中位粒径为90μm的菱形十二面体形态单晶金刚石30份，中位粒径为120μm的球形高α相氧化铝25份，中位粒径为5μm的球形高α相氧化铝30份，中位粒径为0.5μm的类球形α相氧化铝15份。

上述粉体处理剂为聚合度为60的单端三甲氧基硅氧烷封端的聚二甲基硅氧烷；乙烯基硅油为双端乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷，乙烯基含量为0.76mmoles/g，在25℃时的粘度为50cSt；含氢硅油为侧含氢聚二甲基硅氧烷，含氢量为0.85mmoles/g，在25℃时的粘度为80cSt；催化剂为卡斯特催化剂，铂金含量为3000ppm；抑制剂为2-甲基-3-丁炔-2-醇。

本实施例还提供了上述单组分绝缘超高导热凝胶的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、将所述乙烯基硅油、含氢硅油、粉体处理剂按配比称取后加入行星式动力混合机中，将导热填料按照粒径由小到大的顺序分批加入行星式动力混合机中，以50rpm速率进行搅拌及100rpm速率进行分散，在室温下混合0.5h后将粘附在混合机釜壁和搅拌杆上未分散的部分刮进釜内，开启加热设备升温至150℃，开启真空设备在-0.1MPa压力下以30rpm速率进行搅拌及500rpm进行分散持续2h后关闭加热设备，冷却至50℃以下待用；

步骤二、将所述抑制剂和催化剂按配比称取后，加入上述行星式动力混合机中，开启真空设备在-0.1MPa压力下以30rpm速率进行搅拌及500rpm进行分散持续0.5h后待用；

步骤三、真空压盘出料，分装至30cc、50cc、300cc单组分胶管或更大容积胶桶中，真空离心脱泡后在-20℃冰箱中密封保存。

对比例1

与实施例1不同的是，导热填料100份由多种不同粒径的氧化铝按比例复配而成，包括中位粒径为120μm的球形高α相氧化铝55份，中位粒径为5μm的球形高α相氧化铝30份，中位粒径为0.5μm的类球形α相氧化铝15份。

对比例2

与实施例1不同的是，导热填料100份由多种不同粒径的氧化镁和氧化铝按比例复配而成，包括中位粒径为120μm的球形氧化镁55份，中位粒径为5μm的球形高α相氧化铝30份，中位粒径为0.5μm的类球形α相氧化铝15份。

对比例3

与实施例1不同的是，导热填料100份由多种不同粒径的氮化铝和氧化铝按比例复配而成，包括中位粒径为120μm的球形氮化铝40份，中位粒径为120μm的球形高α相氧化铝15份，中位粒径为5μm的球形高α相氧化铝30份，中位粒径为0.5μm的类球形α相氧化铝15份。

表1、实施例1与对比例1-3的部分性能对比表

表1中所示技术指标，导热系数1采用ASTM D5470标准(稳态法)，测试设备为中国台湾瑞玲公司LW-9389热阻测试仪，由0.5mm、1.0mm、1.5mm三厚度下热阻测试值拟合而成，热端面温度为80℃；导热系数2采用ISO 22007标准(瞬态平面热源法)，测试设备为瑞典HotDisk公司TPS 500，测试样品为直径4cm、厚度1cm的固化后胶块。上述高温老化条件为在150℃下恒温加热1000h；温循老化条件在为-40℃至150℃温度下1000次循环，其中每个循环包括15min低温恒温、15min升温、15min高温恒温及15min降温过程；双85老化条件为在85℃高温/85％RH高湿条件下加热1000h。上述外观老化测试采用三明治结构外观夹具，一侧为铝板另一侧为钢化玻璃，使用1.0mm厚度钢圈进行限位并用弹簧夹紧，观察老化前后胶体是否有气孔、开裂、垂流等外观异常；热阻老化测试采用三明治结构热阻夹具，双侧为铜基板，胶体尺寸为25.4mm*25.4mm*1.0mm，测试热阻夹具老化前后整体的热阻变化率，表1中数据所示的热阻变化率为每个老化条件下5组样品热阻变化率测试结果的平均值。

