CN110229367B 一种各向异性绝缘导热性片材及其制备方法 （深圳市鸿富诚新材料股份有限公司）

(12)发明专利(10)授权公告号CN110229367B(65)同一申请的已公布的文献号(73)专利权人深圳市鸿富诚新材料股份有限公司地址518103广东省深圳市宝安区福永街道凤凰社区福永东大道7号C栋一层、二层、三层凤凰第一工业区华源三期七层(72)发明人羊尚强陈印谢佑南曹勇(74)专利代理机构深圳市君胜知识产权代理事务所(普通合伙)44268专利代理师徐凯凯B29C48/25(2019.01)审查员连佳敏一种各向异性绝缘导热性片材及其制备方法本发明公开了一种各向异性绝缘导热性片材，包括导热片材，制备该各向异性绝缘导热性片材的原料至少包含柔性高分子材料、碳纤维、球形微粉和阻燃剂，所述碳纤维在导热性片材的厚度方向取向。本发明还公开了所述各向异性绝缘导热性片材的制备方法。发明所述的各向异性绝缘导热性片材至少包括了柔性高分子材料，碳纤维，球形微粉和阻燃剂，使得无规则导热填料混合在热固性柔性高分子材料中，利用剪切力作用使得纤维状导热填料在流动方向上取向，是一21.各向异性绝缘导热性片材，包括导热片材，其特征在于，制备该各向异性绝缘导热性片材的原料至少包含以重量份计的150-300份柔性高分子材料、500-800份碳纤维、1200-1800份球形微粉和150-200份阻燃剂，还包含100-150重量份乙烯基硅油，该乙烯基硅油的粘度为500-10000mpa.s;所述导热片材表面通过涂覆高分子涂料形成高分子涂层，所述高分子涂料按重量份计算包括80-120份乙烯基硅油、40-65份二甲基硅油、0.05-0.2重量份的延迟抑制剂、2-5份含H硅油、1-3份铂金水催化剂、150-200份长链烷基硅氧烷；所述碳纤维在导热性片材的厚度方向取向；所述导热性片材为挤出机末端与所述可合模的移动模具槽连接，通过挤出机挤出将碳纤维在流速方向上取向，且在可合模的移动模具槽中加热固化，形成成型体；将上述成型体用超声波切割方式，沿流速垂直相交方向切割获得碳纤维沿着厚度方向取向的导热性片材；所述挤出机为螺杆式挤出机，挤出机的挤出嘴为蜂窝挤出嘴；所述蜂窝挤出嘴中单个孔隙的截面积≤60mm²,壁厚≤0.1mm,蜂窝挤出嘴长度≥5cm;所述挤出机的挤出流道为锥形流道，所述锥形流道与蜂窝挤出嘴相接处至少安装一个分流装置，所述蜂窝挤出嘴末端与所述可合模的移动模具槽连接，所述移动模具槽的端部安装有控制模具槽后移距离的限位器；所述碳纤维为表面绝缘包覆的聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维、酚醛基碳纤维、气相生长碳纤维中的一种；2.根据权利要求1所述的各向异性绝缘导热性片材，其特征在于，所述柔性高分子材料为液体丙烯酸树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂、不饱和聚酯树脂、有机硅树脂中的一种或两种以上混合。3.根据权利要求2所述的各向异性绝缘导热性片材，其特征在于，所述原料还包含80-120重量份二甲基硅油、0.05-0.2重量份的延迟抑制剂，3-6重量份含H硅油、1-3重量份铂金水催化剂。4.根据权利要求2-3任一项所述的各向异性绝缘导热性片材，其特征在于，所述球形微粉为包含氧化铝和硅酸盐粉的复配粉末，所述球形微粉粉末的平均粒径为0.1-5μm。5.