DE112021000479T5

DE112021000479T5 - Geschichteter Phasenwechsel-Verbundwerkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit

Info

Publication number: DE112021000479T5
Application number: DE112021000479.4T
Authority: DE
Inventors: Wei Wang; Eui Kyoon Kim; Randall Erb; Rasam Soheilian
Original assignee: Rogers Corp
Current assignee: Rogers Corp
Priority date: 2020-01-08
Filing date: 2021-01-05
Publication date: 2022-12-01
Also published as: GB2604776B; CN114929833A; US20230030910A1; JP2023510249A; KR20220124724A; WO2021141895A1; GB2604776A

Abstract

In einem Aspekt umfasst ein geschichteter Phasenänderungs-Verbundwerkstoff eine Phasenänderungsschicht, die ein Phasenänderungsmaterial, eine Vielzahl von Bornitridteilchen und ein Bindemittel umfasst; und eine erste Deckschicht und eine zweite Deckschicht, die sich auf gegenüberliegenden Seiten der Phasenänderungsschicht befinden. In einem anderen Aspekt umfasst ein Verfahren zur Herstellung des geschichteten Phasenwechsel-Verbundwerkstoffs das Bilden der ersten Deckschicht aus einer ersten Zusammensetzung; das Bilden der Phasenwechselschicht aus einem Phasenwechselmaterial, wobei das Bilden der Phasenwechselschicht das Vibrieren der Phasenwechselmaterial auf einer 3-direktionalen Vibrationsstufe umfasst; und das Bilden der zweiten Deckschicht aus einer zweiten Zusammensetzung.

Description

QUERVERWEIS AUF EINE VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht die Vorteile der am 8. Januar 2020 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Serial No. 62/958,644 . Die zugehörige Anmeldung ist in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hierin enthalten.
HINTERGRUND
Die Schaltkreise elektronischer Geräte wie Fernsehgeräte, Radios, Computer, medizinische Instrumente, Geschäftsmaschinen und Kommunikationsgeräte sind immer kleiner und dünner geworden. Die zunehmende Leistung dieser elektronischen Bauteile hat zu einer steigenden Wärmeentwicklung geführt. Außerdem werden kleinere elektronische Bauteile auf immer kleinerem Raum immer dichter gepackt, was zu einer stärkeren Wärmeentwicklung führt. Gleichzeitig müssen temperaturempfindliche Elemente in einem elektronischen Gerät oft innerhalb einer vorgeschriebenen Betriebstemperatur gehalten werden, um eine erhebliche Leistungsverschlechterung oder sogar einen Systemausfall zu vermeiden. Folglich stehen die Hersteller weiterhin vor der Herausforderung, die in elektronischen Geräten erzeugte Wärme abzuführen.
Es besteht nach wie vor ein Bedarf an neuen Konzepten für das Wärmemanagement in verschiedenen Geräten, insbesondere in elektronischen Geräten, und eine steigende Nachfrage nach elektrisch isolierenden Materialien mit verbesserter Wärmeableitungsfähigkeit.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG
Hierin wird ein geschichteter Phasenwechsel-Verbundwerkstoff mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit offenbart.
In einem Aspekt umfasst ein geschichteter Phasenwechsel-Verbundwerkstoff eine Phasenwechselschicht, die ein Phasenwechselmaterial, eine Vielzahl von Bornitridteilchen und ein Bindemittel umfasst; und eine erste Deckschicht und eine zweite Deckschicht, die sich auf gegenüberliegenden Seiten der Phasenwechselschicht befinden.
In einem anderen Aspekt umfasst ein Verfahren zur Herstellung des geschichteten Phasenwechsel-Verbundwerkstoffs das Bilden der ersten Deckschicht aus einer ersten Zusammensetzung; das Bilden der Phasenwechselschicht aus einem Phasenwechselmaterial, wobei das Bilden der Phasenwechselschicht das Vibrieren des Phasenwechselmaterials auf einer 3-direktionalen Vibrationsstufe umfasst; und das Bilden der zweiten Deckschicht aus einer zweiten Zusammensetzung.
Ein weiterer Aspekt ist, dass ein Gegenstand den geschichteten Phasenwechsel-Verbundwerkstoff enthalten kann.
Die oben beschriebenen und andere Merkmale werden durch die folgenden Figuren, die detaillierte Beschreibung und die Ansprüche veranschaulicht.
Figurenliste
Die Abbildungen zeigen beispielhafte Ausführungsformen, bei denen gleiche Elemente gleich nummeriert sind.

1 ist eine Darstellung einer Ausführungsform eines geschichteten Phasenwechsel-Verbundwerkstoffs mit hoher Wärmeleitfähigkeit;
2 ist ein Mikroskopbild einer Draufsicht auf die Phasenwechselschicht von Beispiel 1 nach dem Aushärten; und
3 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Querschnitts eines geschichteten Phasenwechsel-Verbundwerkstoffs aus Beispiel 1.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ein Phasenwechselmaterial (PCM) ist eine Substanz mit einer hohen Schmelzwärme, die während eines Phasenübergangs, z. B. beim Schmelzen oder Erstarren, große Mengen latenter Wärme aufnehmen und abgeben kann. Während des Phasenübergangs kann die Temperatur des Phasenwechselmaterials (hier als Übergangstemperatur bezeichnet) nahezu konstant bleiben, wodurch der Fluss von Wärmeenergie durch das Material im Wesentlichen gehemmt oder gestoppt wird. Auf diese Weise kann Wärme reversibel gespeichert und aus einem Phasenwechselmaterial abgeführt werden. Obwohl ein fester Block eines Phasenwechselmaterials theoretisch sehr viel Wärme aufnehmen kann, verläuft der Prozess aufgrund von Schwierigkeiten bei der Wärmeübertragung durch das Material im Allgemeinen nicht schnell. Daher war es eine Herausforderung, Gegenstände aus Phasenwechselmaterialien für eine Vielzahl von Anwendungen zu entwickeln, bei denen eine schnellere Wärmeübertragung in und aus dem Material erforderlich ist.
Um die Wärmeübertragung in das und aus dem Phasenwechselmaterial zu erhöhen, wurde ein geschichteter Phasenwechsel-Verbundwerkstoff entwickelt, der eine Phasenwechselschicht enthält. Die Phasenwechselschicht besteht aus einem Phasenwechselmaterial, einer Vielzahl von Bornitridpartikeln und einem Bindemittel. Die Aufnahme der Bornitridpartikel in die Phasenwechselschicht führte zu einer überraschenden Erhöhung der Wärmeübertragungsrate in die und aus der Phasenwechselschicht. Die Kombination der Bornitridpartikel und des Phasenwechselmaterials kann für die Verwendung als Wärmemanagementmaterial, insbesondere in der Elektronik, besonders vorteilhaft sein, da eine hohe Kristallinität des Phasenwechselmaterials eine Kombination aus hoher latenter Wärmekapazität und Energieabsorption ermöglichen kann, während das Bornitrid eine höhere Wärmeleitfähigkeit und elektrische Isolierung bewirken kann. Diese Kombination von Eigenschaften kann zu einem verbesserten Wärmemanagement, einem geringeren Wärmestau und weniger Problemen führen und ein besseres Management der Temperaturschwankungen ermöglichen. Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff kann einem Erzeugnis eine verbesserte thermische Stabilität verleihen, wodurch der Leistungsabfall verringert und die Lebensdauer des Erzeugnisses verlängert wird.
Ferner wurde entdeckt, dass die Bornitridteilchen, insbesondere Plättchen dieser, im Phasenwechselmaterial in einer Richtung senkrecht zur breiten Oberfläche der Phasenwechselschicht ausgerichtet werden können, wenn die Phasenwechselschicht unter Schwingungen in drei Richtungen gebildet wurde. Die senkrechte Ausrichtung der Bornitridteilchen kann zu einer weiteren Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit der Phasenwechselschicht führen.
Eine Ausführungsform eines geschichteten Phasenwechsel-Verbundwerkstoffs, der eine Phasenwechselschicht mit einer ersten Deckschicht und einer zweiten Deckschicht umfasst, die sich auf gegenüberliegenden Seiten der Phasenwechselschicht befinden, ist in 1 dargestellt. 1 zeigt eine Phasenwechselschicht 50, die eine Vielzahl von Bornitridpartikeln 52 und ein Phasenwechselmaterial 54 umfasst. Die Deckschichten 10 und 20 befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten der Phasenwechselschicht 50. Die erste Deckschicht 10 umfasst eine erste Vielzahl von Bornitridteilchen 12 in einem ersten Polymer 14 und die zweite Deckschicht 20 umfasst eine zweite Vielzahl von Bornitridteilchen 22 in einem zweiten Polymer 24. Die erste Deckschicht 10 und die zweite Deckschicht 20 stehen in direktem physikalischen Kontakt mit der Phasenwechselschicht 50. Die Dicke der Phasenwechselschicht 50 kann 0,05 bis 10 Millimeter (mm), 0,5 bis 2 mm oder 0,5 bis 1,5 mm betragen. Die erste Deckschicht 10 und die zweite Deckschicht 20 können jeweils unabhängig voneinander eine Schichtdicke von 0,001 bis 1 mm oder 0,01 bis 0,5 mm aufweisen.
Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff kann eine Schmelzwärme von mindestens 50 Joule pro Gramm (J/g) oder mindestens 75 J/g oder mindestens 100 J/g oder mindestens 240 J/g oder 50 bis 150 J/g, gemessen nach ASTM D3418-15, aufweisen. Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff kann eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 0,5 Watt pro Meter Kelvin (W/mK) oder 0,5 bis 1 W/mK, gemessen nach ASTM D5470-17, aufweisen.