从表1中的实施例1的相关测试结果可以看出，金刚石作为高导热填料具有2500W/m·K的优异导热性能，通过与具有规整形貌的球形氧化铝合理搭配，并采用合适的粉体处理剂对粉体表面进行改性，可以有效提升导热粉体与硅油基体的相容性。实施例1所制备的单组分导热凝胶，具有8.0W/m·K以上的高导热系数、78g/min的高点胶速率、在多种老化条件下良好的外观可靠性，以及老化后热阻相比于初始状态无显著变化，保证了该导热凝胶在长期使用中的可靠性。对比例1所示为采用全氧化铝(导热系数约30W/m·K)体系的传统高导热凝胶，具有良好的工艺性和可靠性，但在导热性能方面相对较弱，无法满足新型电子设备更高的散热需求。与实施例1中的采用的单晶金刚石相比，对比例2和对比例3所示分别采用了更高比例的球形氧化镁(导热系数约60W/m·K)和球形氮化铝(导热系数约80-320W/m·K)以提升导热能力，但其导热性能的上限依然相对较低。而且，通过老化前后热阻的变化率可以看出，氧化镁会因较轻微的水解产生氢氧化镁影响导热能力，而氮化铝则会因严重水解产生氢氧化铝造成导热能力的大幅度衰减，这种衰减在如双85等高温高湿条件下会更为严重，无法满足长期使用中的可靠性要求。因此通过上述实施例和对比例可以看出，金刚石在作为导热填料应用于高导热凝胶的制备，相比于其他绝缘填料在导热性能、工艺性能和可靠性能上具有显著优势。

实施例2

本实施例提供一种单组分绝缘超高导热凝胶，按重量份数计包括：导热填料100份，粉体处理剂1.0份，乙烯基硅油2.2份，含氢硅油0.8份，催化剂0.05份，抑制剂0.01份组成。

其中，上述导热填料100份由多种不同粒径的金刚石、氧化铝和氧化锌按比例复配而成，包括中位粒径为110μm的菱形十二面体形态单晶金刚石50份，中位粒径为5μm的球形高α相氧化铝30份，中位粒径为0.5μm的类球形α相氧化铝15份，中位粒径为0.1μm的类球形氧化锌5份。

上述粉体处理剂为聚合度为30的单端三甲氧基硅氧烷封端的聚二甲基硅氧烷；乙烯基硅油为双端乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷，乙烯基含量为0.76mmoles/g，在25℃时的粘度为50cSt；含氢硅油为双端含氢聚二甲基硅氧烷，含氢量为0.90mmoles/g，在25℃时的粘度为25cSt；催化剂为卡斯特催化剂，铂金含量为3000ppm；抑制剂为2-甲基-3-丁炔-2-醇。

本实施例中单组分绝缘超高导热凝胶的制备方法与实施例1相同。

对比例4

与实施例2不同的是，在实施例2的基础上额外添加1份液态金属。所述液态金属采用市售Galinstan合金，为镓铟锡按一定比例熔融混合合成，其中Ga:In:Sn的比例为68:22:10，熔点为-19℃。

对比例5

与实施例2不同的是，在实施例2的基础上额外添加2份液态金属。

对比例6

与实施例2不同的是，在实施例2的基础上额外添加3份液态金属。

对比例7

与实施例2不同的是，在实施例2的基础上额外添加3份石墨烯导热粉。所述石墨烯导热粉由多层结构石墨烯组成的片状结构，中位尺寸约为90μm，比表面积约为6m²/g。

对比例8

与实施例2不同的是，导热填料100份由多种不同粒径的铝、氧化铝和氧化锌按比例复配而成，包括中位粒径为100μm的高球化度铝粉40份，中位粒径为5μm的球形高α相氧化铝35份，中位粒径为0.5μm的类球形α相氧化铝15份，中位粒径为0.1μm的类球形氧化锌10份。

表2、实施例2与对比例4-8的部分性能对比表

从表2中的实施例2的相关测试结果可以看出，金刚石作为导热填料具有良好的绝缘性能，与氧化铝、氧化锌合理搭配后制备的具有导热系数10W/m·K以上的导热凝胶仍具有8*10¹³Ω·cm的高体积电阻率和9.8kV/mm的高介电强度(即击穿电压)。对比例4-6分别为在实施例2配比基础上增加了1％、2％和3％液态金属(Galinstan合金的导热系数约70W/m·K)的导热凝胶。从测试数据可以看到，液态金属的加入对于导热凝胶整体的工艺性能和导热性能有所帮助。但随着液态金属比例的提高，导热凝胶的绝缘强度发生显著下降。因为分散开的液态金属液滴表面会迅速形成一层导电性能较弱的致密氧化膜并阻止内部的继续氧化，所以少量液态金属的加入对体积电阻率量级的影响相对较小。但是，因为电子具有隧道效应，导体之间不需要接触即可穿过聚合物势垒而发生导电，因此相较于体积电阻率，介电强度的衰减则更为迅速。对比例7中因加入的石墨烯具有比液态金属更高的电导率及特殊的二维结构更易形成导电通路，因此3％的添加量已使导热凝胶的绝缘性能有大幅度衰减，并且因石墨烯的高比表面积和不规则形貌导致所制备的导热凝胶已基本完全失去点胶工艺性能。对比例8为采用大量添加球形铝粉以提高导热性能的导热凝胶，虽然铝的表面和液态金属表面一样会形成导电性能较弱的致密氧化膜，但因添加比例较高其介电强度已低于测试设备的最低检测限而无法测出。对比例4-8所述高导热凝胶无法满足电子设备对散热材料绝缘性的要求，可能会发生因介电强度太低而造成的短路、击穿、烧毁等问题。因此通过上述实施例和对比例可以看出，金刚石在作为导热填料应用于高导热凝胶的制备，相比于其他高导热填料在体积电阻率和介电强度等电气安全性能上具有显著优势。

