本發(fā)明涉及新材料及其應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種導(dǎo)熱界面材料及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

隨著科技的發(fā)展，電子元器件的微型化及多功能化對(duì)器件的散熱性提出了更高的要求。器件的散熱問(wèn)題已成為迅速發(fā)展的電信產(chǎn)業(yè)面臨的技術(shù)“瓶頸”。

在器件散熱的過(guò)程中，熱量需要從器件內(nèi)部經(jīng)過(guò)器件封裝材料和散熱器界面再經(jīng)散熱器傳遞到外部環(huán)境。熱阻分析表明，器件與散熱器之間的界面熱阻較大。究其原因是固體表面在微觀(guān)尺度上粗糙不平，即使兩固體表面在接觸壓力高達(dá)10MPa的情況下，其實(shí)際接觸面積僅占表觀(guān)接觸面積的1～2％，其余部分則為充滿(mǎn)空氣的微小孔隙。因此，如何降低電子元器件與散熱裝置之間的界面熱阻是提高電子元件散熱效率的關(guān)鍵之一。

為了減小界面熱阻，人們開(kāi)發(fā)了導(dǎo)熱界面材料。將界面導(dǎo)熱材料填充于接觸面之間，可以去除接觸界面孔隙內(nèi)的空氣，在整個(gè)接觸界面上形成連續(xù)的導(dǎo)熱通道，提高電子元器件的散熱效率。傳統(tǒng)的導(dǎo)熱界面材料一般是將導(dǎo)熱顆粒直接混合在硅橡膠等有機(jī)高分子材料中制得的復(fù)合材料。然而，在這些復(fù)合材料中，填料顆粒一般是雜亂無(wú)章地分布在高分子基體中，而且被聚合物包裹分離開(kāi)(圖1(a))，因此嚴(yán)重制約了填料導(dǎo)熱性能的發(fā)揮。大量導(dǎo)熱填料的加入不僅增加了成本和重量，而且會(huì)使材料的彈性下降、硬度增加，但導(dǎo)熱性能卻很難得到明顯提升。

一般來(lái)說(shuō)，片層狀的填料的導(dǎo)熱性能具有各向異性的特點(diǎn)。例如石墨烯，其平面內(nèi)(徑向)熱導(dǎo)率(～5000W/mK)與垂直平面方向(軸向)熱導(dǎo)率(～10W/mK)相差懸殊。對(duì)于導(dǎo)熱界面材料，人們主要關(guān)注其垂直于平面方向(軸向)的導(dǎo)熱性能。如果能通過(guò)一定的工藝步驟實(shí)現(xiàn)此類(lèi)片層狀填料在基體中的沿軸向排布(如圖1(b)所示)則可以使此類(lèi)填料的高導(dǎo)熱特性得到更充分發(fā)揮。從而達(dá)到降低 填料添加量，顯著提升復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的目的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決熱界面材料應(yīng)用中遇到的上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種導(dǎo)熱界面材料及其應(yīng)用，該導(dǎo)熱界面材料為填料定向排布的有機(jī)高分子復(fù)合材料，其填料特定的排布方式使之具有高導(dǎo)熱性能，適用于電子器件散熱領(lǐng)域。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種導(dǎo)熱界面材料，該導(dǎo)熱界面材料是由片層狀填料和有機(jī)高分子材料基體形成的復(fù)合材料，其中：所述片層狀填料有序定向排布于有機(jī)高分子材料基體中，填料各片層間緊密連接；所述填料在復(fù)合材料中所占的重量百分比為20-90％，優(yōu)選為60-90％。

所述片層狀填料為鱗片石墨、石墨烯、片狀氮化硼、片狀碳化硅、片狀鋁粉和片狀銀粉中的一種或幾種。

所述片層狀填料的片徑范圍為0.1-500μm，厚度范圍為0.1-100μm。

所述有機(jī)高分子材料基體為甲基乙烯基硅橡膠、乙烯基硅油、聚氨酯和聚二甲基硅氧烷中的一種或幾種具有良好彈性和柔韌性的有機(jī)高分子彈性材料。

該導(dǎo)熱界面材料為片狀材料，其中的片層狀填料的定向排布方向與該導(dǎo)熱界面材料所在平面相垂直。該導(dǎo)熱界面材料在垂直其所在平面方向上(即沿片層狀填料的定向排布方向)的熱導(dǎo)率可達(dá)60W/mK，且具有良好的彈性和可壓縮性。

