WO2012167440A1

WO2012167440A1 - 导热散热纳米材料、其制备方法和散热系统

Info

Publication number: WO2012167440A1
Application number: PCT/CN2011/075580
Authority: WO
Inventors: 许竞新; 许文华
Original assignee: 绿方有限公司
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2012-12-13
Also published as: CA2812838C; US9091425B2; CA2812838A1; US20140152167A1

Abstract

提供一种导热散热纳米材料、其制备方法和散热系统。所述制备方法包括如下步骤：i）将复合物、乙酸叔丁酯和对氯三氟甲苯混合，其中复合物由高分子材料和具有导热散热性能的物质形成，该复合物的粒径为纳米级；ii）将步骤i）得到的混合物放在水中搅泮一段时间，即得到所述导热散热材料。将该导热散热纳米材料用于LED灯的散热系统中，可以简化制造工艺、节约原料，减小散热器的重量和体积。

Description

导热散热纳米材料、其制备方法和散热系统技术领域

本发明涉及导热散热领域，更具体地说，本发明涉及一种制备导热散热纳米材料的方法、由该方法获得的导热散热纳米材料以及包括该导热散热纳米材料的散热系统。技术背景

LED作为一种具有巨大发展潜力的固体发光光源，以其寿命长、结构牢固、低功耗和外形尺寸灵活等优点受到人们越来越多的关注。近年来， LED灯具变得越来越便宜，因此逐渐取代传统的灯具应用在各种照明领域。但是， LED灯本身在工作时的发热量比较大，若这些热量无法及时地散发出去，则会降低照明装置内各个部件的效率或寿命，或者导致某些部件发生故障甚至熔化。因此设计和实施 LED照明装置时，有效地散发 LED光源产生是主要考虑的因素之一。

众所周知，热量的传递有三种方式：对流、传导和辐射。目前 LED 照明装置的散热系统设计主要包括：

1.对流或强制对流：增加鳍片的数目以增大散热面积，从而加强对流的传热效果。图 1示出了现有 LED灯的一种常用散热器 1，在该散热器 1的外周面间隔地设置多块鳍片 2，其中鳍片 2是利用车床工艺制成的，并且会对鳍片 2进行着黑色处理以符合黑体辐射的散热特性。这种散热方式，使得 LED 照明装置的体积增大，重量增加，但其散热能力的提高仍然有限，同时生产成本与材料成本都很高。

2.选用导热性好的材料，例如选用导热率为 229w/mk 的纯铝，导热率为 386w/mk的纯铜。

现时，有些 LED照明装置在导热板与散热器之间的界面上涂一层散热硅胶。由于硅胶干燥后变成颗粒状，造成导热板与散热器之间的接触面无法密合而增加接触面间的热阻，致使光源与散热器界面间的传热能力大幅下降，无法获得良好散热的效果。

为提高 LED 照明装置的散热能力，还会对散热器的表面进行处理。这种处理通常包括阳极氧化处理和涂黑色处理。但这两种方法对 LED 灯具散热器的散热能力改善不大，尤其对于大功率的 LED照明装置。

纳米技术作为近年一门高新技术，已在许多领域得到了应用。纳米材料由于具有表面效应、体积效应和量子尺寸效应，因此表现出许多奇异的物理和化学特性，例如熔点、导电、导热等等方面。利用纳米材料作为导热散热材料，已有很多报导。但现有技术仍未能解决纳米粒子在溶剂中均匀分散的问题，尤其对于粒度小于 lnm的纳米粒子在溶剂中均匀分散的问题，目前仍然是尚待解决的难题之一。

现有的 LED照明装置由于散热结构笨重而复杂，导致照明装置的体积较大，制造工序繁复。因此，有需要对照明领域的 LED照明装置的散热系统作出改进。本发明结合纳米材料提出了一种新颖的散热系统，既能提高散热效能，使照明装置保持稳定的工作状态，又能实现结构紧凑和轻巧，而且成本低。发明内容