根据权利要求1-3任一项所述的各向异性绝缘导热性片材，其特征在于，所述碳纤维6.一种如权利要求1所述的各向异性绝缘导热性片材的制备方法，其特征在于，包括制备导热性预备料的步骤：将碳纤维、球形微粉和阻燃剂均匀混合在柔性高分子材料流速剪切取向步骤：上述导热性预备料通过挤出机挤出将碳纤维在流速方向上取向，且在可合模的移动模具槽中加热固化，形成成型体，所述挤出机为螺杆式挤出机，挤出机的挤出嘴为蜂窝挤出嘴；所述蜂窝挤出嘴中单个孔隙的截面积≤60mm²,壁厚≤0.1mm,蜂窝挤出嘴长度≥5cm;所述挤出机的挤出流道为锥形流道，所述锥形流道与蜂窝挤出嘴相接处至少安装一个分流装置，所述蜂窝挤出嘴末端与所述可合模的移动模具槽连接，所述移动模具槽的端部安装有控制模具槽后移距离的限位器；超声波切割步骤：将上述成型体用超声波切割方式，沿流速垂直相交方向切割获得碳纤维沿着厚度方向取向的导热性片材。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在制备导热性预备料步骤后，流速剪2/2页2/2页3切取向步骤前，还包括将混合均匀的导热性预备料放置真空箱中抽真空的步骤，真空箱的真空度为≤-0.09Mpa,抽真空时间≥8min。8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述模具装置的四周贴有离型膜。9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，流速剪切取向步骤中，加热固化采用鼓风式烤箱，烤箱的温度设置为80-120℃,烘烤时间为4-8H。4一种各向异性绝缘导热性片材及其制备方法技术领域[0001]本发明涉及导热界面材料及制备技术领域，具体涉及一种绝缘导热性材料及其制备方法。背景技术[0002]随着数据网络的快速发展，电子电器产品向智能化和高速化、复杂化发展，集成电路密集化将逼近物理极限，这将导致产品设备在运行过程中产生的热量也越来越大，热量无法快递转移散开，影响着电子产品的使用稳定性和使用寿命，因此热问题成为电子产品发展首要解决的问题。[0003]为了高效率散热，半导体芯片与散热器、散热风扇之间填充导热界面材料，市场上常规的导热材料则需要陶瓷粉体的高填充量来获得较好的导热性能，则失去了材料的柔和性和贴合性，并且高填充量会导致材料稳定性和寿命下降。利用导热填料在导热性能的各向异性的特性，在填充量不大的情况下也能获得较好的导热效果。具有各向异性特性的导数可以达到1500w/m.K.如果填充少量碳纤维并且使得碳纤维沿着产品厚度方向取向，不仅使产品保留很好的柔性，也将获得优异的导热性能。[0004]目前市场上有一些利用碳纤维取向而获得超高导热系数的导热性片材，但是由于碳纤维本身具有良好的导电性，导致产品不绝缘，在应用过程中会伴随相关电路板被电压击穿的风险。发明内容[0005]为解决上述问题，本发明的目的在于通过碳纤维与高分柔性高分子材料混合并取向，获得一种柔性好、导热系数高且绝缘的各向异性导热性片材。[0007]各向异性绝缘导热性片材，包括导热片材，制备该各向异性绝缘导热性片材的原料至少包含柔性高分子材料、碳纤维、球形微粉和阻燃剂，所述碳纤维在导热性片材的厚度方向取向。[0008]作为进一步的方案，本发明所述的原料至少包含以重量份计的150-300份柔性高分子材料、500-800份碳纤维、1200-1800份球形微粉和150-200份阻燃剂。