一種硅橡膠墊的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料領(lǐng)域，具體地說(shuō)涉及一種具有超高導(dǎo)熱系數(shù)的硅 橡膠墊的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著微電子集成技術(shù)和高密度印制板組裝技術(shù)的高速發(fā)展，現(xiàn)今微電子設(shè)備逐漸 朝著微型、便捷方向發(fā)展。在大功率驅(qū)動(dòng)下，半導(dǎo)體工作熱環(huán)境迅速向高溫方向移動(dòng)，這就 要求半導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量能夠被高速的傳導(dǎo)出去，以保證電子設(shè)備的正常運(yùn)行。隨著電子設(shè) 備向大功率、微型化方向的發(fā)展，對(duì)于導(dǎo)熱填隙材料的導(dǎo)熱性能要求也越來(lái)越高，甚至可以 說(shuō)，導(dǎo)熱填隙材料的導(dǎo)熱性能是制約大功率電子設(shè)備發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。
[0003] 現(xiàn)如今，市場(chǎng)上傳統(tǒng)的界面導(dǎo)熱材料主要為導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱膠粘劑、導(dǎo)熱橡膠及相 變材料等幾類界面材料。但其室溫下的導(dǎo)熱系數(shù)一般為1~5 W/m · K，遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)今電子 設(shè)備的發(fā)展對(duì)于導(dǎo)熱填隙材料的導(dǎo)熱性能的要求。因而制備具有更高熱導(dǎo)率導(dǎo)熱填隙材料 的需求日益迫切。
[0004]在傳統(tǒng)的技術(shù)方案中，往往采用常見(jiàn)的導(dǎo)熱填料對(duì)硅橡膠進(jìn)行填充:氧化鋁、氮化 硼、碳化硅、金屬鋁粉、銅粉等。而利用石墨烯等碳材料作為導(dǎo)熱填料時(shí)，也往往是對(duì)其與硅 橡膠進(jìn)行簡(jiǎn)單的混合，并沒(méi)有對(duì)石墨烯等進(jìn)行排列取向，沒(méi)有形成較好的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所 制備的硅膠墊的導(dǎo)熱系數(shù)往往較低，一般不超過(guò)10 W/m · K。
[0005] 如中國(guó)專利號(hào)為"201210321268.6"的現(xiàn)有技術(shù)在2012年12月19公開(kāi)了一種制備 導(dǎo)熱硅橡膠復(fù)合材料的方法，其技術(shù)方案包括以下步驟：（1)由包括基體、導(dǎo)熱填料和足量 硫化劑在室溫條件下混煉，得到混煉膠料的步驟；（2)由步驟(1)所得混煉膠料經(jīng)二段硫化， 得到目標(biāo)物的步驟。該專利通過(guò)采用膨脹石墨與其它碳材料的混合物作為填料來(lái)提高硅橡 膠復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，該方法雖然能提升硅橡膠復(fù)合材料的導(dǎo)熱率到4 W/m · K，但其還 不能滿足大功率電子設(shè)備對(duì)于導(dǎo)熱填隙材料導(dǎo)熱性能的要求，并且其制備工藝很復(fù)雜，不 利于工業(yè)化生產(chǎn)。