本发明人惊奇地发现，同时以乙酸叔丁酯（即 CAS#540885)和对氯三氟甲苯

(即 CAS#98566)作为分散剂，能够将粒径小于 lnm的纳米粒子均匀地分散在水溶性溶剂如水中，藉此获得的乳液具有优异的导热和散热性能。

本发明正是基于上述发现提出一种制备导热散热纳米材料的新工艺，利用该种工艺制备的导热散热纳米材料，能够使 LED 照明装置内部产生的热量有效地被快速散除。因为散热效果非常好，不必使用较大体积的散热结构，甚至可以消除现有散热结构常常采用的散热鳍片，因此使整个 LED 照明装置的体积减小，重量变轻。

为实现上述目的，本发明提供了一种制备导热散热纳米材料的方法，所述方法包括以下步骤：

i) 将由高分子材料与具有导热和散热性能的物质形成的复合物、乙酸叔丁酯和对氯三氟甲苯混合，其中所述复合物的粒径为纳米级；以及

ϋ) 将步骤 i)得到的混合物放在水中搅拌一段时间，即得到所述导热散热材料。

根据本发明，所述具有导热和散热性能的物质可以是无机物或者有机物，例如选自陶瓷、碳、石蜡、二氧化硅或聚甲基硅氮垸。

较佳地，所述复合物、乙酸叔丁酯和对氯三氟甲苯按以下比例混合： 20-40 重量％复合物、 35-45重量％乙酸叔丁酯和 25-35重量％对氯三氟甲苯。以水、所述复合物、乙酸叔丁酯和对氯三氟甲苯的总重计，本发明的方法中水的用量为 25-75重量％。

本发明所用的复合物的粒径小于 lnm。

根据本发明的方法，在步骤 i i)中只需将混合物常温常压搅拌 10至 20分钟，即可得到所希望的导热散热纳米材料，为乳液。

本发明第二方面涉及根据本发明的方法制备的导热散热纳米材料。

本发明第三方面提供一种照明装置的散热系统，所述散热系统包括与照明光源作可导热连接的导热板、以及与所述导热板作热学连通的散热器，其中，在所述导热板与所述散热器接触的表面涂布根据本发明的方法所制备的导热散热纳米材料，和 /或在所述散热器的外表面涂布根据本发明的方法所制备的导热散热纳米材料。

本发明一优选实施例中，在所述导热板与所述散热器接触的表面涂抹的导热散热纳米材料的厚度为 0. 3-2密尔 (Mi l)，在所述散热器的外表面涂布的导热散热纳米材料的厚度为 0. 3-2密尔。

为了使涂布表面彻底清洁干净，增加导热散热材料的的粘附效果和延长使用寿命，通常在涂布之前分别对所述导热板和所述散热器作喷砂清洁的预处理。

在本发明一实施例中，所述照明光源为一或多个 LED。

在本发明另一实施例中，所述散热器不设置散热鳍片或者设置小量散热鳍片，所述导热板和所述散热器由金属制成。

取决于选用哪种具有导热和散热性能的物质，本发明获得的导热散热纳米材料在导热性能和散热性能上有所不同。例如，由高分子材料与陶瓷形成的复合物为原料获得的导热散热材料具有较高的导热性，适合涂布在导热板与散热器之间，主要以热传导方式并辅以热辐射方式将 LED 光源产生的热量传递到散热器。而由高分子与二氧化硅形成的复合物为原料获得的导热散热材料具有较高的辐射能力，适合涂布在散热器的外表面上，主要以辐射热量的方式将热量散发至周围的空气中。本发明的导热散热纳米材料具有粘性，并且在半小时内就能自然固化，因此能够使导热板与散热器牢固地粘合在一起。

由于本发明导热散热材料的主要原料是纳米粒子，尤其是粒径小于 lnm 的粒子，在作为分散剂的乙酸叔丁酯和对氯三氟甲苯存在下，能够快速地均匀分散在水性溶剂中，获得了均一乳液。本发明不但解决了纳米粒子在溶剂中均匀分散的问题，而且所获得的乳液具有卓越的导热和 /或散热性能。将这种乳液涂布在 LED 灯的导热板与散热器以及散热器的外表面之间，结果发现该乳液形成的涂层能够以较快的速度将照明光源产生的热量通过热传导和热对流方式带到散热器的表面，再以热辐射方式将热量散发至周围的空气中，使得散热器具有主动散热的效果。因为本发明的导热散热纳米材料大大提高了 LED 灯的散热效率，在某些情况下甚至可以不必在散热器表面上设置鳍片，由此获得的散热器结构简单，重量轻，体积小，并且节省了大量的原料成本。