[0009]作为进一步的方案，本发明所述的柔性高分子材料为液体丙烯酸树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂、不饱和聚酯树脂、有机硅树脂中的一种或两种以上混合。[0010]作为进一步的方案，本发明所述的原料还包含100-150重量份乙烯基硅油，该乙烯基硅油的粘度为500-100000mpa.s。[0011]作为进一步的方案，本发明所述的原料还包含80-120重量份二甲基硅油、0.05-0.2重量份的延迟抑制剂，3-6重量份含H硅油、1-3重量份铂金水催化剂。[0012]作为进一步的方案，本发明所述的球形微粉为包含氧化铝和硅酸盐粉的复配粉5末，所述球形微粉粉末的平均粒径为0.1-5μm。作为优选的，所述球形微粉还包含少量氮化[0013]作为进一步的方案，本发明所述的碳纤维为表面绝缘包覆的聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维、酚醛基碳纤维、气相生长碳纤维中的一种，所述碳纤维的平[0014]作为进一步的方案，本发明所述的导热片材表面通过涂覆高分子涂料形成高分子涂层，所述高分子涂料按重量份计算包括80-120份乙烯基硅油、40-65份二甲基硅油、0.05-0.2重量份的延迟抑制剂，2-5份含H硅油、1-3份铂金水催化剂、150-200份长链烷基硅氧烷。有粘性，便于导热垫片与其他部件之间的装配。[0015]本发明还提供了一种各向异性绝缘导热性片材的制备方法，利用剪切力作用，使得纤维状导热填料在流动方向上取向，获得一种性能优异的各向异性绝缘导热性片材。[0016]一种各向异性绝缘导热性片材的制备方法[0017]制备导热性预备料的步骤：将碳纤维、球形微粉和阻燃剂均匀混合在柔性高分子[0018]流速剪切取向步骤：上述导热性预备料通过挤出机挤出将碳纤维在流速方向上取[0019]超声波切割步骤：将上述成型体用超声波切割方式，沿流速垂直相交方向切割获得碳纤维沿着厚度方向取向的导热性片材。[0020]进一步的方案，本发明所述的制备方法还包括导热性片材表面处理步骤，导热性片材表面处理通过在导热片材表面涂覆高分子涂料形成高分子涂层或者是通过打磨方式将导热片材表面打磨光滑。[0021]作为进一步的方案，本发明所述的制备方法中在制备导热性预备料步骤后，流速剪切取向步骤前，还包括将混合均匀的导热性预备料放置真空箱中抽真空的步骤，真空箱的真空度为≤-0.09Mpa,抽真空时间≥8min。[0022]作为进一步的方案，本发明所述的模具装置的四周贴有离型膜。优选的，所述离型[0023]作为进一步的方案，本发明所述的挤出机为螺杆式挤出机，挤出机的挤出嘴为蜂窝挤出嘴；所述蜂窝挤出嘴中单个孔隙的截面积≤81mm²,壁厚≤0.1mm,蜂窝挤出嘴长度≥5cm。进一步的，所述蜂窝挤出嘴的蜂窝流道截面尺寸至少为30mm×30mm,单个孔隙的形状[0024]作为进一步的方案，本发明所述的挤出机的挤出流道为锥形流道，所述锥形流道与蜂窝挤出嘴相接处至少安装一个分流装置，所述蜂窝挤出嘴末端与所述可合模的移动模具槽连接，所述移动模具槽的端部安装有控制模具槽后移距离的限位器。具体的，可移动模具槽一端套嵌蜂窝挤出嘴末端。在该方案中，采用蜂窝挤出嘴，可以增加碳纤维在流道中的取向可能性，可移动模具槽一端连接在蜂窝挤出嘴末端，使得预备料挤出速度与后移速度一致，减少了空气在模腔内的干扰，在可移动模具槽中合模加热固化成型。