Phasenwechselmaterialien haben eine charakteristische Übergangstemperatur. Der Begriff „Übergangstemperatur“ bezieht sich auf eine ungefähre Temperatur, bei der ein Material einen Übergang zwischen zwei Zuständen durchläuft. Die Übergangstemperatur kann sich auf eine einzige Temperatur oder auf einen Temperaturbereich beziehen, in dem der Übergang stattfindet, wie z. B. im Fall von Paraffin. Die Auswahl eines Phasenwechselmaterials kann von der Übergangstemperatur abhängen, die für eine bestimmte Anwendung, bei der das Phasenwechselmaterial eingesetzt werden soll, gewünscht wird. Zum Beispiel ein Phasenwechselmaterial mit einer Übergangstemperatur nahe der normalen Körpertemperatur oder etwa 37 Grad Celsius (°C). Das Phasenwechselmaterial kann eine Übergangstemperatur von -5 bis 150 °C haben, wobei eine solche Temperatur für elektronische Anwendungen wünschenswert sein kann, um Verletzungen des Benutzers zu vermeiden und Komponenten vor Überhitzung zu schützen. Im Allgemeinen kann das Phasenwechselmaterial jedoch eine Übergangstemperatur von -100 bis 150°C oder -5 bis 150°C oder 0 bis 90°C oder 30 bis 70°C oder 35 bis 50°C haben. Das Phasenwechselmaterial kann eine Übergangstemperatur von 25 bis 105°C oder 28 bis 60°C oder 45 bis 85°C oder 60 bis 80°C oder 80 bis 100°C haben. Das Phasenwechselmaterial kann eine Phasenübergangstemperatur von 5 bis 70°C, 20 bis 65°C, 25 bis 60°C, 30 bis 50°C oder 35 bis 45°C haben. Insbesondere für die Verwendung in LED- und elektronischen Bauteilen kann das in der Phasenwechsel-Komposition enthaltene Phasenwechselmaterial eine Übergangstemperatur von 0 bis 115°C, 10 bis 105°C, 20 bis 100°C oder 30 bis 95°C aufweisen.
Die Übergangstemperatur kann durch Änderung der Reinheit des Phasenwechselmaterials, durch Änderung der Molekularstruktur, durch Mischen von zwei oder mehr Phasenwechselmaterialien oder durch eine beliebige Kombination davon erhöht oder verringert werden. So kann beispielsweise ein Phasenwechselmaterial, das mindestens zwei oder mehr verschiedene Phasenwechselmaterialien enthält, zwei oder mehr verschiedene Übergangstemperaturen oder eine einzige veränderte Übergangstemperatur aufweisen. Mehrere oder breite Übergangstemperaturen können vorteilhaft sein, da die Menge der Wärmeübertragung als latente Wärme erhöht werden kann, wodurch die Übertragung der fühlbaren Wärme verzögert wird. Ein Phasenwechselmaterial mit mehreren oder breiten Übergangstemperaturen kann daher effizienter dazu beitragen, Wärme von einer benachbarten Komponente abzuleiten, indem es die Wärmeabsorption überlagert oder staffelt. Wenn beispielsweise eine Phasenwechsel-Komposition ein erstes Phasenwechselmaterial (PCM1) enthält, das bei 35 bis 40 °C absorbiert, und ein zweites Phasenwechselmaterial (PCM2), das bei 38 bis 45 °C absorbiert, dann kann PCM1, sobald die Phasenwechsel-Komposition eine Temperatur von 35 °C erreicht, damit beginnen, Wärme als latente Wärme zu absorbieren, bis sein Phasenwechsel abgeschlossen ist; während dieser Zeit wird PCM2 damit beginnen, Wärme als latente Wärme zu absorbieren, bis sein Phasenwechsel bei einer Temperatur von 45 °C abgeschlossen ist, wodurch der Temperaturbereich, in dem Wärme als latente Wärme absorbiert wird, vergrößert wird.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Fähigkeit des Phasenwechselmaterials, während des Phasenwechsels Wärme als latente Wärme zu absorbieren, vorübergehend ist und die weitere Wärmeübertragung nach dem Phasenwechsel zu einer Zunahme oder Abnahme der fühlbaren Wärme führt, wodurch die Temperatur des Phasenwechselmaterials erhöht oder verringert wird.
Die Auswahl des Phasenwechselmaterials kann auf seiner latenten Schmelzwärme oder der Menge an Energie beruhen, die beim Phasenwechsel des Phasenwechselmaterials pro Materialeinheit absorbiert oder freigesetzt wird. Das Phasenwechselmaterial kann eine latente Schmelzwärme von mindestens 20 Joule pro Gramm (J/g) oder mindestens 40 J/g oder mindestens 50 J/g oder mindestens 70 J/g oder mindestens 80 J/g oder mindestens 90 J/g oder mindestens 100 J/g aufweisen. Das Phasenwechselmaterial kann eine latente Schmelzwärme von 50 bis 400 J/g, oder 60 bis 400 J/g, oder 80 bis 400 J/g, oder 100 bis 400 J/g haben. Das Phasenwechselmaterial kann eine latente Schmelzwärme von mehr als oder gleich 150 J/g, mehr als oder gleich 180 J/g oder mehr als oder gleich 200 J/g haben. Die Schmelzwärme des Phasenwechselmaterials kann durch Differential-Scanning-Kalorimetrie gemäß ASTM D3418-15 bestimmt werden.
Als Phasenwechselmaterialien können verschiedene organische und anorganische Stoffe verwendet werden. Das Phasenwechselmaterial kann mindestens eine organische Verbindung (z. B. ein geradkettiges Alkan oder ein paraffinischer Kohlenwasserstoff, ein verzweigtes Alkan, ein ungesättigter Kohlenwasserstoff (z. B. ein Alken oder ein Alkin), ein alicyclischer Kohlenwasserstoff, ein halogenierter Kohlenwasserstoff (z. B. ein 1-Halogenid) oder eine aromatische Verbindung oder ein Aren), eine Fettsäure (z. B., Capronsäure, Caprylsäure, Laurinsäure, Myristinsäure, Palmitinsäure, Stearinsäure, Arachidinsäure, Behensäure, Lignocerinsäure oder Cerotinsäure), eine dibasische Säure, ein Fettsäureester (z. B. Methylcaprylat, Methylcaprat, Methyllaurat, Methylmyristat, Methylpalmitat, Methylstearat, Methylarachidat, Methylbehenat oder Methyllignocerat), ein Methylester, ein zweibasiger Ester, ein Alkohol (z. B. ein primärer Alkohol, ein sekundärer Alkohol, ein tertiärer Alkohol, ein mehrwertiger Alkohol (z. B. 2,2-Dimethyl-1,3-propandiol, 2-Hydroxymethyl-2-methyl-1,3-propandiol, Ethylenglykol, Polyethylenglykol, Pentaerythrit, Dipentaerythrit, Pentaglycerin, Tetramethylolethan, Neopentylglykol, Tetramethylolpropan, 2-Amino-2-methyl-1,3-propandiol, Monoaminopentaerythrit, Diaminopentaerythrit oder Tris(hydroxymethyl)essigsäure), einen Fettalkohol (zum Beispiel Caprylalkohol, Laurylalkohol, Myristylalkohol, Cetylalkohol, Stearylalkohol, Arachidylalkohol, Behenylalkohol, Lignocerylalkohol, Cerylalkohol, Montanylalkohol, Myrricylalkohol, oder Geddylalkohol), ein Zuckeralkohol (z. B. Erythrit, D-Mannit, Galactit, Xylit oder D-Sorbit), ein hydratisiertes Salz (z. B. Calciumchloridhexahydrat, Calciumbromidhexahydrat, Magnesiumnitrathexahydrat, Lithiumnitrattrihydrat, Kaliumfluoridtetrahydrat, Ammoniumalaun, Magnesiumchloridhexahydrat, Natriumcarbonatdecahydrat, Dinatriumphosphat-Dodekahydrat, Natriumsulfat-Dekahydrat oder Natriumacetat-Trihydrat), ein Polymer (zum Beispiel Polyethylen, Poly(ethylenglykol), Polypropylen, Poly(propylenglykol), Poly(tetramethylenglykol), Poly(propylenmalonat), Poly(neopentylglykolsebacat), Poly(pentanglutarat), Poly(vinylmyristat), Poly(vinylstearat), Poly(vinyllaurat), Poly(hexadecylmethacrylat), Poly(octadecylmethacrylat), ein Polyester, der durch Polykondensation von Glykolen (oder deren Derivaten) mit Disäuren (oder deren Derivaten) hergestellt wird, ein Copolymer (z.B. Polyacrylat oder Poly(meth)acrylat mit Alkylkohlenwasserstoffseitenkette oder mit Polyethylenglykolseitenkette oder ein Copolymer, das mindestens eines von Polyethylen, Poly(ethylenglykol), Polypropylen, Poly(propylenglykol) oder Poly(tetramethylenglykol)), ein Anhydrid (z. B. Stearinsäureanhydrid), ein Silikonwachs, ein Clathrat, ein Halbclathrat, ein Gasclathrat, Ethylencarbonat, ein Öl (z. B. ein Pflanzenöl (z. B. Sojabohnenöl, Palmöl oder Rizinusöl)), Wasser oder ein Metall. Das Phasenwechselmaterial kann aus einem Öl bestehen, das gereinigt oder anderweitig behandelt werden kann, um es für die Verwendung als Phasenwechselmaterial geeignet zu machen. Das Phasenwechselmaterial, das in der Phasenwechsel-Komposition verwendet wird, kann eine organische Substanz sein.
Das Phasenwechselmaterial kann mindestens einen paraffinischen Kohlenwasserstoff, eine Fettsäure oder einen Fettsäureester enthalten. Der paraffinische Kohlenwasserstoff kann die Formel C_n H_n+2 haben, wobei n 10 bis 44 oder 10 bis 36 sein kann. Die Übergangstemperatur und die Schmelzwärme einer homologen Reihe von Paraffinkohlenwasserstoffen, einer homologen Reihe von Fettsäuren oder einer homologen Reihe von Fettsäureestern können direkt mit der Anzahl der Kohlenstoffatome in Beziehung gesetzt werden. Das Phasenwechselmaterial kann mindestens einen paraffinischen Kohlenwasserstoff, eine Fettsäure oder einen Fettsäureester mit 15 bis 40 Kohlenstoffatomen, 18 bis 35 Kohlenstoffatomen oder 18 bis 28 Kohlenstoffatomen enthalten. Bei dem Phasenwechselmaterial kann es sich um einen einzelnen paraffinischen Kohlenwasserstoff, eine Fettsäure oder einen Fettsäureester oder um eine Mischung aus Kohlenwasserstoffen, Fettsäuren oder Fettsäureestern handeln. Das Phasenwechselmaterial kann aus einem Pflanzenöl bestehen.