本發(fā)明所述導(dǎo)熱界面材料的制備過(guò)程為：先將片層狀填料與有機(jī)高分子材料均勻混合，通過(guò)擠壓過(guò)程實(shí)現(xiàn)填料在基體中的有序定向排布，從而充分發(fā)揮填料在特定方向上的導(dǎo)熱性能的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而制備出具有優(yōu)異導(dǎo)熱性能的導(dǎo)熱界面材料；該制備過(guò)程具體包括如下步驟：

(a)將所述填料和固化劑加入有機(jī)高分子材料基體中，充分混合后使填料在基體中均勻分散，獲得混合物料；該步驟中，可利用高速攪拌機(jī)、剪切乳化機(jī)、捏合機(jī)或雙輥開(kāi)煉機(jī)中的一種或幾種將所述填料、有機(jī)高分子基體及固化劑充分混合，保證填料在基體中均勻分散；所述片層狀填料與有機(jī)高分子材料的重量比例為(0.25-9)：1，所述固化劑與有機(jī)高分子材料的重量比例為(0.5-2)：100。

所述固化劑為2,4-二氯過(guò)氧化苯甲酰、含氫硅油或2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基過(guò)氧基)己烷等，固化劑的加入量為基體材料重量的0.5-2％。

(b)利用雙輥開(kāi)煉機(jī)對(duì)步驟(1)所得混合物料進(jìn)行擠壓，將其擠壓為厚度小于0.5mm的薄片狀樣品，所得薄片狀樣品中的片層狀填料沿薄片狀樣品所在平面呈定向排布(片層狀填料大多平行于薄片狀樣品所在平面排布)；

(c)將步驟(b)所得多個(gè)薄片狀樣品進(jìn)行疊層，然后進(jìn)一步壓成塊體樣品，再將塊體沿所需的特定取向切片，獲得層狀材料；(將塊體樣品沿垂直于薄片狀樣品所在平面的方向進(jìn)行切片，最終獲得的導(dǎo)熱界面材料中，片層狀填料的定向排布方向與該導(dǎo)熱界面材料所在平面相垂直；但對(duì)塊體進(jìn)行切片時(shí)，切片方向并不限于垂直方向，可根據(jù)需要沿不同角度和方向切取，從而實(shí)現(xiàn)填料沿所需方向和角度的排布)；

(d)將步驟(c)所得層狀材料加熱加壓固化成型，即得到片層狀填料沿特定方向排布的有機(jī)高分子復(fù)合材料，即所述導(dǎo)熱界面材料。

本發(fā)明所述導(dǎo)熱界面材料應(yīng)用于電子器件散熱領(lǐng)域，具體應(yīng)用方法為：將所述導(dǎo)熱界面材料填充到電子元器件的發(fā)熱源與散熱器之間的間隙，可有效減小界面熱阻，提高電子元器件的散熱效率。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明利用石墨烯等片層狀材料的平面內(nèi)高導(dǎo)熱特性制備出了導(dǎo)熱性能優(yōu)異的導(dǎo)熱界面材料，制備工藝流程簡(jiǎn)單，所需原料廉價(jià)易得，容易通過(guò)工藝放大實(shí)現(xiàn)工業(yè)化量產(chǎn)，成本較相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的傳統(tǒng)產(chǎn)品有顯著優(yōu)勢(shì)。

2、本發(fā)明導(dǎo)熱界面材料中石墨烯等片層狀導(dǎo)熱填料均勻的分散于有機(jī)高分子材料基體中，通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)等對(duì)其截面微觀(guān)形貌進(jìn)行觀(guān)察可發(fā)現(xiàn)較為明顯的填料取向排布特征。本發(fā)明具有填料定向排布特點(diǎn)的復(fù)合材料導(dǎo)熱性能較未經(jīng)過(guò)定向排布處理時(shí)有顯著提升。該復(fù)合材料的熱導(dǎo)率可達(dá)60W/mK(沿填料的定向排布方向)，且具有良好的彈性和可壓縮性。