[0025]作为进一步的方案，本发明所述的流速剪切取向步骤中，加热固化采用鼓风式烤6箱，烤箱的温度设置为80-120℃,烘烤时间为4-8H。[0026]本发明的有益效果在于：[0027]1.本发明所述的各向异性绝缘导热性片材至少包括了柔性高分子材料，碳纤维，球形微粉和阻燃剂，使得无规则导热填料混合在热固性柔性高分子材料中，纤维状导热填料在流动方向上取向，是一种导热性能和绝缘性能优异的导热性片材；[0028]2.本发明所述的制备方法利用剪切力作用，使得纤维状导热填料在流动方向上取向，使导热预备材料加热固化后在流速方向取得很好的导热性能，通过切片得到一种碳纤维在厚度方向取向的绝缘导热性片材。具体实施方式[0029]下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范[0030]各向异性绝缘导热性片材，包括导热片材，制备该各向异性绝缘导热性片材的原料至少包含柔性高分子材料、碳纤维、球形微粉和阻燃剂，所述碳纤维在导热性片材的厚度方向取向。[0031]作为进一步的方案，本发明所述的原料至少包含以重量份计的150-300份柔性高分子材料、500-800份碳纤维、1200-1800份球形微粉和150-200份阻燃剂。[0032]作为进一步的方案，本发明所述的柔性高分子材料可以选择但并不限于液体丙烯或两种以上混合，在本发明中优选氢氧化铝，氢氧化铝的平均粒径为0.[0033]作为进一步的方案，本发明所述的原料还包含100-150重量份乙烯基硅油，该乙烯基硅油的粘度为500-100000mpa.s。[0034]作为进一步的方案，本发明所述的原料还包含80-120重量份二甲基硅油、0.05-0.2重量份延迟抑制剂，3-6重量份含H硅油、1-3重量份[0035]作为进一步的方案，本发明所述的球形微粉为包含氧化铝和硅酸盐粉的复配粉末，所述球形微粉粉末的平均粒径为0.1-5μm。作为优选的，所述球形微粉还包含少量氮化[0036]作为进一步优选的方案，本发明所述的碳纤维为表面绝缘包覆的聚丙烯腈基碳纤[0037]本发明中所采用的碳纤维表面绝缘包覆工艺如下：[0038]碳纤维表面活化步骤：利用马弗炉对碳纤维基材表面进行热处理，500-1000℃,处理时间选择10h,增强碳纤维基材表面的活性，得到活化的碳纤维；[0039]形成绝缘涂层的步骤：将上述活化后的碳纤维与正硅酸乙酯、乙醇和催化剂按照碳纤维30～100g、正硅酸乙酯5～200ml、乙醇100～500ml、10%的氢氧化铵溶液10～100ml,在加热台上加热至50℃,搅拌混合均匀，使得碳纤维表面逐步形成一层均匀稳定的SiO₂绝7缘涂层，抽滤后得到SiO₂绝缘包覆的碳纤维；[0040]烘烤步骤：将上述绝缘包覆的碳纤维转到烤箱中进行烘烤。[0041]上述烘烤步骤中，采用分段式烘烤，第一阶段烘烤温度50～120℃,时间为1～3h,优选的温度为100℃;第二阶段烘烤温度为200～300℃,烘烤2～4h,优选的温度为250℃。[0042]作为进一步的方案，本发明所述的导热片材表面通过涂覆高分子涂料形成高分子涂层，所述的高分子涂料按重量份计算包括80-120份乙烯基硅油、40-65份二甲基硅油、0.05-0.2重量份延迟抑制剂，2-5份含H硅油、1-3份铂金水催化剂、150-200份长链烷基硅氧烷。高分子涂料中添加的长链烷基硅氧烷具有受热挥发的效果，有利于增加高分子涂层的粘性。