Die Menge des Phasenwechselmaterials in der Phasenwechselschicht kann von der Art des verwendeten Phasenwechselmaterials, der gewünschten Übergangstemperatur, der Art des verwendeten Bornitrids und ähnlichen Überlegungen abhängen. Die Menge des Phasenwechselmaterials in der Phasenwechselschicht kann 1 bis 99 Volumenprozent (Vol.-%), 50 bis 99 Vol.-% oder 80 bis 95 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Phasenwechselschicht, betragen. Die Menge des Phasenwechselmaterials in der Phasenwechselschicht kann mindestens 65 Volumenprozent, mindestens 70 Volumenprozent, mindestens 75 Volumenprozent, mindestens 80 Volumenprozent, mindestens 85 Volumenprozent, mindestens 90 Volumenprozent oder mindestens 95 Volumenprozent und nicht mehr als 99,9 Volumenprozent, nicht mehr als 98 Volumenprozent, nicht mehr als 97 Volumenprozent oder nicht mehr als 95 Volumenprozent betragen, bezogen auf das Gesamtvolumen der Phasenwechselschicht. Die erste und die zweite Deckschicht können jeweils unabhängig voneinander 0 bis 5 Vol% oder 0 bis 1 Vol% eines Phasenwechselmaterials, bezogen auf das Gesamtvolumen der Phasenwechselschicht, enthalten.
Die Phasenwechselschicht, die erste Deckschicht und die zweite Deckschicht können jeweils unabhängig voneinander ein Bindemittel enthalten. Die Phasenwechselschicht kann 0,5 bis 15 Vol% oder 1 bis 6 Vol% des Bindemittels, bezogen auf das Gesamtvolumen der Phasenwechselschicht, enthalten. Die erste Deckschicht und die zweite Deckschicht können jeweils unabhängig voneinander 10 bis 100 Vol% oder 30 bis 70 Vol% oder 30 bis 50 Vol% des Bindemittels, bezogen auf das Gesamtvolumen der jeweiligen Deckschicht, enthalten. Das Bindemittel kann mindestens eines der folgenden Polymere umfassen: ein thermoplastisches Polymer oder ein wärmehärtendes Polymer. Das Bindemittel kann aus mindestens einem der folgenden Materialien bestehen: Polystyrol, Epoxid, Polybutadien oder Polyisopren.
Das thermoplastische Polymer kann mindestens eines der folgenden umfassen: Polyolefin (z. B. ein zyklisches Olefinpolymer), Fluorpolymer, Polyacetal, Poly(C_1-6 alkyl)acrylat, Polyacrylamid, Polyacrylnitril, Polyamid, Polyamidimid, Polyanhydrid, Polyarylenether, Polyarylenetherketone, Polyarylenketon, Polyarylensulfid, Polyarylensulfon, Polybenzothiazol, Polybenzoxazol, Polybenzimidazol, Polycarbonat, Polyester, Polyetherimid, Polyimid, Poly(C_1-6 alkyl)methacrylat, Polymethacrylamid, Polyoxadiazol, Polyoxymethylen, Polyphthalid, Polysilazan, Polysiloxan, Polystyrol, Polysulfid, Polysulfonamid, Polysulfonat, Polythioester, Polytriazin, Polyharnstoff, Polyurethan, oder ein Vinylpolymer.
Duroplastische Polymere werden von wärmehärtenden Monomeren oder Präpolymeren (Harzen) abgeleitet, die durch Polymerisation oder Aushärtung, die durch Wärme oder Strahlung (z. B. ultraviolettes Licht, sichtbares Licht, Infrarotlicht oder Elektronenstrahl) ausgelöst werden kann, irreversibel aushärten und unlöslich werden. Zu den duroplastischen Polymeren gehören Alkydharze, Bismaleimid-Polymere, Bismaleimid-Triazin-Polymere, Cyanatester-Polymere, Benzocyclobuten-Polymere, Benzoxazin-Polymere, Diallylphthalat-Polymere, Epoxide, Hydroxymethylfuran-Polymere, Melamin-Formaldehyd-Polymere, Phenole (einschließlich Phenol-Formaldehyd-Polymere wie Novolacs und Resole), Benzoxazine, Polydiene wie Polybutadiene (einschließlich ihrer Homopolymere und Copolymere, z.z. B. Poly(butadien-isopren)), Polyisocyanate, Polyharnstoffe, Polyurethane, Triallylcyanuratpolymere, Triallylisocyanuratpolymere, bestimmte Silikone und polymerisierbare Präpolymere (z. B., Präpolymere mit ethylenischer Ungesättigtheit, wie ungesättigte Polyester, Polyimide) oder dergleichen. Die Präpolymere können polymerisiert, copolymerisiert oder vernetzt werden, z. B. mit einem reaktiven Monomer wie Styrol, alpha-Methylstyrol, Vinyltoluol, Chlorstyrol, Acrylsäure, (Meth)acrylsäure, einem (C_1-6 Alkyl)acrylat, einem (C_1-6 Alkyl)methacrylat, Acrylnitril, Vinylacetat, Allylacetat, Triallylcyanurat, Triallylisocyanurat oder Acrylamid. Das gewichtsmittlere Molekulargewicht der Präpolymere kann 400 bis 10.000 Dalton auf der Grundlage von Polystyrolstandards betragen.
Die Phasenwechselschicht und gegebenenfalls eine oder beide der ersten Deckschicht und der zweiten Deckschicht umfassen eine Vielzahl von Bornitridteilchen. Die Vielzahl der Bornitridteilchen kann aus einzelnen Teilchen (Primärteilchen) oder aus Agglomeraten (Sekundärteilchen) bestehen, die eine Vielzahl von Teilchen enthalten, oder beides. Die Vielzahl der Bornitridteilchen (Primärteilchen oder Teilchenagglomerate) kann eine durchschnittliche Teilchengröße von 0,1 bis 1.000 Mikrometer oder 5 bis 500 Mikrometer oder 10 bis 250 Mikrometer oder 25 bis 150 Mikrometer oder 500 Nanometer bis 100 Mikrometer oder 3 bis 40 Mikrometer aufweisen. Die Vielzahl der Bornitridteilchen kann unregelmäßig geformte hexagonale Bornitridplättchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von mehr als oder gleich 10 Mikrometern umfassen. Die hier verwendete Bezeichnung „Partikelgröße“ bezieht sich auf den mittleren Durchmesser oder den äquivalenten Durchmesser, der am besten durch eine Standard-Laserpartikelmessung bestimmt wird. Die Partikelgröße kann sich auf die Partikelgröße D₅₀ beziehen, die als Median-Durchmesser oder Median-Wert der Partikelgrößenverteilung bekannt ist; es handelt sich um den Wert des Partikeldurchmessers bei 50 % in der kumulativen Verteilung nach Masse.
Die Vielzahl der Bornitridteilchen kann in Form von mindestens einem Pulver (einschließlich Flocken, Plättchen und anderen Formen), Fasern, Stäben, Whiskern, Blättern, Nanoblättern, Agglomeraten oder Bornitrid-Nanoröhren (BNNT) vorliegen und kann hinsichtlich des kristallinen Typs, der Form und der Größe variieren, einschließlich einer Verteilung der vorgenannten. Die Vielzahl der Bornitridteilchen kann ein durchschnittliches Seitenverhältnis (das Verhältnis von Breite oder Durchmesser zu Länge eines Teilchens) von 1:2 bis 1:100.000, oder 1:5 bis 1:1.000, oder 1:10 bis 1:300 haben. Beispielhafte Formen von Teilchen mit besonders hohem Aspektverhältnis sind Plättchen, stäbchenförmige Teilchen, Fasern, Whisker und dergleichen. Die Vielzahl der Bornitridteilchen kann aus Bornitridplättchen bestehen, zum Beispiel aus hexagonalem Bornitrid in Form von Plättchen. Die genaue Form der Plättchen ist nicht entscheidend. In dieser Hinsicht können die Bornitridplättchen unregelmäßige Formen haben. Es wird darauf hingewiesen, dass der Begriff „Plättchen“, wie er hier verwendet wird, im Allgemeinen alle dünnen, abgeflachten Teilchen, einschließlich Flocken, beschreibt. Die Plättchen können ein durchschnittliches Seitenverhältnis (das Verhältnis von Breite zu Länge eines Teilchens) von 4:5 bis 1:300, oder 1:2 bis 1:300, oder 1:2 bis 1:200, oder 3:5 bis 1:100, oder 1:25 bis 1:100 haben.
Was den kristallinen Typ betrifft, so können die Bornitridteilchen mindestens eine hexagonale, kubische, wurtzitische, rhomboedrische oder eine andere synthetische Struktur aufweisen. Unter den verschiedenen Strukturen können Bornitridteilchen mit hexagonaler Struktur (hBN) eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit von z. B. 10 bis 300 W/mK oder mehr erreichen, und Teilchen mit kubischer Struktur können eine extrem hohe Wärmeleitfähigkeit von maximal 1.300 W/mK erreichen. Die Wärmeleitfähigkeit der Bornitridteilchen kann gemäß ASTM E1225-13 bestimmt werden. Hexagonales Bornitrid hat eine Schichtstruktur, ähnlich wie Graphit, bei der die Schichten so aufeinander gestapelt sind, dass die hexagonalen Ringe in den Schichten übereinstimmen. Die Positionen der N- und B-Atome wechseln sich von Schicht zu Schicht ab. Die Vielzahl der Bornitridteilchen kann eine hexagonale Struktur mit einem Kristallisationsindex von mindestens 0,12, 0,20 bis 0,55 oder 0,30 bis 0,55 aufweisen. Die hexagonalen Bornitridteilchen können aus einer Vielzahl von kommerziellen Quellen bezogen werden.
Kristalline oder teilkristalline Bornitridteilchen können durch bekannte Verfahren hergestellt werden. Dazu gehört beispielsweise Bornitridpulver, das nach dem in den US-Patentnummern 5.898.009 und 6.048.511 offengelegten Pressverfahren hergestellt wird, das in der US-Patentveröffentlichung Nr. 2005/0041373 offengelegte agglomerierte Bornitridpulver und das in der US-Patentnummer 6.951.583 offengelegte hoch delaminierte Bornitridpulver. Eine Vielzahl von Bornitridpulvern ist im Handel erhältlich, zum Beispiel von Momentive unter dem Handelsnamen POLARTHERMA™ boron nitride.