3、本發(fā)明的復(fù)合熱界面材料具有輕質(zhì)、彈性、柔性和高熱導(dǎo)率等特點(diǎn)，能夠很好地填充在熱界面的空隙，減小界面熱阻，提高電子元器件的散熱效率。其使用降溫效果明顯，超過(guò)了目前商品化熱界面材料的水平，可以廣泛應(yīng)用于大功率LED路燈、電腦、智能手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等電子產(chǎn)品的熱源與散熱器之間的熱量傳導(dǎo)，提高這些電子產(chǎn)品的散熱性能。

附圖說(shuō)明

圖1為片層狀填料導(dǎo)熱示意圖；其中：(a)填料無(wú)序排布；(b)片層狀填料在基體中沿軸向定向排布。

圖2為本發(fā)明填料定向排布的導(dǎo)熱界面材料的制備過(guò)程示意圖。

圖3為本發(fā)明石墨烯復(fù)合熱界面材料的光學(xué)照片。

圖4為本發(fā)明石墨烯復(fù)合熱界面材料的掃描電鏡照片。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例詳述本發(fā)明。

本發(fā)明導(dǎo)熱界面材料為填料定向排布于有機(jī)高分子材料基體中形成的復(fù)合材料，其制備過(guò)程如圖2所示，通過(guò)圖中所示的簡(jiǎn)單的工藝過(guò)程即可制得本發(fā)明中的復(fù)合熱界面材料。

材料的導(dǎo)熱率是衡量材料導(dǎo)熱性能的主要指標(biāo)，因此本發(fā)明對(duì)所制得的導(dǎo)熱界面材料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測(cè)定。檢測(cè)所用儀器為美國(guó)ANALYSIS TECH公司的TIM Tester 1400材料熱阻導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀(此儀器目前在國(guó)內(nèi)電子產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)及科研單位被廣泛使用)，檢測(cè)執(zhí)行ASTMD 5470標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，此測(cè)試方法能直接檢測(cè)出所測(cè)樣品的熱阻值，對(duì)于熱界面材料的導(dǎo)熱性能衡量尤為適用。

實(shí)施例1：

先將100g甲基乙烯基硅橡膠與1g固化劑(2,4-二氯過(guò)氧化苯甲酰)在捏合機(jī)中進(jìn)行混合，然后加入30g石墨烯粉體混合2h。將混合物取出，利用雙輥開(kāi)煉機(jī)等對(duì)混合物反復(fù)擠壓10次，雙輥間隙0.5mm；將混合物擠壓為厚度小于0.5mm的薄片。將擠壓成薄片狀的混合物疊層后進(jìn)一步壓成塊體。將塊體沿垂直方向切片；對(duì)切取的片材加熱加壓固化成型，即可得到石墨烯沿軸向取向排布(即垂直于片材所在平面的方向)的石墨烯硅膠復(fù)合導(dǎo)熱材料。

本實(shí)施例制得的石墨烯復(fù)合熱界面材料的宏觀(guān)形貌如圖3中的光學(xué)照片所示，該材料具有很好的柔性和彈性，能充分填充熱界面間隙，顯著提升電子器件散熱效果。

本實(shí)施例制得的石墨烯復(fù)合熱界面材料的微觀(guān)形貌如圖4中的掃描電鏡照片所示。從照片中可以看出，石墨烯均勻的分布于硅橡膠基體中。石墨烯微片間緊密連接，呈現(xiàn)出較為明顯的沿軸向取向排布的特征(即垂直于該導(dǎo)熱界面材料所在平面的方向)。

利用說(shuō)明中所述儀器及方法，測(cè)得該導(dǎo)熱界面材料在垂直于其所在平面方向的導(dǎo)熱率為6.7W/mK。由于其他實(shí)施例與本例樣品的形貌、測(cè)試方法相近，后面不再贅述。