实施例3

本实施例提供一种单组分绝缘超高导热凝胶，按重量份数计包括：导热填料100份，粉体处理剂2.0份，乙烯基硅油1.2份，含氢硅油1.2份，催化剂0.03份，抑制剂0.01份组成。

其中，上述导热填料100份由多种不同粒径的金刚石、氧化铝和氧化锌按比例复配而成，包括中位粒径为150μm的菱形十二面体形态单晶金刚石50份，中位粒径为30μm的菱形十二面体形态单晶金刚石15份，中位粒径为5μm的球形高α相氧化铝15份，中位粒径为0.5μm的类球形α相氧化铝15份，中位粒径为0.1μm的类球形氧化锌5份。

上述粉体处理剂为聚合度为30的单端三甲氧基硅氧烷封端的聚二甲基硅氧烷；乙烯基硅油为双端乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷，乙烯基含量为1.20mmoles/g，在25℃时的粘度为20cSt；含氢硅油为双端含氢聚二甲基硅氧烷，含氢量为1.00mmoles/g，在25℃时的粘度为20cSt；催化剂为卡斯特催化剂，铂金含量为3000ppm；抑制剂为2-甲基-3-丁炔-2-醇。

本实施例中单组分绝缘超高导热凝胶的制备方法与实施例1相同。

实施例4

本实施例提供一种单组分绝缘超高导热凝胶，按重量份数计包括：导热填料100份，粉体处理剂2.0份，乙烯基硅油1.0份，含氢硅油1.0份，催化剂0.03份，抑制剂0.01份组成。

其中，上述导热填料100份由多种不同粒径的金刚石、氧化铝和氧化锌按比例复配而成，包括中位粒径为150μm的菱形十二面体形态单晶金刚石50份，中位粒径为30μm的菱形十二面体形态单晶金刚石15份，中位粒径为5μm的多边形金刚石15份，中位粒径为0.5μm的类球形α相氧化铝15份，中位粒径为0.1μm的类球形氧化锌5份。

上述粉体处理剂为聚合度为30的单端三甲氧基硅氧烷封端的聚二甲基硅氧烷；乙烯基硅油为双端乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷，乙烯基含量为1.20mmoles/g，在25℃时的粘度为20cSt；含氢硅油为双端含氢聚二甲基硅氧烷，含氢量为1.00mmoles/g，在25℃时的粘度为20cSt；催化剂为卡斯特催化剂，铂金含量为3000ppm；抑制剂为2-甲基-3-丁炔-2-醇。

本实施例中单组分绝缘超高导热凝胶的制备方法与实施例1相同。

表3、实施例1-4的部分性能对比表

实施例1-4中所采用的最大尺寸单晶金刚石的尺寸分别为90μm、110μm、150μm和150μm，采用金刚石的比例分别占导热粉体总量的30％、50％、65％和80％。从表3中的实施例的相关测试结果可以看出，通过提高大尺寸金刚石的粒径及提高金刚石在导热填料中的总添加比例可以进一步提高金刚石基导热凝胶的导热系数。其中，因制造工艺不同及不同形貌金刚石对光的透射和反射存在区别，大粒径金刚石呈现黄绿色而小尺寸金刚石呈现深绿至墨绿色，因此搭配白色的氧化铝和氧化锌填料后，实施例1-2中的导热凝胶呈现浅绿色而实施例3-4中的导热凝胶呈现深绿色。通过多种不同粒径、不同形态、不同种类、不同比例导热粉体的合理搭配，实施例1-4均在具有高导热系数的同时，保持了高绝缘性能、高可靠性能和高工艺性能。此外通过有机硅基体乙烯基硅油/含氢硅油、催化剂/抑制剂种类和用量的合理设计，实施例1-4中制备的单组分绝缘超高导热凝胶均在室温下具有较长的操作时间，并且在高温下可以快速固化，固化后的凝胶块具有较低的硬度，可以充分润湿贴合电子元器件和散热器的表面以降低界面热阻，满足5G通讯、光伏储能、动力电池、汽车电子和消费电子等新兴领域对高导热凝胶的性能和工艺需求，大幅度提升电子产品的使用寿命，具有广泛的使用前景。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种单组分绝缘超高导热凝胶，其特征在于，包括以下重量份数的原料：导热填料100份，乙烯基硅油0.3-5份，含氢硅油0.1-3份，粉体处理剂0.4-4份，催化剂0.01-0.5份，抑制剂0.01-0.3份，颜料0-0.5份，其他助剂0-2份。