Die Vielzahl der Bornitridteilchen kann eine Beschichtung umfassen. Die Beschichtung kann mindestens eines der folgenden Elemente umfassen: Kohlenstoff, Aluminium, Silizium, Germanium, Kupfer, Nickel, Palladium, Platin, Iridium, Kobalt, Eisen, Ruthenium, Molybdän, Wolfram, Tantal, Zirkonium oder Titan, beispielsweise in Form von mindestens einem Carbid, Oxid, Nitrid, Sulfid oder Phosphid. Die Beschichtung kann aus mindestens einem anorganischen Karbid (wie Aluminiumkarbid oder Titankarbid), einem anorganischen Oxid (wie Aluminiumoxid (Al₂O₃), Magnesiumoxid, Siliziumdioxid (SiO₂), Titandioxid, Yttriumoxid, Zirkoniumoxid oder Zinkoxid) bestehen, ein anorganisches Nitrid (wie Aluminiumnitrid (AIN) oder Siliziumnitrid), ein anorganisches Sulfid (wie Galliumsulfid, Molybdänsulfid, oder Wolframsulfid), ein anorganisches Hydroxid (wie Aluminiumhydroxid (Al_xO_yH_z), Zinkhydroxid (Zn_xO_yH_z), oder Siliziumhydroxid (Si_xO_yH_z)), oder ein anorganisches Phosphid. Die Beschichtung kann mindestens eines von Siliziumdioxid oder Aluminiumoxid enthalten. Die Beschichtung kann aus einer oder mehreren unterschiedlichen Beschichtungsschichten bestehen, die sich auch abwechseln können. Die Beschichtung kann durch Atomlagenabscheidung (ALD) auf die Vielzahl von Bornitridteilchen aufgebracht werden. ALD ist eine Art der chemischen Abscheidung aus der Gasphase, bei der ein dünner Film auf einem Substrat mit Hilfe von chemischen Vorläufern in der Gasphase abgeschieden wird, die an der Substratoberfläche reagieren.
Die Vielzahl der Bornitridteilchen kann mit einem Haftvermittler oberflächenbehandelt werden. Haftvermittler fördern die Bildung kovalenter Bindungen, die die Adhäsion zwischen dem Füllstoff und der duroplastischen Polymermatrix verbessern, oder beteiligen sich an diesen. Zu den beispielhaften Haftvermittlern gehören Silane, Zirkonate, Titanate und dergleichen, wie Vinyltrichlorsilan, Vinyltrimethoxysilan, Trivinylmethoxysilan, Vinyltriethoxysilan, Vinyltris(β-methoxyethoxy)silan, β-(3,4-Epoxycyclohexyl)ethyltrimethoxysilan, N-Phenyl-γ-aminopropyltrimethoxysilan, γ-Glycidoxypropyltrimethoxysilan, N-β(Aminoethyl)γ-aminopropyltrimethoxysilan, γ-Glycidoxypropylmethyldiethoxysilan, N-β(Aminoethyl)γ-aminopropyltriethoxysilan, γ-Glycidoxypropyltriethoxysilan, N-β(Aminoethyl)γ-aminopropylmethyldimethoxysilan, Bis(trimethoxysilylethyl)benzol, γ-Methacryloxypropylmethyldimethoxysilan, γ-Methacryloxypropyltrimethoxysilan, γ-Methacryloxypropylmethyldiethoxysilan, γ-Methacryloxypropyltriethoxysilan, Bis(triethoxysilyl)ethylen, triethoxysilylmodifiziertes Butadien, Styrylethyltrimethyloxysilan, γ-Aminopropyltrimethoxysilan, γ-Aminopropyltriethoxysilan, Trimethoxyphenylsilan, Perfluorooctyltriethoxysilan oder γ-Mercaptopropyltrimethoxysilan.
Die Phasenwechselschicht kann 5 bis 95 Vol% oder 50 bis 90 Vol% der Vielzahl von Bornitridteilchen, bezogen auf das Gesamtvolumen der Phasenwechselschicht, umfassen. Die erste Deckschicht und die zweite Deckschicht können jeweils unabhängig voneinander 0 bis 90 Vol.-% oder 10 bis 80 Vol.-% oder 30 bis 70 Vol.-% oder 50 bis 70 Vol.-% einer Vielzahl von Bornitridteilchen, bezogen auf das Volumen der jeweiligen Deckschicht, umfassen. Mindestens eine der Deckschichten kann mehr als 0 bis 90 Vol% oder 30 bis 70 Vol% oder 50 bis 70 Vol% einer Vielzahl von Bornitridpartikeln, bezogen auf das Gesamtvolumen der jeweiligen Deckschicht, umfassen.
Die Bornitridteilchen in der Phasenwechselschicht können ausgerichtet sein. Ein durchschnittlicher Winkel der Bornitridteilchen kann beispielsweise 0 bis 45° oder 10 bis 35° betragen, wobei der Winkel θ entlang der Senkrechten gemessen wird (siehe 1).
Die Phasenwechselschicht, die erste Deckschicht und die zweite Deckschicht können jeweils unabhängig voneinander einen zusätzlichen Füllstoff enthalten, der nicht aus Bornitrid besteht, um beispielsweise die dielektrischen Eigenschaften des geschichteten Phasenwechsel-Verbundmaterials anzupassen. Es kann ein Füllstoff mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten, wie z. B. Glaskugeln, Siliziumdioxid oder gemahlene Mikroglasfasern, verwendet werden. Es kann eine thermisch stabile Faser, wie ein aromatisches Polyamid oder ein Polyacrylnitril, verwendet werden. Zu den repräsentativen Füllstoffen gehören Titandioxid (Rutil und Anatas), Bariumtitanat, Strontiumtitanat, geschmolzenes amorphes Siliziumdioxid, Korund, Wollastonit, Aramidfasern (z. B., KEVLAR™ von DuPont), Glasfaser, Ba₂Ti₉O₂₀, Quarz, Aluminiumnitrid, Siliziumkarbid, Berylliumoxid, Aluminiumoxid, Magnesia, Glimmer, Talkum, Nanotone, Aluminiumsilikate (natürlich und synthetisch) oder pyrogenes Siliziumdioxid (z. B. CAB-O-SIL™ von Cabot Corporation), die jeweils einzeln oder in Kombination verwendet werden können.
Der zusätzliche Füllstoff kann in Form von festen, porösen oder hohlen Partikeln vorliegen. Die Teilchengröße des zusätzlichen Füllstoffs beeinflusst eine Reihe wichtiger Eigenschaften wie Wärmeausdehnungskoeffizient, Modul, Dehnung und Flammfestigkeit. Der zusätzliche Füllstoff kann eine durchschnittliche Teilchengröße von 0,1 bis 15 Mikrometern oder 0,2 bis 10 Mikrometern haben. Es kann eine Kombination von Füllstoffen mit einer bimodalen, trimodalen oder höheren durchschnittlichen Teilchengrößenverteilung verwendet werden. Der Füllstoff kann in einer Menge von 0,1 bis 80 Volumenprozent oder 1 bis 65 Volumenprozent oder 5 bis 50 Volumenprozent, bezogen auf das Gesamtvolumen der jeweiligen Schicht, enthalten sein.
Die Phasenwechselschicht, die erste Deckschicht und die zweite Deckschicht können jeweils unabhängig voneinander ein Additiv enthalten, wie z. B. mindestens ein Flammschutzmittel, einen Aushärtungsinitiator, ein Vernetzungsmittel, einen Viskositätsmodifikator, ein Benetzungsmittel oder ein Antioxidationsmittel. Die Wahl der Additive kann von dem verwendeten Polymer, der jeweiligen Anwendung des geschichteten Phasenwechsel-Verbundmaterials oder den gewünschten Eigenschaften für diese Anwendung abhängen und kann so gewählt werden, dass die elektrischen Eigenschaften bei Verwendung in einer Schaltungsunterbaugruppe, wie Wärmeleitfähigkeit, Dielektrizitätskonstante, Verlustfaktor, dielektrischer Verlust oder andere gewünschte Eigenschaften, verbessert oder nicht wesentlich nachteilig beeinflusst werden.
Das Flammschutzmittel kann anorganisch sein und in Form von Partikeln vorliegen. Das anorganische Flammschutzmittel kann ein Metallhydrat umfassen, das beispielsweise einen volumengemittelten Teilchendurchmesser von 1 bis 500 Nanometer (nm) oder 1 bis 200 nm oder 5 bis 200 nm oder 10 bis 200 nm aufweist; alternativ kann der volumengemittelte Teilchendurchmesser 500 nm bis 15 Mikrometer oder 1 bis 5 Mikrometer betragen. Das Metallhydrat kann ein Hydrat eines Metalls umfassen, z. B. mindestens eines von Mg, Ca, AI, Fe, Zn, Ba, Cu oder Ni. Es können Hydrate von Mg, AI oder Ca verwendet werden, z. B. mindestens eines von Aluminiumhydroxid, Magnesiumhydroxid, Calciumhydroxid, Eisenhydroxid, Zinkhydroxid, Kupferhydroxid, Nickelhydroxid oder Hydrate von Calciumaluminat, Gipsdihydrat, Zinkborat oder Bariummetaborat. Es können auch Mischungen dieser Hydrate verwendet werden, z. B. ein Hydrat, das Mg und mindestens eines der Elemente Ca, AI, Fe, Zn, Ba, Cu oder Ni enthält. Ein zusammengesetztes Metallhydrat kann die Formel MgM_x(OH)_y haben, in der M Ca, AI, Fe, Zn, Ba, Cu oder Ni ist, x 0,1 bis 10 und y 2 bis 32 ist. Die flammhemmenden Teilchen können beschichtet oder anderweitig behandelt werden, um die Dispersion oder andere Eigenschaften zu verbessern.
Organische Flammschutzmittel können alternativ oder zusätzlich zu den anorganischen Flammschutzmitteln verwendet werden. Beispiele für organische Flammschutzmittel sind Melamincyanurat, feinteiliges Melaminpolyphosphat, verschiedene andere phosphorhaltige Verbindungen wie aromatische Phosphinate, Diphosphinate, Phosphonate, Phosphate, Polysilsesquioxane, Siloxane oder halogenierte Verbindungen (wie Hexachlorendomethylentetrahydrophthalsäure (HET-Säure), Tetrabromphthalsäure oder Dibromonopentylglykol). Beispiele für bromierte Flammschutzmittel sind SAYTEX™ BT93W (Ethylenbistetrabromophthalimid), SAYTEX™ 120 (Tetradecabromdiphenoxybenzol) oder SAYTEX™ 102 (Decabromdiphenyloxid), die im Handel von Albermarle Corporation erhältlich sind. Das Flammschutzmittel kann in Kombination mit einem Synergisten verwendet werden, z. B. kann ein halogeniertes Flammschutzmittel in Kombination mit einem Synergisten wie Antimontrioxid verwendet werden, und ein phosphorhaltiges Flammschutzmittel kann in Kombination mit einer stickstoffhaltigen Verbindung wie Melamin verwendet werden.
Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff kann gebildet werden durch Bilden der ersten Deckschicht aus einer ersten Zusammensetzung; Bilden der Phasenwechselschicht aus einer Phasenwechsel-Komposition, wobei das Bilden der Phasenwechselschicht das Vibrieren der Phasenwechsel-Komposition auf einer 3-direktionalen Vibrationsstufe umfasst; und Bilden der zweiten Deckschicht aus einer zweiten Zusammensetzung. Die Bildung der ersten Deckschicht und der zweiten Deckschicht kann jeweils unabhängig voneinander das Vibrieren der jeweiligen Zusammensetzung auf einer 3-direktionalen Vibrationsstufe umfassen. Die Bildung der Phasenwechselschicht kann das Erhitzen der Phasenwechsel-Komposition auf eine Temperatur umfassen, die größer oder gleich der Phasenwechseltemperatur ist.
Die Phasenwechsel-Komposition kann frei von einem Lösungsmittel sein. Zum Beispiel kann die Phasenwechsel-Komposition 0 bis 0,5 Gew.-% oder 0 Gew.-% eines Lösungsmittels, bezogen auf das Gesamtgewicht der Phasenwechsel-Komposition, enthalten.
In einem Aspekt kann der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff eine Phasenänderungsschicht, die ein Phasenänderungsmaterial, eine Vielzahl von Bornitridteilchen und ein Bindemittel umfasst, und eine erste Deckschicht oder sowohl eine erste Deckschicht als auch eine zweite Deckschicht, die sich auf gegenüberliegenden Seiten der Phasenänderungsschicht befinden, umfassen. Die Phasenänderungsschicht kann 1 bis 99 Vol.-% des Phasenänderungsmaterials, 5 bis 95 Vol.-% der Vielzahl von Bornitridteilchen und 0,5 bis 15 Vol.-% des Bindemittels umfassen, jeweils bezogen auf das Gesamtvolumen der Phasenänderungsschicht. Das Phasenwechselmaterial kann eine Übergangstemperatur von -5 bis 150°C aufweisen. Das Phasenwechselmaterial kann mindestens eines der folgenden Materialien enthalten: ein C_10-36 Alkan, eine C_10-35 Fettsäure, einen C_10-35 Fettsäureester oder ein Pflanzenöl. Die Bornitridteilchen können eine Vielzahl von hexagonalen Bornitridplättchen umfassen. Das Bindemittel kann mindestens eines von Polystyrol, Epoxid, Polybutadien oder Polyisopren umfassen. Die Dicke der Phasenwechselschicht kann 0,05 bis 10 mm, 0,5 bis 2 mm oder 0,5 bis 1,5 mm betragen, und jede der Deckschichten kann unabhängig voneinander eine Schichtdicke von 0,001 bis 1 mm oder 0,01 bis 0,5 mm aufweisen. Die erste Deckschicht und die zweite Deckschicht können jeweils unabhängig voneinander 10 bis 100 Vol.-% eines Bindemittels, z. B. eines Epoxids, bezogen auf das Gesamtvolumen der jeweiligen Deckschicht, und gegebenenfalls eine Vielzahl von Plättchen aus hexagonalem Bornitrid umfassen.
Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff kann gebildet werden durch Bilden einer ersten Deckschicht aus einer ersten Zusammensetzung, die ein Polymer und gegebenenfalls eine Vielzahl von Bornitridteilchen umfasst; Gießen einer härtbaren Zusammensetzung, die ein Phasenwechselmaterial und eine erste Vielzahl von Bornitridteilchen umfasst, auf den 3-Richtungs-Vibrationstisch, Vibrieren des Tisches in drei Richtungen und Härten des Härters der härtbaren Zusammensetzung, um die Phasenwechselschicht zu bilden; und Bilden einer zweiten Deckschicht aus einer zweiten Zusammensetzung, die ein zweites Polymer und gegebenenfalls eine zweite Vielzahl von Bornitridteilchen umfasst, auf der Phasenwechselschicht.
Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff kann gebildet werden, indem eine erste härtbare Zusammensetzung, die ein erstes Lösungsmittel und gegebenenfalls eine Vielzahl von Bornitridteilchen umfasst, auf einen 3-direktionalen Vibrationstisch gegossen wird, das erste Lösungsmittel verdampft wird, während der Tisch in drei Richtungen vibriert, und die erste härtbare Zusammensetzung gehärtet wird, um die erste Deckschicht zu bilden; Gießen einer härtbaren Zusammensetzung, die ein Phasenänderungsmaterial und eine erste Vielzahl von Bornitridteilchen umfasst, auf dem 3-direktionalen Vibrationstisch, Vibrieren des Tisches in drei Richtungen und Härten der härtbaren Zusammensetzung, um die Phasenänderungsschicht zu bilden; und Gießen einer zweiten härtbaren Zusammensetzung, die ein zweites Lösungsmittel und gegebenenfalls eine zweite Vielzahl von Bornitridteilchen umfasst, auf einen 3-direktionalen Vibrationstisch, Verdampfen des zweiten Lösungsmittels, während der Tisch in drei Richtungen vibriert, und Härten der zweiten härtbaren Zusammensetzung, um die zweite Deckschicht zu bilden. Die erste härtbare Zusammensetzung kann ein erstes Epoxid und einen ersten Härter enthalten. Die zweite härtbare Zusammensetzung kann ein zweites Epoxid und einen zweiten Härter enthalten. Die Phasenwechsel-Komposition kann ein Bindemittel enthalten. Es wird darauf hingewiesen, dass die Bildung der ersten und der zweiten Deckschicht jeweils unabhängig voneinander ohne Vibration erfolgen kann, insbesondere wenn sie frei von einer Vielzahl von Bornitridteilchen sind.
Die erste härtbare Zusammensetzung und die zweite härtbare Zusammensetzung können jeweils unabhängig voneinander 3 bis 50 Gew.-% des ersten Lösungsmittels bzw. des zweiten Lösungsmittels, bezogen auf das Gesamtgewicht der jeweiligen Zusammensetzungen, enthalten. Das erste Lösungsmittel und das zweite Lösungsmittel können unabhängig voneinander mindestens eines von Methanol, Ethanol, Isopropanol, Butanol, Xylol, Toluol, Methylethylketon, Methylisobutylketon, Hexan, Heptan, Octan, Nonan, Cyclohexan, Isophoron oder ein Lösungsmittel auf Terpenbasis umfassen. Die erste Deckzusammensetzung und die zweite Zusammensetzung können jeweils unabhängig voneinander 3 bis 50 Gew.-% eines Lösungsmittels, bezogen auf das Gesamtgewicht der jeweiligen Deckzusammensetzung, enthalten.
Die Schichten des Verbundwerkstoffs können in einem schichtweisen Verfahren gebildet werden, bei dem die erste Deckschicht gebildet wird, die Phasenwechselschicht auf der ersten Deckschicht gebildet wird und die zweite Deckschicht auf der Phasenwechselschicht gebildet wird. Beispielsweise kann die Bildung der Phasenwechselschicht das Aufgießen der härtbaren Zusammensetzung auf die erste Deckschicht und die Bildung der zweiten Deckschicht das Aufgießen der zweiten härtbaren Zusammensetzung auf die Phasenwechselschicht umfassen. Umgekehrt kann die Bildung der Schichten des Verbundwerkstoffs die Bildung eines Schichtstapels aus der ersten Deckschicht, der Phasenänderungsschicht und der zweiten Deckschicht und das anschließende Laminieren des Schichtstapels umfassen.
Wenn vibriert wird, kann das Vibrieren das Vibrieren der jeweiligen Zusammensetzung bis zum Erreichen eines Gelpunktes umfassen. Das Vibrieren kann ein Vibrieren in z-Richtung mit einer Vibrationsfrequenz von 60 Hertz (Hz) umfassen, wobei die Vibration überwiegend in der z-Achse erfolgen kann, mit Vibrationsgeräuschen in x- und y-Richtung.
Die jeweiligen Schichten können durch Sprühbeschichtung, Luftzerstäubung, Airless-Zerstäubung, elektrostatisches Sprühen, Schlitzdüsenbeschichtung, Kontaktschlitzbeschichtung, Vorhangbeschichtung, Rakelbeschichtung, Walzenbeschichtung, Kiss-Coating, Transferbeschichtung, Bürsten, Siebdruck, Tamponieren, Tauchbeschichtung, Tränken, Drucken gebildet werden, Druck- oder Schwerkraftdüsen/-pistolen, Heißschmelzapplikatoren, Formen, Umspritzen, Spritzgießen, Reaktionsspritzgießen, Pultrusion, Extrusion, Plasmabeschichtung oder ein Harzinfusionsverfahren (z. B. Resin Transfer Molding (RTM), Vakuuminfusionsverfahren (VIP) oder vakuumunterstütztes RTM (VARTM)).
Die erste Deckschicht und die zweite Deckschicht können jeweils unabhängig voneinander durch Gießen auf einen Träger gebildet werden, von dem sie später abgelöst werden, oder alternativ auf eine leitende Metallschicht, die später zu einer Schicht einer Schaltungsstruktur geformt werden kann.
Nachdem jede Schicht unabhängig voneinander gebildet wurde, kann ein eventuell vorhandenes Lösungsmittel verdampft werden. Nachdem jede Schicht unabhängig voneinander gebildet wurde, kann die Schicht gegebenenfalls zumindest teilweise ausgehärtet (B-Stufe) oder vollständig ausgehärtet werden. Jede Schicht kann unabhängig voneinander zunächst teilweise ausgehärtet und dann im Schichtstapel vollständig ausgehärtet werden, um die Haftung zwischen den jeweiligen Schichten zu fördern. Jede Schicht kann unabhängig voneinander erhitzt werden, z. B. auf 20 bis 200 °C, 30 bis 150 °C oder 40 bis 100 °C.
Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff kann optional eine oder mehrere zusätzliche Schichten umfassen. So können beispielsweise eine oder mehrere zusätzliche Phasenwechselschichten vorhanden sein, gegebenenfalls mit zusätzlichen Deckschichten. Die Zusammensetzung kann z. B. eine Klebeschicht umfassen, die sich zwischen der Phasenwechselschicht und einer Deckschicht befindet. Umgekehrt kann die Phasenwechselschicht in direktem physischen Kontakt mit einer oder beiden der ersten Deckschicht und der zweiten Deckschicht stehen.
Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff kann dem Bauelement eine verbesserte thermische Stabilität verleihen, was dazu führt, dass eine Verschlechterung der Leistung und Lebensdauer der elektronischen Bauelemente vermieden werden kann. Die Kombination aus Bornitridteilchen und dem Phasenwechselmaterial kann für die Verwendung als Wärmemanagementmaterialien vorteilhaft sein, insbesondere in der Elektronik, wo das Vorhandensein des Phasenwechselmaterials eine Kombination aus hoher latenter Wärmekapazität und Energieabsorption ermöglichen kann und das Vorhandensein des Bornitrids die Wärmeübertragungsrate in die und aus der Phasenwechselschicht erhöhen kann, was zu einem verbesserten Wärmemanagement, einem geringeren Wärmestau, weniger Problemen und schnelleren Prozessorgeschwindigkeiten führen kann.