實(shí)施例2：

先將100g乙烯基硅油與1g固化劑(含氫硅油)在捏合機(jī)中進(jìn)行混合，然后加入30g石墨烯粉體混合2h。將混合物取出，利用雙輥開(kāi)煉機(jī)等對(duì)混合物反復(fù)擠壓10次，雙輥間隙0.5mm；將混合物擠壓為厚度小于0.5mm的薄片。將擠壓成薄片狀的混合物疊層后進(jìn)一步壓成塊體。將塊體沿垂直方向切片；對(duì)切取的片材加熱加壓固化成型，即可得到填料沿軸向取向排布的復(fù)合導(dǎo)熱材料。

本實(shí)施例制得的導(dǎo)熱界面材料的宏觀(guān)形貌及微觀(guān)形貌如實(shí)施例1，即填料均勻的分布于高分子材料基體中。填料的各片層間緊密連接，呈現(xiàn)出較為明顯的沿軸向取向排布的特征(即垂直于該導(dǎo)熱界面材料所在平面的方向)。

利用說(shuō)明中所述儀器及方法，測(cè)得材料的導(dǎo)熱率為6.3W/mK。

實(shí)施例3：

先將100g甲基乙烯基硅橡膠與1g固化劑(2,4-二氯過(guò)氧化苯甲酰)在捏合機(jī)中進(jìn)行混合，然后加入200g片狀氮化硼粉末混合2h。將混合物取出，利用雙輥開(kāi)煉機(jī)等對(duì)混合物反復(fù)擠壓10次，雙輥間隙0.5mm；將混合物擠壓為厚度小于0.5mm的薄片。將擠壓成薄片狀的混合物疊層后進(jìn)一步壓成塊體。將塊體沿垂直方向切片；對(duì)切取的片材加熱加壓固化成型，即可得到填料沿軸向取向排布的復(fù)合導(dǎo)熱材料。

本實(shí)施例制得的導(dǎo)熱界面材料的宏觀(guān)形貌及微觀(guān)形貌如實(shí)施例1，即填料均勻的分布于高分子材料基體中。填料的各片層間緊密連接，呈現(xiàn)出較為明顯的沿軸向取向排布的特征(即垂直于該導(dǎo)熱界面材料所在平面的方向)。

利用說(shuō)明中所述儀器及方法，測(cè)得材料的導(dǎo)熱率為4.8W/mK。

實(shí)施例4：

先將100g甲基乙烯基硅橡膠與1g固化劑(2,4-二氯過(guò)氧化苯甲酰)在捏合機(jī)中進(jìn)行混合，然后加入20g石墨烯粉體和400g片狀碳化硅粉末混合2h。將混合物取出，利用雙輥開(kāi)煉機(jī)等對(duì)混合物反復(fù)擠壓10次，雙輥間隙0.5mm；將混合物擠壓為厚度小于0.5mm的薄片。將擠壓成薄片狀的混合物疊層后進(jìn)一步壓成塊體。將塊體沿垂直方向切片；對(duì)切取的片材加熱加壓固化成型，即可得到填 料沿軸向取向排布的復(fù)合導(dǎo)熱材料。

本實(shí)施例制得的導(dǎo)熱界面材料的宏觀(guān)形貌及微觀(guān)形貌如實(shí)施例1，即填料均勻的分布于高分子材料基體中。填料的各片層間緊密連接，呈現(xiàn)出較為明顯的沿軸向取向排布的特征(即垂直于該導(dǎo)熱界面材料所在平面的方向)。

利用說(shuō)明中所述儀器及方法，測(cè)得材料的導(dǎo)熱率為7.5W/mK。

實(shí)施例5：

先將100g甲基乙烯基硅橡膠與1g固化劑(2,4-二氯過(guò)氧化苯甲酰)在捏合機(jī)中進(jìn)行混合，然后加入20g石墨烯粉體和200g片狀氮化硼粉末混合2h。將混合物取出，利用雙輥開(kāi)煉機(jī)等對(duì)混合物反復(fù)擠壓10次，雙輥間隙0.5mm；將混合物擠壓為厚度小于0.5mm的薄片。將擠壓成薄片狀的混合物疊層后進(jìn)一步壓成塊體。將塊體沿垂直方向切片；對(duì)切取的片材加熱加壓固化成型，即可得到填料沿軸向取向排布的復(fù)合導(dǎo)熱材料。