2.根据权利要求书1所述的单组分绝缘超高导热凝胶，其特征在于，所述的导热填料为金刚石、氧化铝、氮化铝、氮化硅、氮化硼、碳化硅、氧化镁、氧化锌等绝缘性无机导热粒子中的至少一种；所述导热填料的形态为球形、类球形或不规则形态；所述导热填料的粒径为0.05μm-200μm。

3.根据权利要求书1所述的单组分绝缘超高导热凝胶，其特征在于，所述的乙烯基硅油包括单端或双端乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷或甲基封端、侧链含乙烯基聚硅氧烷中的至少一种；所述乙烯基硅油中乙烯基含量为0.05-1.80mmoles/g；所述乙烯基硅油在25℃时的粘度范围为10-2000cSt。

4.根据权利要求书1所述的单组分绝缘超高导热凝胶，其特征在于，所述的含氢硅油包括端单端或双端含氢聚硅氧烷、侧含氢聚硅氧烷中的至少一种；所述的含氢硅油的含氢量为0.15-12mmoles/g；所述的含氢硅油的在25℃时的粘度范围为10-500cSt。

5.根据权利要求书1所述的单组分绝缘超高导热凝胶，其特征在于，所述的粉体处理剂为含1-18个碳原子烷烃链段的三甲氧基硅氧烷或三乙氧基硅氧烷、含乙烯基的三甲氧基硅氧烷或三乙氧基硅氧烷、三甲氧基硅氧烷或三乙氧基硅氧烷封端的聚二甲基硅氧烷、钛酸酯中的至少一种。

6.根据权利要求书1所述的单组分绝缘超高导热凝胶，其特征在于，所述的催化剂为铂-乙烯基硅氧烷、铂-炔烃基螯合物、氯铂酸或微囊型铂金催化剂中的任意一种。

7.根据权利要求书1所述的单组分绝缘超高导热凝胶，其特征在于，所述的抑制剂为多乙烯基型抑制剂或炔醇型抑制剂。

8.根据权利要求书1所述的单组分绝缘超高导热凝胶，其特征在于，所述的颜料为钴蓝、铁红、炭黑、镉黄中至少一种，或将这些颜料分散在硅油中形成的色浆。

9.根据权利要求书1所述的单组分绝缘超高导热凝胶，其特征在于，所述的其他助剂为增粘剂、稀释剂、抗氧化剂、表面活性剂、阻燃剂中的一种或多种；

所述的增粘剂，包括3-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷、[8-(环氧丙基氧)-正辛基]三甲氧基硅烷、1,3,5-三(三甲氧基硅丙基)异氰脲酸酯、1,3-二(三甲氧基硅丙基)-5-烯丙基异氰脲酸酯、环氧改性有机硅树脂、丙烯酸改性有机硅树脂、钛酸酯，或其他在同一分子中同时具有乙烯基、烷氧基、环氧基、甲基丙烯酰氧基、异氰酸酯基、异氰尿酸酯基两种或两种以上结构的增粘剂；

所述的稀释剂，为小分子烷烃或不饱和烃、白油、石脑油、矿物油、有机硅环体、低粘度二甲基硅油中的任一种；

所述的抗氧化剂，为氧化铁、氧化铈、对苯二酚、苯醌、2-叔丁基苯酚、3,5-二叔丁基-4-羟基苯丙酸异辛酯中的任一种；

所述的表面活性剂，为油酸、油酸钠、硬脂酸、硬质酸钠、十二烷基苯磺酸钠中的任一种；

所述的阻燃剂，包括氢氧化铝、氢氧化镁、二氧化钛等固体阻燃剂，或卤系、磷系液体阻燃剂。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的单组分绝缘超高导热凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将所述导热填料、乙烯基硅油、含氢硅油、粉体处理剂、颜料和其他助剂按配比称取后，一次性或分批加入行星式动力混合机中，室温混合均匀后，加热至100℃-180℃，在真空条件下持续搅拌0.5h-4h，冷却待用；

步骤二、将所述抑制剂、催化剂和其他剩余助剂按配比称取后，加入上述行星式动力混合机中，在真空条件下持续搅拌0.5h-2h后待用；

步骤三、真空出料并分装至单组分胶管或其他包装材料中，真空脱泡后在室温或低温条件下密封保存。

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