Ein Gegenstand kann den geschichteten Phasenwechsel-Verbundwerkstoff enthalten. Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff kann in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, darunter elektronische Geräte, LED-Geräte oder Batterien. Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff kann in einer Vielzahl von elektronischen Geräten und allen anderen Geräten verwendet werden, die Wärme erzeugen, die die Leistung der Prozessoren und anderer Schaltkreise (Speicher, Videochips oder Telekommunikationschips) beeinträchtigt. Beispiele für solche elektronischen Geräte sind Mobiltelefone, Personal Digital Assistants (PDAs), Smartphones, Tablets, Laptops, Handscanner oder andere allgemein tragbare Geräte. Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff kann in praktisch jedes elektronische Gerät eingebaut werden, das während des Betriebs gekühlt werden muss, z. B. Elektronik in Konsumgütern, medizinischen Geräten, Automobilkomponenten, Flugzeugkomponenten, Radarsystemen, Leitsystemen oder globalen Positionierungssystemen. Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff kann in einer Batterie, einem Motorsteuergerät (ECU), einem Airbagmodul, einem Körpertemperaturregler, einem Türmodul, einem Tempomatmodul, einer Instrumententafel, einem Klimakontrollmodul, einem Anti-Blockier-Bremsmodul (ABS), einem Getriebesteuergerät oder einem Stromverteilungsmodul verwendet werden. Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff und die daraus hergestellten Gegenstände können auch in die Gehäuse von elektronischen oder anderen Bauteilen integriert werden. Im Allgemeinen kann jedes Gerät, das auf die Leistungsmerkmale eines elektronischen Prozessors oder einer anderen elektronischen Schaltung angewiesen ist, von den verbesserten oder stabileren Leistungsmerkmalen profitieren, die sich aus der Verwendung von Aspekten der geschichteten Phasenwechsel-Verbundwerkstoffe ergeben. In bestimmten Ausführungsformen ist der Gegenstand ein Wärmemanagementmaterial, ein Wärmekissen, eine Elektrode zur Energiespeicherung, ein Superkondensator, eine Brennstoffzelle, eine Batterie, eine kapazitive Entsalzungsvorrichtung, ein akustischer Isolator, ein WärmeisolationsVerbundwerkstoff , ein chemischer Sensor, ein mechanischer Sensor, eine biomedizinische Vorrichtung, ein Aktuator, ein Adsorptionsmittel, ein Katalysatorträger, eine Feldemissionsvorrichtung, ein mechanisches Dämpfungselement, ein Filter, ein dreidimensionales flexibles elektronisches Bauteil, ein Schaltungsmaterial, ein integriertes Schaltungspaket, eine Leiterplatte, ein elektronisches Gerät, ein kosmetisches Produkt, ein tragbares elektronisches Gerät, ein hocheffizientes flexibles elektronisches Gerät, ein Leistungselektronikgerät, ein Hochfrequenzgerät oder ein Energiespeichergerät.
Die geschichteten Phasenwechsel-Verbundwerkstoffe können in praktisch jedes elektronische Gerät eingebaut werden, das während des Betriebs gekühlt werden muss. So kann beispielsweise die Elektronik in Kraftfahrzeugkomponenten, Flugzeugkomponenten, Radarsystemen, Leitsystemen und GPS-Geräten, die in zivile und militärische Ausrüstungen und andere Fahrzeuge eingebaut werden, von den geschichteten Phasenwechsel-Verbundwerkstoffen profitieren, wie z. B. Motorsteuergeräte (ECU), Airbag-Module, Karosseriesteuergeräte, Türmodule, Tempomatmodule, Instrumententafeln, Klimakontrollmodule, Antiblockierbremsmodule (ABS), Getriebesteuergeräte oder Stromverteilungsmodule. Die geschichteten Phasenwechsel-Verbundwerkstoffe und Gegenstände, die diese Verbundwerkstoffe enthalten, können auch in die Gehäuse von elektronischen oder anderen strukturellen Komponenten eingebaut werden. Generell kann jedes Gerät, das auf die Leistungsmerkmale eines elektronischen Prozessors oder einer anderen elektronischen Schaltung angewiesen ist, von den verbesserten oder stabileren Leistungsmerkmalen profitieren, die sich aus der Verwendung von Aspekten der hier offengelegten Verbundwerkstoffe ergeben.
Die folgenden Beispiele dienen der Veranschaulichung der vorliegenden Offenbarung. Die Beispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen nicht dazu dienen, die gemäß der Offenbarung hergestellten Vorrichtungen auf die darin genannten Materialien, Bedingungen oder Prozessparameter zu beschränken.
Beispiele
Beispiel 1
Eine erste Deckschicht wurde durch Gießen einer Zusammensetzung aus 20 Gew.-% Isopropanol, 48 Gew.-% Bornitridteilchen und 32 Gew.-% eines härtbaren Epoxids in eine Schale mit einem Durchmesser von 3,3 cm hergestellt. Die Schale wurde dann in x-, y- und z-Richtung geschüttelt, während das Lösungsmittel verdunstet wurde. Nachdem das Lösungsmittel verdunstet war, wurde das Epoxidharz ausgehärtet, um die erste Deckschicht zu bilden. Die Vibration wurde gestoppt, sobald die Zusammensetzung den Punkt der Gelierung erreicht hatte.
Anschließend wurde eine Phasenwechsel-Komposition auf die erste Deckschicht gegossen. Die Phasenwechsel-Komposition bestand zu 90 Gew.-% aus Paraffin und zu 10 Gew.-% aus einer Mischung aus Bornitrid und einem Epoxid. Die Phasenwechsel-Komposition wurde in x-, y- und z-Richtung vibriert, und das Epoxid wurde ausgehärtet, um die Phasenwechselschicht zu bilden. 2 ist eine Mikroskopaufnahme einer Phasenwechselschicht von oben nach dem Aushärten. 2 zeigt, dass sich in der Phasenwechselschicht Domänen 12 der Bornitridteilchen gebildet haben.
Anschließend wurde eine zweite Zusammensetzung auf die Phasenwechselschicht gegossen. Die zweite Zusammensetzung bestand zu 20 Gew.- % aus Isopropanol, zu 48 Gew.-% aus Bornitridteilchen und zu 32 Gew.-% aus einem härtbaren Epoxid. Die Schale wurde dann in x-, y- und z-Richtung geschüttelt, während das Lösungsmittel verdunstet wurde. Nach dem Verdunsten des Lösungsmittels wurde das Epoxidharz ausgehärtet, um die zweite Deckschicht zu bilden. Die Vibration wurde gestoppt, sobald die Zusammensetzung den Punkt der Gelierung erreicht hatte. Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff wurde dann 2 Stunden lang bei Raumtemperatur (etwa 20 bis 25 °C) getrocknet.
3 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Querschnitts des geschichteten Phasenwechsel-Verbundwerkstoffs. 3 veranschaulicht die ausgezeichnete Ausrichtung der Bornitridteilchen in der Phasenwechselschicht in der Richtung senkrecht zu den breiten Oberflächen des Verbundwerkstoffs.
Im Folgenden werden nicht-einschränkende Aspekte der vorliegenden Offenbarung dargelegt.
Aspekt 1: Geschichteter Phasenwechsel-Verbundwerkstoff, umfassend: eine Phasenwechselschicht, die ein Phasenwechselmaterial, eine Vielzahl von Bornitridteilchen und ein Bindemittel umfasst; und eine erste Deckschicht und eine zweite Deckschicht, die sich auf gegenüberliegenden Seiten der Phasenwechselschicht befinden.
Aspekt 2: Der Verbundwerkstoff nach Aspekt 1, wobei das Phasenwechselmaterial mindestens eines der folgenden Materialien umfasst: ein C_10-36, Alkan, eine C_10-35 Fettsäure, einen C_10-35 Fettsäureester oder ein Pflanzenöl.
Aspekt 3: Der Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorangegangenen Aspekte, wobei die Phasenwechselschicht 1 bis 99 Vol.-% oder 50 bis 99 Vol.-% oder 80 bis 95 Vol des Phasenwechselmaterials umfasst, bezogen auf dem Gesamtvolumen der Phasenwechselschicht.
Aspekt 4: Der Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorhergehenden Aspekte, wobei das Phasenwechselmaterial eine Übergangstemperatur im Bereich von -5 bis 150°C aufweist.
Aspekt 5: Der Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorangegangenen Aspekte, wobei die Vielzahl von Bornitridteilchen eine Vielzahl von hexagonalen Bornitridplättchen umfasst.
Aspekt 6: Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorhergehenden Aspekte, wobei die Phasenwechselschicht 5 bis 95 Vol.-% oder 50 bis 90 Vol.-% der Vielzahl von Bornitridteilchen, bezogen auf das Gesamtvolumen der Phasenwechselschicht, umfasst.
Aspekt 7: Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorhergehenden Aspekte, wobei das Bindemittel mindestens eines der folgenden Materialien umfasst: Polystyrol, Epoxid, Polybutadien oder Polyisopren.
Aspekt 8: Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorhergehenden Aspekte, wobei die Phasenwechselschicht 0,5 bis 15 Vol.-% oder 1 bis 6 Vol.-% des Bindemittels, bezogen auf das Gesamtvolumen der Phasenwechselschicht, umfasst.
Aspekt 9: Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorhergehenden Aspekte, wobei die Dicke der Phasenwechselschicht 0,05 bis 10 oder 0,5 bis 2 oder 0,5 bis 1,5 mm beträgt.
Aspekt 10: Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorhergehenden Aspekte, wobei die erste Deckschicht und die zweite Deckschicht ein Epoxid umfassen.
Aspekt 11: Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorhergehenden Aspekte, wobei die erste Deckschicht und die zweite Deckschicht jeweils unabhängig voneinander 10 bis 100 Vol.-% oder 30 bis 70 Vol.-% oder 30 bis 50 Vol.-% eines Bindemittels, bezogen auf das Gesamtvolumen der Phasenwechselschicht, umfasst.
Aspekt 12: Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorhergehenden Aspekte, wobei mindestens eine der ersten Deckschicht und der zweiten Deckschicht eine Vielzahl von Bornitridteilchen umfasst.