本實(shí)施例制得的導(dǎo)熱界面材料的宏觀(guān)形貌及微觀(guān)形貌如實(shí)施例1，即填料均勻的分布于高分子材料基體中。填料的各片層間緊密連接，呈現(xiàn)出較為明顯的沿軸向取向排布的特征(即垂直于該導(dǎo)熱界面材料所在平面的方向)。

利用說(shuō)明中所述儀器及方法，測(cè)得材料的導(dǎo)熱率為12.1W/mK。

實(shí)施例6：

先將100g甲基乙烯基硅橡膠與1g固化劑(2,4-二氯過(guò)氧化苯甲酰)在捏合機(jī)中進(jìn)行混合，然后加入20g石墨烯粉體和300g片狀鋁粉混合2h。將混合物取出，利用雙輥開(kāi)煉機(jī)等對(duì)混合物反復(fù)擠壓10次，雙輥間隙0.5mm；將混合物擠壓為厚度小于0.5mm的薄片。將擠壓成薄片狀的混合物疊層后進(jìn)一步壓成塊體。將塊體沿垂直方向切片；對(duì)切取的片材加熱加壓固化成型，即可得到填料沿軸向取向排布的復(fù)合導(dǎo)熱材料。

本實(shí)施例制得的導(dǎo)熱界面材料的宏觀(guān)形貌及微觀(guān)形貌如實(shí)施例1，即填料均勻的分布于高分子材料基體中。填料的各片層間緊密連接，呈現(xiàn)出較為明顯的沿軸向取向排布的特征(即垂直于該導(dǎo)熱界面材料所在平面的方向)。

利用說(shuō)明中所述儀器及方法，測(cè)得材料的導(dǎo)熱率為13.5W/mK。

實(shí)施例7：

先將100g甲基乙烯基硅橡膠與1g固化劑(2,4-二氯過(guò)氧化苯甲酰)在捏合機(jī)中進(jìn)行混合，然后加入20g石墨烯粉體和100g鱗片石墨粉末混合2h。將混合 物取出，利用雙輥開(kāi)煉機(jī)等對(duì)混合物反復(fù)擠壓10次，雙輥間隙0.5mm；將混合物擠壓為厚度小于0.5mm的薄片。將擠壓成薄片狀的混合物疊層后進(jìn)一步壓成塊體。將塊體沿垂直方向切片；對(duì)切取的片材加熱加壓固化成型，即可得到填料沿軸向取向排布的復(fù)合導(dǎo)熱材料。

本實(shí)施例制得的導(dǎo)熱界面材料的宏觀(guān)形貌及微觀(guān)形貌如實(shí)施例1，即填料均勻的分布于高分子材料基體中。填料的各片層間緊密連接，呈現(xiàn)出較為明顯的沿軸向取向排布的特征(即垂直于該導(dǎo)熱界面材料所在平面的方向)。

利用說(shuō)明中所述儀器及方法，測(cè)得材料的導(dǎo)熱率為15.2W/mK。

實(shí)施例8：

先將100g甲基乙烯基硅橡膠與1g固化劑(2,4-二氯過(guò)氧化苯甲酰)在捏合機(jī)中進(jìn)行混合，然后加入15g石墨烯粉體和150g鱗片石墨粉末混合2h。將混合物取出，利用雙輥開(kāi)煉機(jī)等對(duì)混合物反復(fù)擠壓10次，雙輥間隙0.5mm；將混合物擠壓為厚度小于0.5mm的薄片。將擠壓成薄片狀的混合物疊層后進(jìn)一步壓成塊體。將塊體沿垂直方向切片；對(duì)切取的片材加熱加壓固化成型，即可得到填料沿軸向取向排布的復(fù)合導(dǎo)熱材料。