进一步的，为了获得更好的导热效果，所述高分子涂料中还可以添加少量的球形微[0044]本发明还提供了一种各向异性绝缘导热性片材的制备方法，利用剪切力作用，使得纤维状导热填料在流速方向上取向，获得一种性能优异的各向异性绝缘导热性片材。[0045]一种各向异性绝缘导热性片材的制备方法，包括[0046]制备导热性预备料的步骤：将碳纤维、球形微粉和阻燃剂均匀混合在柔性高分子[0047]流速剪切取向步骤：上述导热性预备料通过挤出机挤出将碳纤维在流速方向上取[0048]超声波切割步骤：将上述成型体用超声波切割方式，沿流速垂直相交方向切割获得碳纤维沿着厚度方向取向的导热性片材。[0049]进一步的方案，本发明所述的制备方法还包括导热性片材表面处理步骤，导热性片材表面处理通过在导热片材表面涂覆高分子涂料形成高分子涂层或者是通过打磨方式将导热片材表面打磨光滑。[0050]作为进一步的方案，本发明所述的制备方法中在制备导热性预备料步骤后，流速剪切取向步骤前，还包括将混合均匀的导热性预备料放置真空箱中抽真空的步骤，真空箱的真空度为≤-0.09Mpa,抽真空时间≥8min。[0051]作为进一步的方案，本发明所述的模具装置的四周贴有离型膜。[0052]作为进一步的方案，本发明所述的挤出机为螺杆式挤出机，挤出机的挤出嘴为蜂窝挤出嘴；所述蜂窝挤出嘴中单个孔隙的截面积≤81mm²,壁厚≤0.1mm,蜂窝挤出嘴长度≥[0053]作为进一步的方案，本发明所述的挤出机的挤出流道为锥形流道，所述锥形流道与蜂窝挤出嘴相接处至少安装一个分流装置，所述蜂窝挤出嘴末端与所述可合模的移动模具槽连接，所述移动模具槽的端部安装有控制模具槽后移距离的限位器。[0054]作为进一步的方案，本发明所述的流速剪切取向步骤中，加热固化采用鼓风式烤箱，烤箱的温度设置为80-120℃,烘烤时间为4-8H。[0055]进一步的，超声波切割步骤中，所述超声波切割机的震动频率>20KHz,刀架向下移动速度<10mm/min。[0056]以下是本发明具体的实施例，在下述实施例中，所采用的原料、设备等出自本发明特殊限定外，均可以通过购买方式获得。8[0057]在下述实施例中，本发明所采用的碳纤维是通过以下方法获得的：[0058]碳纤维表面活化步骤：利用马弗炉对碳纤维基材表面进行热处理，500℃,处理时间选择12h,增强碳纤维基材表面的活性，得到活化的碳纤维；[0059]形成绝缘涂层的步骤：称量50g上述碳纤维放置在烧杯中，量取80ml正硅酸乙酯，400ml无水乙醇，通过玻璃棒的引流作用将正硅酸乙酯和无水乙醇倒入烧杯中，用搅拌桨进行搅拌，搅拌过程在加热台上进行加热，加热台温度设置为50℃,搅拌速度为1500rpm,搅拌时间为4h,当碳纤维均匀混合在溶液中时，用胶头滴管滴加氨水作为催化剂，氨水的添加量为100ml,滴加时间控制在40min,在搅拌过程中，溶液pH值维持在10左右，当pH值大于10的时候，滴加醋酸进行调整，搅拌结束以后，用真空抽滤装置对碳纤维混合溶液进行抽滤，抽滤过程中，不断的加入乙醇溶液对碳纤维进行清洗，直至抽滤过后的溶液成中性，得到SiO₂绝缘包覆的碳纤维；[0060]烘烤步骤：将上述SiO₂绝缘包覆的碳纤维转到烤箱中进行烘烤，采用分段式烘烤，第一个阶段是将其放置在温度设置为50℃的烤箱里，烘烤时间为3h,除掉附着在碳纤维上的乙醇和水分蒸发掉，第二个阶段是将其放置在马弗炉里进行煅烧，温度设置为300℃,煅烧时间为2h,在碳纤维表面形成一层致密的、稳定的SiO₂绝缘涂层。