[0006] 又如中國(guó)專利號(hào)為"201410554466.6"的現(xiàn)有技術(shù)在2015年2月4公開(kāi)了一種含石 墨烯的硅橡膠導(dǎo)熱復(fù)合材料及其制備方法，雖然采用該方法制備出的導(dǎo)熱硅橡膠材料能 夠達(dá)到4.98 W/m · K的導(dǎo)熱系數(shù)，但其對(duì)填料的預(yù)處理增加了其生產(chǎn)成本，更重要的是其也 未能對(duì)石墨稀進(jìn)行定向排列，未能體現(xiàn)出石墨稀本身超高導(dǎo)熱性能應(yīng)用于娃橡膠中的優(yōu) 勢(shì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題，提供一種硅橡膠墊的制備方 法，本發(fā)明能使納米碳在娃橡膠中定向排列，形成規(guī)則的納米碳定向?qū)峋W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而得 到具備超高導(dǎo)熱系數(shù)的產(chǎn)品。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下： 一種硅橡膠墊的制備方法，其特征在于包括以下步驟： (1)向硅橡膠中加入納米碳材料，捏合均勻后得到納米碳-硅橡膠混合物； (2 )向納米碳-硅橡膠混合物中加入無(wú)機(jī)導(dǎo)熱粉末、催化劑和由二甲基硅油與含氫硅油 組成的混合物，經(jīng)開(kāi)煉后得到混煉膠； (3) 對(duì)混煉膠采用物理法定向，得到納米碳材料在硅橡膠中定向排列的樣品墊； (4) 對(duì)樣品墊進(jìn)行硫化，得到成品硅橡膠墊。
[0009] 所述步驟(3)中的物理法為機(jī)械擠壓定向法，其具體步驟為:在混煉膠的平面方向 對(duì)混煉膠施加1一15Mpa的橫向擠壓力，使納米碳材料在娃橡膠中以垂直于樣品墊平面方向 的方式定向排列。
[0010] 所述步驟(1)中的納米碳材料為納米碳與氧化鐵的復(fù)合物，所述步驟(3)中的物理 法為磁場(chǎng)定向法，其具體步驟為:沿著混煉膠的橫向平面方向施加磁場(chǎng)，利用氧化鐵納米粒 子受磁場(chǎng)的定向吸引作用，使納米碳材料在硅橡膠中以垂直于樣品墊平面方向的方式定向 排列。
[0011] 所述步驟(2)中的納米碳-硅橡膠混合物在加入無(wú)機(jī)導(dǎo)熱粉末、催化劑和由二甲基 硅油與含氫硅油組成的混合物前，預(yù)先在開(kāi)煉機(jī)中開(kāi)煉5-20min，開(kāi)煉完成后，再加入無(wú)機(jī) 導(dǎo)熱粉末、催化劑和由二甲基硅油與含氫硅油組成的混合物進(jìn)行開(kāi)煉10-60min，即可得到 混煉膠。
[0012] 所述步驟（1)中的硅橡膠為100重量份，納米碳材料為100-400重量份;所述步驟 (2)中的無(wú)機(jī)導(dǎo)熱粉末為10-300重量份，催化劑為1 一 10重量份，由二甲基硅油與含氫硅油 組成的混合物1 一10重量份。
[0013] 所述步驟(1)中的硅橡膠為硅橡膠生膠、乙烯基硅油中的一種或兩種的混合。
[0014] 所述步驟（1)中的納米碳材料為石墨稀與鱗片石墨、碳納米管、石墨稀納米帶、碳 纖維中的一種或多種的混合，所述鱗片石墨的尺寸為32-3000目，所述碳納米管的直徑為 10一150nm，長(zhǎng)度為 5-20ym。
[0015] 所述步驟(2)中的無(wú)機(jī)導(dǎo)熱粉末為金屬鋁粉、金屬銅粉、碳化硅、氮化硼、氮化鋁、 氧化鋁中的一種或多種的混合。
[0016] 所述步驟(2)中的催化劑為過(guò)氧化苯甲酸叔丁酯或2,5_二甲基-2,5_二叔丁基過(guò) 氧化己燒，所述催化劑中加入有粘度為500-5000mPa · s的二甲基硅油，催化劑與二甲基娃 油的質(zhì)量百分比為1 一 10:10-100。
[0017]所述步驟⑵中含氫硅油與二甲基硅油的質(zhì)量百分比為1-20:20-100,其中，含 氫硅油中的氫含量為0.1 - 0.5%，二甲基硅油的粘度為500-5000mPa · s。
[0018] 所述步驟（4)中的樣品墊在烘箱中硫化，硫化溫度為120-180°C，硫化時(shí)間為 0.5-2h〇