Aspekt 13: Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorangegangenen Aspekte, wobei mindestens eine der Deckschichten 0 bis 90 Vol.-% oder 30 bis 70 Vol.-% oder 50 bis 70 Vol.-% einer Vielzahl von Bornitridteilchen, bezogen auf das Gesamtvolumen der entsprechenden Deckschicht, umfasst.
Aspekt 14: Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorhergehenden Aspekte, wobei jede der Deckschichten unabhängig voneinander eine Schichtdicke von 0,001 bis 1 mm oder 0,01 bis 0,5 mm aufweist.
Aspekt 15: Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorhergehenden Aspekte, wobei der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff eine Schmelzwärme von mindestens 50 J/g oder mindestens 75 J/g oder mindestens 100 J/g oder mindestens 50 bis 150 J/g, gemessen unter Verwendung der thermischen Gravitationsanalyse, aufweist.
Aspekt 16: Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorhergehenden Aspekte, wobei der Verbundwerkstoff eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 0,5 W/mK oder 0,5 bis 1 W/mK, gemessen nach ASTM D5470-17, aufweist.
Aspekt 17: Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorangegangenen Aspekte, der außerdem ein Flammschutzmittel enthält.
Aspekt 18: Gegenstand, der den geschichteten Phasenwechsel-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorangegangenen Aspekte enthält.
Aspekt 19: Der Gegenstand nach Aspekt 18, wobei es sich bei dem Gegenstand um ein Wärmemanagementmaterial, ein Wärmekissen, eine Elektrode zur Energiespeicherung, einen Superkondensator, eine Brennstoffzelle, eine Batterie, eine kapazitive Entsalzungsvorrichtung, einen akustischen Isolator, einen Wärmeisolations-Verbundwerkstoff , einen chemischen Sensor, einen mechanischen Sensor, eine biomedizinische Vorrichtung, einen Aktuator, ein Adsorptionsmittel, einen Katalysatorträger, ein Feldemissionsgerät, ein mechanisches Dämpfungsgerät, einen Filter, ein dreidimensionales flexibles elektronisches Bauteil, ein Schaltungsmaterial, ein integriertes Schaltungspaket, eine Leiterplatte, ein elektronisches Gerät, ein kosmetisches Produkt, ein tragbares elektronisches Gerät, ein hocheffizientes flexibles elektronisches Gerät, ein Leistungselektronikgerät, ein Hochfrequenzgerät oder ein Energiespeichergerät handelt.
Aspekt 20: Verfahren zur Herstellung des geschichteten Phasenwechsel-Verbundwerkstoffs nach einem oder mehreren der Aspekte 1 bis 17, umfassend: Ausbilden der ersten Deckschicht aus einer ersten Zusammensetzung, wobei das Ausbilden der ersten Deckschicht gegebenenfalls das Vibrieren der ersten Zusammensetzung auf einer 3-direktionalen Vibrationsstufe umfasst; Ausbilden der Phasenwechselschicht aus einer Phasenwechsel-Komposition , wobei das Ausbilden der Phasenwechselschicht das Vibrieren der Phasenwechsel-Komposition auf einer 3-direktionalen Vibrationsstufe umfasst; und Ausbilden der zweiten Deckschicht aus einer zweiten Zusammensetzung, wobei das Ausbilden der zweiten Deckschicht gegebenenfalls das Vibrieren der zweiten Zusammensetzung auf einer 3-direktionalen Vibrationsstufe umfasst; wobei die jeweiligen Schichten jeweils unabhängig voneinander ausgebildet und dann aufeinander gestapelt werden, um den Verbundwerkstoff zu bilden, und/oder wobei mindestens eine der jeweiligen Schichten direkt auf einer der anderen Schichten ausgebildet wird.
Aspekt 21: Das Verfahren nach Aspekt 20, wobei der Phasenwechsel-Komposition frei von einem Lösungsmittel ist.
Aspekt 22: Verfahren nach Aspekt 20, wobei das Ausbilden der ersten Deckschicht das Gießen einer ersten Zusammensetzung, die eine erste härtbare Zusammensetzung (beispielsweise ein erstes Epoxid, einen ersten Härter), ein erstes Lösungsmittel und eine erste Vielzahl von Bornitridteilchen umfasst, auf einen 3-direktionalen Vibrationstisch, das Verdampfen des ersten Lösungsmittels, während der Tisch in drei Richtungen vibriert, und das Härten der ersten härtbaren Zusammensetzung umfasst, um die erste Deckschicht auszubilden; wobei das Bilden der Phasenänderungsschicht das Gießen einer Phasenänderungszusammensetzung, die das Phasenänderungsmaterial, eine härtbare Zusammensetzung (die beispielsweise ein Epoxid und einen Härter umfasst) und die Vielzahl von Bornitridteilchen umfasst, auf dem 3-direktionalen Vibrationstisch, das Vibrieren des Tisches in drei Richtungen und das Härten der härtbaren Zusammensetzung zur Bildung der Phasenänderungsschicht umfasst; wobei das Bilden der zweiten Deckschicht das Gießen einer zweiten Zusammensetzung, die eine zweite härtbare Zusammensetzung (zum Beispiel umfassend ein zweites Epoxid und einen zweiten Härter), ein zweites Lösungsmittel und eine zweite Vielzahl von Bornitridteilchen umfasst, auf einem 3-direktionalen Vibrationstisch, das Verdampfen des zweiten Lösungsmittels, während der Tisch in drei Richtungen vibriert, und das Härten der zweiten härtbaren Zusammensetzung umfasst, um die zweite Deckschicht zu bilden.
Aspekt 23: Das Verfahren nach Aspekt 22, wobei das Gießen der Phasenänderungszusammensetzung das Gießen der Phasenänderungszusammensetzung auf die erste Deckschicht umfasst.
Aspekt 24: Das Verfahren nach einem oder mehreren der Aspekte 22 bis 23, wobei das Gießen der zweiten Zusammensetzung das Gießen der zweiten Zusammensetzung auf die Phasenwechselschicht umfasst.
Aspekt 25: Das Verfahren nach einem oder mehreren der Aspekte 22 bis 24, wobei jeder der Gießschritte unabhängig voneinander das Vibrieren der jeweiligen Zusammensetzung bis zum Erreichen eines Gelpunkts umfasst.
Aspekt 26: Das Verfahren nach einem oder mehreren der Aspekte 20 bis 21, das ferner das Stapeln der ersten Deckschicht, der Phasenwechselschicht und der zweiten Deckschicht zur Bildung eines geschichteten Stapels und das Laminieren des geschichteten Stapels umfasst.
Aspekt 27: Das Verfahren nach einem oder mehreren der Aspekte 20 bis 26, wobei die erste Zusammensetzung und die zweite Zusammensetzung jeweils unabhängig voneinander 3 bis 50 Gew.-% des ersten Lösungsmittels bzw. des zweiten Lösungsmittels, bezogen auf das Gesamtgewicht der jeweiligen Zusammensetzungen, enthalten.
Aspekt 28: Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorangegangenen Aspekte, umfassend: 1 bis 99 Vol.-% der Phasenänderungsschicht, die ein Phasenänderungsmaterial umfasst, das mindestens eines von einem C_10-36 Alkan, einer C_10-35 Fettsäure, einem C_10-35 Fettsäureester oder einem Pflanzenöl umfasst; 5 bis 95 Vol.-% der Vielzahl von Bornitridteilchen, die eine Vielzahl von hexagonalen Bornitridplättchen umfassen; und 0.5 bis 15 Vol.-% des Bindemittels, das mindestens eines der folgenden Materialien umfasst: Polystyrol, Epoxy, Polybutadien oder Polyisopren; und eine erste Deckschicht und eine zweite Deckschicht, die sich auf gegenüberliegenden Seiten der Phasenwechselschicht befinden. Die Dicke der Phasenwechselschicht kann 0,05 bis 10 mm, 0,5 bis 2 mm oder 0,5 bis 1,5 mm betragen, und jede der Deckschichten kann unabhängig voneinander eine Schichtdicke von 0,001 bis 1 mm oder 0,01 bis 0,5 mm aufweisen. Die erste Deckschicht und die zweite Deckschicht können jeweils unabhängig voneinander 10 bis 100 Vol.-% eines Bindemittels, bezogen auf das Gesamtvolumen der jeweiligen Deckschicht, enthalten.
Die Zusammensetzungen, Verfahren und Artikel können alternativ alle geeigneten Materialien, Schritte oder Komponenten, die hier offengelegt sind, umfassen, aus ihnen bestehen oder im Wesentlichen aus ihnen bestehen. Die Zusammensetzungen, Verfahren und Gegenstände können zusätzlich oder alternativ so formuliert werden, dass sie frei oder im Wesentlichen frei von jeglichen Materialien (oder Spezies), Schritten oder Komponenten sind, die ansonsten zur Erreichung der Funktion oder der Ziele der Zusammensetzungen, Verfahren und Gegenstände nicht erforderlich sind.
Die hier verwendeten Begriffe „ein“, „ein“, „der“ und „mindestens ein“ bedeuten keine Mengenbeschränkung und beziehen sich sowohl auf den Singular als auch auf den Plural, sofern aus dem Kontext nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht. So hat beispielsweise „ein Element“ die gleiche Bedeutung wie „mindestens ein Element“, sofern aus dem Kontext nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht. Der Begriff „Kombination“ schließt Verschnitte, Mischungen, Legierungen, Reaktionsprodukte und dergleichen ein. Außerdem bedeutet „mindestens ein Element“, dass die Liste jedes einzelne Element sowie Kombinationen von zwei oder mehr Elementen der Liste und Kombinationen von mindestens einem Element der Liste mit ähnlichen, nicht genannten Elementen umfasst.
Der Begriff „oder“ bedeutet „und/oder“, sofern sich aus dem Kontext nicht eindeutig etwas anderes ergibt. Wenn in der gesamten Beschreibung von „einem Aspekt“, „einem anderen Aspekt“, „einigen Aspekten“ usw. die Rede ist, bedeutet dies, dass ein bestimmtes Element (z. B. ein Merkmal, eine Struktur, ein Schritt oder eine Eigenschaft), das in Verbindung mit dem Aspekt beschrieben wird, in mindestens einem der hier beschriebenen Aspekte enthalten ist und in anderen Aspekten vorhanden sein kann oder nicht. Darüber hinaus ist zu verstehen, dass die beschriebenen Elemente in den verschiedenen Aspekten in jeder geeigneten Weise kombiniert werden können.