如上所述，取决于选用哪种具有导热和散热性能的物质，本发明获得的导热散热纳米材料在导热性能和散热性能上有所不同。在导热板与散热器之间的涂层可以选用导热性能较好的本发明材料，如由高分子材料与陶瓷形成的复合物为原料获得的导热散热材料。至于散热器表面的涂层由于主要为辐射散热，所以较佳地采用散热性能较好的本发明材料，如高分子与二氧化硅形成的复合物为原料获得的导热散热材料。藉此，可以获得更好的散热效果。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。附图说明

图 1是现有 LED灯采用的一种散热器的示意图。

图 2是根据本发明一实施例的 LED灯的散热系统的示意图。

图 3根据本发明一实施例的一种散热器的示意图。具体实施方式

作为示例说明，本发明分别以粒径小于 lnm水溶性高分子陶瓷复合物和粒径小于 lnm水溶性高分子二氧化硅复合物为原料制备本发明的导热散热纳米材将购买获得的粒径小于 lnm水溶性高分子陶瓷复合物（水溶性高分子陶瓷复合物可通过各种商业途径获得），与乙酸叔丁酯（即 CAS#540885)和对氯三氟甲苯 (即 CAS#98566)按照预定的比例混合，然后一起放在水中，常温常压下搅拌 10 至 20分钟左右，即形成均一的粘性乳液，为本发明的导热散热纳米材料。

以重量计，按照以下比例将高分子陶瓷复合物、乙酸叔丁酯和对氯三氟甲苯混合：

高分子陶瓷复合物： 20-40%，

乙酸叔丁酯： 35-45%

对氯三氟甲苯： 25-35%。

使用的水量可以是 25-75重量％，以水与上述三种物质的总重计。

按照一实施例，将 30 重量％高分子陶瓷复合物、 35 重量％乙酸叔丁酯、 35 重量％对氯三氟甲苯混合，放在水中搅拌，得到水溶性高分子陶瓷乳液。对该乳液进行了测试，其典型特性如下：

1.在 25°C 根据 Brookfield 7#测试方法测试它的粘度，结果为 15秒；

2.在 25°C 测定的密度为 2.70-2.71 g / cm³;

3.工作温度为 - 40°C〜+200°C;

4.根据 ASTM D5470测定的导热系数为 8W / Mk;

5.根据 ASTM D149测定的电介质强度为 305V/mil;

6.根据 ASTM D257测定的体积电阻率为 1.65 X 10"ohm- cm;

7.在 200°C@24 hrs下测得的流血率（bleed)可靠性属性为 0.005%;

8.在 200°C@24 hrs下测得的蒸发量可靠性属性为 0.5%；

9. 2小时的裂解温度为 400°C; 以及

10. 在 25°C下散热速度 ΔΤ⁴热辐射效率达 10%。

由此可见，本发明的水溶性高分子陶瓷具有较高的导热系数，再加上其厚度可以做得很薄，例如可以做成大约 Ιμπι左右。与常规导热体的厚度往往为毫米数量级相比，本发明的水溶性高分子陶瓷的厚度有了大幅度的降低，因此是优异的热传导体。

根据上述方法制备的高分子陶瓷乳液可直接涂布在 LED 灯的导热板上，由于其具有流动性，能够进入各个零件之间的间隙，固化后形成一层薄薄的致密膜。因为填塞了各个间隙，有利于增大热传导和热对流效率。而且由于该乳液具有粘性，能够将导热板与散热器粘合在一起。自然风干后（大约 20分钟），即固化成为在导热板与散热器之间的导热涂层。