[0019] 采用本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于： 一、本發(fā)明中，步驟（1)中采用本身具有超高導(dǎo)熱系數(shù)(其在XY平面上的熱傳輸效率理 論值達(dá)5200 W/m · K)的納米碳材料作為娃橡膠墊的導(dǎo)熱填充材料，能夠極大提升導(dǎo)熱娃橡 膠復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。步驟(2 )中在納米碳-娃橡膠混合物中加入一定量的無(wú)機(jī)導(dǎo)熱粉 末，相對(duì)于直接將無(wú)機(jī)導(dǎo)熱粉末加入到硅橡膠中進(jìn)行捏合的傳統(tǒng)工藝而言，能夠很大限度 的避免步驟（1)中所形成的納米碳材料導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞，并且在開(kāi)煉過(guò)程中具有一定 的剪切作用，能夠讓無(wú)機(jī)導(dǎo)熱粉末均勻的形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并排列于碳材料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之 間，如此能夠形成較完好的納米碳材料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與無(wú)機(jī)導(dǎo)熱粉末網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)交替排列的導(dǎo)熱 網(wǎng)絡(luò)。另外，在步驟(2)中加入的催化劑能夠加快硅橡膠的硫化速率，加入的由二甲基硅油 與含氫硅油組成的混合物能夠顯著增強(qiáng)硅橡膠墊的表面粘性，并且降低其硬度。步驟(3)中 采用物理法定向能使納米碳在娃橡膠中定向排列，形成規(guī)則的納米碳定向?qū)峋W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用上述步驟的配合，能夠很好地對(duì)納米碳材料進(jìn)行排列取向，使 納米碳材料能夠在娃橡膠中定向排列，從而得到具備超高導(dǎo)熱系數(shù)的娃橡膠墊產(chǎn)品。
[0020] 二、本發(fā)明中，由于納米碳材料具有易滑動(dòng)的特性，因此，采用施加橫向擠壓力的 方式能使納米碳材料快速地在娃橡膠中定向排列，既保證能夠快速形成良好的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)，又具有施工工藝簡(jiǎn)單和易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化運(yùn)用的優(yōu)點(diǎn)。另外，納米碳材料就石墨烯來(lái)說(shuō)，其 在XY平面上的熱傳輸效率理論值達(dá)5200W/m · K。納米碳材料在硅橡膠中，其XY平面以垂直 于樣品墊平面方向的方式定向排列時(shí)，當(dāng)熱量在導(dǎo)熱墊上下表面?zhèn)鬟f時(shí)，熱量是通過(guò)石墨 烯的XY平面進(jìn)行橫向傳遞，因而能夠形成良好的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有極高的傳熱效率。
[0021] 三、本發(fā)明中，納米碳材料為納米碳與氧化鐵的復(fù)合物，該復(fù)合物與磁場(chǎng)定向法相 結(jié)合，利用氧化鐵納米粒子受磁場(chǎng)的定向吸引作用，通過(guò)氧化鐵納米粒子與納米碳的強(qiáng)相 互作用力，能夠引導(dǎo)納米碳材料在硅橡膠中定向排列并快速形成良好的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具 有施工工藝簡(jiǎn)單和易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化運(yùn)用的優(yōu)點(diǎn)。另外，納米碳材料就石墨烯來(lái)說(shuō)，其在XY平面 上的熱傳輸效率理論值達(dá)5200W/m · K。納米碳材料在硅橡膠中，其XY平面以垂直于樣品墊 平面方向的方式定向排列時(shí)，當(dāng)熱量在導(dǎo)熱墊上下表面?zhèn)鬟f時(shí)，熱量是通過(guò)石墨烯的XY平 面進(jìn)行橫向傳遞，因而能夠形成良好的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有極高的傳熱效率。
[0022] 四、本發(fā)明中，步驟(2)中的納米碳-硅橡膠混合物預(yù)先進(jìn)行開(kāi)煉后