Sofern hier nicht anders angegeben, sind alle Prüfnormen die jüngste Norm, die zum Anmeldetag dieser Anmeldung in Kraft ist, oder, wenn eine Priorität beansprucht wird, der Anmeldetag der frühesten Prioritätsanmeldung, in der die Prüfnorm erscheint. Die Endpunkte aller Bereiche, die sich auf dasselbe Bauteil oder dieselbe Eigenschaft beziehen, schließen die Endpunkte ein, sind unabhängig voneinander kombinierbar und schließen alle Zwischenpunkte und Bereiche ein. Zum Beispiel schließt der Bereich „bis zu 25 Volumenprozent oder 5 bis 20 Volumenprozent“ die Endpunkte und alle Zwischenwerte des Bereichs „5 bis 25 Volumenprozent“ ein, wie 10 bis 23 Volumenprozent usw. Die hier verwendeten Begriffe „erster“, „zweiter“ usw. bezeichnen keine Reihenfolge, Menge oder Wichtigkeit, sondern dienen dazu, ein Element von einem anderen zu unterscheiden. Wenn ein Element, z. B. eine Schicht, ein Film, ein Bereich oder ein Substrat, als „auf“ einem anderen Element bezeichnet wird, kann es sich direkt auf dem anderen Element befinden oder es können auch dazwischen liegende Elemente vorhanden sein. Wenn ein Element dagegen als „direkt auf“ oder „in direktem physischen Kontakt mit“ einem anderen Element bezeichnet wird, sind keine dazwischenliegenden Elemente vorhanden.
Sofern nicht anders definiert, haben die hier verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie von einem Fachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Offenbarung gehört, allgemein verstanden wird.
Alle zitierten Patente, Patentanmeldungen und sonstigen Verweise sind durch Bezugnahme in vollem Umfang in die vorliegende Anmeldung aufgenommen. Wenn jedoch ein Begriff in der vorliegenden Anmeldung einem Begriff in der einbezogenen Referenz widerspricht oder kollidiert, hat der Begriff aus der vorliegenden Anmeldung Vorrang vor dem kollidierenden Begriff aus der einbezogenen Referenz.
Es wurden zwar bestimmte Ausführungsformen beschrieben, doch können sich den Anmeldern oder anderen Fachleuten Alternativen, Änderungen, Variationen, Verbesserungen und wesentliche Äquivalente ergeben, die derzeit nicht vorhersehbar sind oder sein können. Dementsprechend sollen die beigefügten Ansprüche in der eingereichten und gegebenenfalls geänderten Fassung alle derartigen Alternativen, Modifikationen, Variationen, Verbesserungen und wesentlichen Äquivalente umfassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 62958644 [0001]
US 2005/0041373 [0028]

Claims

Ein geschichteter Phasenwechsel-Verbundwerkstoff, der Folgendes umfasst: eine Phasenwechselschicht, die ein Phasenwechselmaterial, eine Vielzahl von Bornitridteilchen und ein Bindemittel umfasst; und eine erste Deckschicht und eine zweite Deckschicht, die sich auf gegenüberliegenden Seiten der Phasenwechselschicht befinden.
Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, wobei das Phasenwechselmaterial mindestens eines der folgenden Materialien umfasst: ein C_10-36 Alkan, eine C_10-35 Fettsäure, einen C_10-35 Fettsäureester oder ein Pflanzenöl.
Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Phasenwechselschicht 1 bis 99 Volumenprozent oder 1 bis 94,5 Volumenprozent oder 50 bis 99 Volumenprozent oder 80 bis 95 Volumenprozent des Phasenwechselmaterials, bezogen auf das Gesamtvolumen der Phasenwechselschicht, umfasst.
Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Phasenwechselmaterial eine Übergangstemperatur von -5 bis 150 Grad Celsius aufweist.
Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eines der mehreren Bornitridteilchen mehrere hexagonale Bornitridplättchen umfasst; oder das Bindemittel mindestens eines von Polystyrol, Epoxid, Polybutadien oder Polyisopren umfasst.
Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Phasenwechselschicht 5 bis 95 Volumenprozent oder 50 bis 90 Volumenprozent der Vielzahl von Bornitridteilchen, bezogen auf das Gesamtvolumen der Phasenwechselschicht, umfasst.
Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Phasenwechselschicht 0,5 bis 15 Volumenprozent oder 1 bis 6 Volumenprozent des Bindemittels, bezogen auf das Gesamtvolumen der Phasenwechselschicht, umfasst.
Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dicke der Phasenwechselschicht 0,05 bis 10 mm oder 0,5 bis 2 mm oder 0,5 bis 1,5 mm beträgt und wobei jede der Deckschichten unabhängig voneinander eine Schichtdicke von 0,001 bis 1 mm oder 0,01 bis 0,5 mm aufweist.
Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Deckschicht und die zweite Deckschicht ein Epoxid umfassen.
Phasenwechsel-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Deckschicht und die zweite Deckschicht jeweils unabhängig voneinander 10 bis 100 Volumenprozent oder 30 bis 70 Volumenprozent oder 30 bis 50 Volumenprozent eines Bindemittels, bezogen auf das Gesamtvolumen der jeweiligen Deckschicht, und 0 bis 90 Volumenprozent oder 30 bis 70 Volumenprozent oder 50 bis 70 Volumenprozent einer Vielzahl von Bornitridteilchen, bezogen auf das Gesamtvolumen der jeweiligen Deckschicht, umfassen.
Der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff mindestens eine Schmelzwärme von mindestens 50 J/g oder mindestens 75 J/g oder mindestens 100 J/g oder mindestens 50 bis 150 J/g, gemessen unter Verwendung einer thermischen Gravitationsanalyse, aufweist; oder wobei der geschichtete Phasenwechsel-Verbundwerkstoff eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 0,5 Watt pro Meter Kelvin oder 0,5 bis 1 Watt pro Meter Kelvin, gemessen gemäß ASTM D5470-17, aufweist.
Gegenstand, der den geschichteten Phasenwechsel-Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche enthält.
Der Gegenstand nach Anspruch 12, wobei es sich bei dem Gegenstand um ein Wärmemanagementmaterial, ein Wärmekissen, eine Elektrode zur Energiespeicherung, einen Superkondensator, eine Brennstoffzelle, eine Batterie, eine kapazitive Entsalzungsvorrichtung, einen akustischen Isolator, einen Wärmeisolations-Verbundwerkstoff, einen chemischen Sensor, einen mechanischen Sensor, eine biomedizinische Vorrichtung, einen Aktuator, ein Adsorptionsmittel, einen Katalysatorträger ein Feldemissionsgerät, ein mechanisches Dämpfungsgerät, ein Filter, ein dreidimensionales flexibles elektronisches Bauteil, ein Schaltungsmaterial, ein integriertes Schaltungspaket, eine Leiterplatte, ein elektronisches Gerät, ein kosmetisches Produkt, ein tragbares elektronisches Gerät, ein hocheffizientes flexibles elektronisches Gerät, ein Leistungselektronikgerät, ein Hochfrequenzgerät oder ein Energiespeichergerät handelt.
Verfahren zur Herstellung des geschichteten Phasenwechsel-Verbundwerkstoffs nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, umfassend: Ausbilden der ersten Deckschicht aus einer ersten Zusammensetzung, wobei das Ausbilden der ersten Deckschicht optional das Vibrieren der ersten Zusammensetzung auf einer 3-direktionalen Vibrationsstufe umfasst; Ausbilden der Phasenänderungsschicht aus einer Phasenänderungszusammensetzung, wobei das Ausbilden der Phasenänderungsschicht das Vibrieren der Phasenänderungszusammensetzung auf einem 3-direktionalen Vibrationstisch umfasst; und Ausbilden der zweiten Deckschicht aus einer zweiten Zusammensetzung, wobei das Ausbilden der zweiten Deckschicht optional das Vibrieren der zweiten Zusammensetzung auf einem 3-direktionalen Vibrationstisch umfasst; und wobei die jeweiligen Schichten jeweils unabhängig voneinander gebildet und dann aufeinander gestapelt werden, um den Verbundwerkstoff zu bilden, und/oder wobei mindestens eine der jeweiligen Schichten direkt auf einer der anderen Schichten gebildet wird.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Phasenwechsel-Verbundwerkstoff frei von einem Lösungsmittel ist.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Ausbilden der ersten Deckschicht das Gießen einer ersten Zusammensetzung, die eine erste härtbare Zusammensetzung (beispielsweise ein erstes Epoxid, einen ersten Härter), ein erstes Lösungsmittel und eine erste Vielzahl von Bornitridteilchen umfasst, auf einem 3-direktionalen schwingenden Tisch, das Verdampfen des ersten Lösungsmittels, während der Tisch in drei Richtungen schwingt, und das Härten der ersten härtbaren Zusammensetzung umfasst, um die erste Deckschicht zu bilden; wobei das Ausbilden der Phasenänderungsschicht das Gießen einer Phasenänderungszusammensetzung, die das Phasenänderungsmaterial, eine härtbare Zusammensetzung (die beispielsweise ein Epoxid und einen Härter umfasst) und die Vielzahl von Bornitridteilchen umfasst, auf dem 3-direktionalen Vibrationstisch, das Vibrieren des Tisches in drei Richtungen und das Härten der härtbaren Zusammensetzung umfasst, um die Phasenänderungsschicht zu bilden; wobei das Ausbilden der zweiten Deckschicht das Gießen einer zweiten Zusammensetzung, die eine zweite härtbare Zusammensetzung (beispielsweise ein zweites Epoxid und einen zweiten Härter), ein zweites Lösungsmittel und eine zweite Vielzahl von Bornitridteilchen umfasst, auf einem 3-direktionalen Vibrationstisch, das Verdampfen des zweiten Lösungsmittels, während der Tisch in drei Richtungen vibriert, und das Härten der zweiten härtbaren Zusammensetzung umfasst, um die zweite Deckschicht zu bilden.
Das Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Gießen der Phasenänderungszusammensetzung das Gießen der Phasenänderungszusammensetzung auf die erste Deckschicht umfasst.
Das Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 16 bis 17, wobei das Gießen der zweiten Zusammensetzung das Gießen der zweiten Zusammensetzung auf die Phasenwechselschicht umfasst.
Das Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 16 bis 18, wobei jeder der Gießschritte unabhängig voneinander das Vibrieren der jeweiligen Zusammensetzung bis zum Erreichen eines Gelpunktes umfasst.
Das Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 16, ferner umfassend das Stapeln der ersten Deckschicht, der Phasenwechselschicht und der zweiten Deckschicht zur Bildung eines geschichteten Stapels und das Laminieren des geschichteten Stapels.