根据本发明，水溶性高分子陶瓷导热涂层的厚度较佳为 0. 3-2 密尔，更好为 0. 5-1密尔。

类似地，按照上述制备水溶性高分子陶瓷乳液的方法制备水溶性高分子二氧化硅乳液。具体地，将购买获得的粒径小于 lnm水溶性高分子二氧化硅复合物（水溶性高分子二氧化硅复合物也可通过各种商业途径获得），与乙酸叔丁酯 (即 CAS#540885)和对氯三氟甲苯（g卩 CAS#98566)按照预定的比例混合，较佳地按照以下比例混合：

高分子二氧化硅复合物： 20-40%，

乙酸叔丁酯： 35-45%

对氯三氟甲苯： 25-35%。

然后将上述混合物放在水中，常温常压下搅拌 10至 20分钟左右，即形成均一的粘性乳液。使用的水量可以是 25-75重量％，以水与上述三种物质的总重计。

按照一实施例，以 30重量％高分子二氧化硅复合物、 35重量％乙酸叔丁酯和 35重量％对氯三氟甲苯的比例配制本发明的水溶性高分子二氧化硅乳液。对该乳液进行了测试，其典型特性如下：

1.在 25 °C，根据 #2 Zahn Cup 测试方法，它的粘度为 12秒；

2.根据耐温度 Heat Stab i l i ty方法测定的耐温度为 980 ° C;

3.在 25 °C下散热速度 Δ Τ⁴热辐射效率高达 30-50%，以及

4. 2小时的裂解温度 1000〜1300。C。

从上述特性可知，本发明的水溶性高分子二氧化硅乳液具有卓越的热辐射性能，特别适合作为散热涂层涂布在 LED 灯的散热器外表面上，以热辐射方式将热量散发到周围的空气中。本发明的水溶性高分子二氧化硅乳液具有绝热、绝缘、防锈、抗酸碱盐、磨擦等特点。

一般地，散热器外表面的涂层为 0. 3-2密尔，较佳地为 0. 5-1密尔。对上述水溶性高分子二氧化硅涂层进行了测试，结果如下：

- 根据 ASTM D3363测定的涂层硬度 Penc i l Hardness为 9H;

- 根据 ASTM D3359测定的涂层牢固度为 5B;

- 根据 ASTM D522测定的涂层扭曲为 18 匪；以及

- 根据 ASTM C2794测定的涂层撞击为 < 10磅。现在参看图 2，图中示出了根据本发明一实施例的 LED灯的散热系统的示意图。所述 LED灯 100包括 LED光源 10、用于承托所述 LED光源 10并与所述 LED 光源 10作可导热接触的导热板 20、以及散热器 30。所述 LED光源 10可以是一或多个 LED芯片，所述导热板 20和散热器 30可以由金属例如铝制造。这些都不是本发明的要点，本处不做详细描述。 LED灯的其他结构与现有技术相同，此处也不再赘述。

根据本发明的 LED灯的散热系统，特征在于在导热板 10与散热器 30之间以及在散热器 30的外表面上涂布本发明的导热散热纳米材料。在该实施例中，在导热板 10与散热器之间涂布上述制备的水溶性高分子陶瓷乳液，而在散热器 30 的外表面上涂布上述制备的水溶性高分子二氧化硅乳液。为了使涂布表面彻底清洁干净，增加导热散热材料的的粘附效果和延长使用寿命，在涂布之前往往对所述导热板和所述散热器作喷砂清洁的预处理。

如图 2所示，导热板 20与 LED光源 10是以热连通方式固定在一起的，由 LED光源 10产生的热量传递到导热板 20，经本发明的高分子陶瓷涂层 40 以热传导和热对流方式传至散热器 30，再通过散热器外表面上的高分子二氧化硅涂层 50被快速地散除开去。

图 3示出了本发明采用的一种散热器 30的示意图。如图所示，该散热器 30 的外表面没有设置散热鳍片，这与现有技术是不同的。该散热器 30的壁厚约 lmm，使用 T6063 铝合金以旋压工艺制造。由于不设置散热鳍片，所以制造散热器时可以采用旋压、压铸、冲压、锻压等工艺来代替车床工艺，简化了散热器的制造工序。再者，消除了散热鳍片也使得本发明的散热器 30重量减少四分之三以上。此外，散热器 30也无需进行阳极氧化和着黑色等处理，大大减少了制造成本。本发明已经对图 1所示的现有散热器 1和图 3所示的本发明的散热器 30的散热性能进行了比较，结果列于下表中：