本實(shí)施例制得的導(dǎo)熱界面材料的宏觀(guān)形貌及微觀(guān)形貌如實(shí)施例1，即填料均勻的分布于高分子材料基體中。填料的各片層間緊密連接，呈現(xiàn)出較為明顯的沿軸向取向排布的特征(即垂直于該導(dǎo)熱界面材料所在平面的方向)。

利用說(shuō)明中所述儀器及方法，測(cè)得材料的導(dǎo)熱率為25.0W/mK。

實(shí)施例9：

先將100g甲基乙烯基硅橡膠與1g固化劑(2,4-二氯過(guò)氧化苯甲酰)在捏合機(jī)中進(jìn)行混合，然后加入20g石墨烯粉體和150g鱗片石墨粉末混合2h。將混合物取出，利用雙輥開(kāi)煉機(jī)等對(duì)混合物反復(fù)擠壓10次，雙輥間隙0.5mm；將混合物擠壓為厚度小于0.5mm的薄片。將擠壓成薄片狀的混合物疊層后進(jìn)一步壓成塊體。將塊體沿垂直方向切片；對(duì)切取的片材加熱加壓固化成型，即可得到填料沿軸向取向排布的復(fù)合導(dǎo)熱材料。

本實(shí)施例制得的導(dǎo)熱界面材料的宏觀(guān)形貌及微觀(guān)形貌如實(shí)施例1，即填料均勻的分布于高分子材料基體中。填料的各片層間緊密連接，呈現(xiàn)出較為明顯的沿軸向取向排布的特征(即垂直于該導(dǎo)熱界面材料所在平面的方向)。

利用說(shuō)明中所述儀器及方法，測(cè)得材料的導(dǎo)熱率為40.0W/mK。

實(shí)施例10：

先將100g甲基乙烯基硅橡膠與1g固化劑(2,4-二氯過(guò)氧化苯甲酰)在捏合機(jī)中進(jìn)行混合，然后加入20g石墨烯粉體和600g片狀銀粉混合2h。將混合物取出，利用雙輥開(kāi)煉機(jī)等對(duì)混合物反復(fù)擠壓10次，雙輥間隙0.5mm；將混合物擠壓為厚度小于0.5mm的薄片。將擠壓成薄片狀的混合物疊層后進(jìn)一步壓成塊體。將塊體沿垂直方向切片；對(duì)切取的片材加熱加壓固化成型，即可得到填料沿軸向取向排布的復(fù)合導(dǎo)熱材料。

本實(shí)施例制得的導(dǎo)熱界面材料的宏觀(guān)形貌及微觀(guān)形貌如實(shí)施例1，即填料均勻的分布于高分子材料基體中。填料的各片層間緊密連接，呈現(xiàn)出較為明顯的沿軸向取向排布的特征(即垂直于該導(dǎo)熱界面材料所在平面的方向)。

利用說(shuō)明中所述儀器及方法，測(cè)得材料的導(dǎo)熱率為60.0W/mK。

對(duì)比例1：

先將100g甲基乙烯基硅橡膠與1g固化劑(2,4-二氯過(guò)氧化苯甲酰)在捏合機(jī)中進(jìn)行混合，然后加入30g石墨烯粉體混合2h。將混合物取出，加熱加壓固化成型，得到與實(shí)施例1相同填料配比的對(duì)比例樣品。

利用說(shuō)明中所述儀器及方法，測(cè)得材料的導(dǎo)熱率為2.0W/mK。

對(duì)比例2：

先將100g甲基乙烯基硅橡膠與1g固化劑(2,4-二氯過(guò)氧化苯甲酰)在捏合機(jī)中進(jìn)行混合，然后加入20g石墨烯粉體和400g片狀碳化硅粉末混合2h。將混合物取出，加熱加壓固化成型，得到與實(shí)施例4相同填料配比的對(duì)比例樣品。

利用說(shuō)明中所述儀器及方法，測(cè)得材料的導(dǎo)熱率為3.9W/mK。

以上提供的實(shí)施例僅僅是解釋說(shuō)明的方式，不應(yīng)認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的范圍限制，任何根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變的方法，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。