[0062]一种各向异性绝缘导热性片材，包括导热片材，所述导热片材表面通过涂覆高分子涂料形成高分子涂层，制备该各向异性绝缘导热性片材的原料至少包含柔性高分子材[0064]制备导热性预备料的步骤：将分别将15重量份甲基乙烯基硅橡胶、100重量份粘度为800mpa.s的乙烯基硅油、80重量份二甲基硅油、3重量份含H硅油、1重量份铂金水催化剂、1200重量份球形微粉、150重量份氢氧化铝、500重量份碳纤维通过开炼的方式混合均匀，得到导热性预备料；[0065]流速剪切取向步骤：将混合均匀的导热性预备料放置在真空度为-0.09Mpa,的真空箱中抽真空时间10min,通过挤出机挤出将碳纤维在流速方向上取向，挤出速度小于20rpm/min,且在可合模的移动模具槽中加热至80℃固化，形成成型体，其中所述挤出机为螺杆式挤出机，挤出机的挤出嘴为蜂窝挤出嘴；所述蜂窝挤出嘴中蜂窝挤出嘴的单个孔径面积为10mm²,长度10cm,壁厚0.1mm;[0066]超声波切割步骤：将上述成型体用超声波切割方式，沿流速垂直相交方向切割获得碳纤维沿着厚度方向取向的导热性片材，其中超声波切割机的震动频率为25KHz,刀架向下移动速度8mm/min;[0067]涂覆高分子涂层步骤：将80重量份乙烯基硅油、40重量份二甲基硅油、0.05重量份延迟抑制剂，2重量份含H硅油、1重量份铂金水催化剂、150重量份长链烷基硅氧烷搅拌均匀，得到高分子涂料，用涂布机将高分子涂接着放进150℃的烤箱中，加热10min固化，获得表面具有粘性的导热性片材。[0069]一种各向异性绝缘导热性片材，包括导热片材，所述导热片材表面通过涂覆高分子涂料形成高分子涂层，制备该各向异性绝缘导热性片材的原料至少包含柔性高分子材9[0070]其制备方法如下：[0071]制备导热性预备料的步骤：将分别将15重量份甲基乙烯基硅橡胶、150重量份粘度为100000mpa.s的乙烯基硅油、120重量份二甲基硅油、0.08重量份延迟抑制剂、4.0重量份含H硅油、3重量份铂金水催化剂、1200重量份球形微粉、150重量份氢氧化铝、850重量份碳纤维通过开炼的方式混合均匀，得到导热性预备料；[0072]流速剪切取向步骤：将混合均匀的导热性预备料放置在真空度为-0.09Mpa,的真空箱中抽真空时间10min,通过挤出机挤出将碳纤维在流速方向上取向，挤出速度小于20rpm/min,且在可合模的移动模具槽中加热至80℃固化，形成成型体，其中所述挤出机为螺杆式挤出机，挤出机的挤出嘴为蜂窝挤出嘴；所述蜂窝挤出嘴中蜂窝挤出嘴的单个孔径[0073]超声波切割步骤：将上述成型体用超声波切割方式，沿流速垂直相交方向切割获得碳纤维沿着厚度方向取向的导热性片材，其中超声波切割机的震动频率为25KHz,刀架向下移动速度8mm/min;[0074]涂覆高分子涂层步骤：将120重量份乙烯基硅油、65重量份二甲基硅油、0.05重量份延迟抑制剂、5重量份含H硅油、3重量份铂金水催化剂、200重量份长链烷基硅氧烷搅拌均匀，得到高分子涂料，用涂布机将高分子涂料在导热片材上均匀涂覆，涂层厚度小于50μm,接着放进150℃的烤箱中，加热10min固化，获得表面具有粘性的导热性片材。[0075]实施例3[0076]在实施例1的基础上，将涂覆高分子涂层步骤换成对导热性片材表面进行打磨光滑，表面打磨的方式不局限于砂子打磨，打磨机打磨，牛皮纸打磨，碳化硅陶瓷大气孔砂轮[0078]在实例1的基础上，采用粘度1