* 本发明的散热器是在导热板与散热器之间涂布本发明的水溶性高分子陶瓷乳液以及在散热器的外表面上涂布本发明的水溶性高分子二氧化硅乳液的情况下进行测试的。从上述对比实验可见，本发明的 LED 灯具的散热器可以做得更薄更轻，甚至不需设置散热鳍片，因此比具有鳍片的传统散热器重量至少降低 40-50%，甚至 75%。在导热板与散热器之间以及在散热器外表面上涂布了本发明的导热散热材料，即使不设置散热鳍片，但散热器的散热能力比具有鳍片的传统散热器还至少提升 20-30%。此外，散热器的加工工序简化了，也减少了制造散热器本体和散热鳍片所需的材料，因此节约了原料资源，大大降低了制造成本。

当然，根据实际应用需要，也可以在散热器 30的外表面上设置散热鳍片，但散热鳍片的数目可以很小。设置散热鳍片可进一步增强散热器的散热效果。

以上描述的是按照本发明的方法制备的导热散热纳米材料在 LED 灯的散热系统中的应用。应当明白，本发明的导热散热纳米材料可应用在其他需要导热和散热的场合，例如电子结构的平板型散热器，同样获得很好的散热效果，而且能够简化制造过程，降低制造成本。

综合以上所述，本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例。凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的权利要求保护范围内。

Claims

权利要求

1.一种制备导热散热纳米材料的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

2.如权利要求 1所述的方法，其特征在于，所述具有导热和散热性能的物质选自陶瓷、碳、石蜡、二氧化硅或聚甲基硅氮垸。

3.如权利要求 1所述的方法，其特征在于，所述复合物、乙酸叔丁酯和对氯三氟甲苯按以下比例混合： 20-40重量％复合物、 35-45重量％乙酸叔丁酯和 25-35重量％对氯三氟甲苯。

4.如权利要求 1所述的方法，其特征在于，以水、所述复合物、乙酸叔丁酯和对氯三氟甲苯的总重计，所述水的用量为 25-75重量％。

5.如权利要求 1所述的方法，其特征在于，所述复合物的粒径小于 lnm。

6.如权利要求 1所述的方法，其特征在于，在步骤 i i)中，常温常压搅拌 10至 20分钟。

7.如权利要求 1所述的方法，其特征在于，所述得到的导热散热材料为乳液。

8.一种如上述权利要求 1至 7中任一项所述的方法制备的导热散热纳米材料。

9.一种照明装置的散热系统，所述散热系统包括：与照明光源作可导热连接的导热板、以及与所述导热板作热学连通的散热器，其特征在于，在所述导热板与所述散热器接触的表面涂布如权利要求 8所述的导热散热纳米材料，和 / 或在所述散热器的外表面涂布如权利要求 8所述的导热散热纳米材料。

10. 如权利要求 9所述的散热系统，其特征在于，所述照明光源为一或多个 LED o

11. 如权利要求 9所述的散热系统，其特征在于，在所述导热板与所述散热器接触的表面涂抹的导热散热材料的厚度为 0. 3-2密尔。

12. 如权利要求 9所述的散热系统，其特征在于，在所述散热器的外表面涂布的导热散热材料的厚度为 0. 3-2密尔。

13. 如权利要求 9所述的散热系统，其特征在于，所述散热器不设置散热鳍片。

14. 如权利要求 9所述的散热系统，其特征在于，所述导热板和所述散热器由金属制成。

15. 如权利要求 9所述的散热系统，其特征在于，在涂布所述导热散热材料之前，分别对所述导热板和所述散热器作喷砂清洁的预处理。

16. 如权利要求 9所述的散热系统，其特征在于，在所述导热板与所述散热器接触的表面涂布水溶性高分子陶瓷乳液，和 /或在所述散热器的外表面涂布水溶性高分子二氧化硅乳液。