CN107501936A - 电子元器件散热用导热填隙材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及材料技术领域。电子元器件散热用导热填隙材料，其特征在于，包括如下质量百分比的组分，硅橡胶14％～20％，石墨烯/碳纳米管复合材料20％～40％，金属氧化物30％～60％，偶联剂为0.1～1％、液态金属1％～2％。本发明通过选取石墨烯/碳纳米管复合材料作为原材料，石墨烯和碳纳米管复合材料呈三维网状结构,通过石墨烯和碳纳米管之间的协同效应,使其表现出比任意一种单一材料更加优异的性能，例如更好的各向同性导热性、各向同性导电性、三维空间微孔网络等特性。解决了传统石墨烯、碳纳米管两种材料的单独使用，造成的导热方向的局限性问题。

Description

电子元器件散热用导热填隙材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料技术领域，具体涉及导热填隙材料及其制备方法。
背景技术
随着电子工业的飞速发展，集成电路的规模越来越大，电子元器件被广泛的应用集成到电子***中，应用方面包括数据处理，信号传输，供电***等等。
为了这些集成块能够正确稳定的运行，各个电子元器件所产生的热量必须有效和可靠的从元件上转移出去。事实上，传热的元器件的的表面是不规则的，有着大量微小的凹陷和孔隙，它们可以容纳空气，而空气的导热系数是非常低的，这些不规则的孔隙和凹陷必须要用导热材料填补，才能大大降低热阻，使传热更有效。
现有的导热填隙材料，往往是仅选取石墨材料中的石墨烯、碳纳米管两者中的任意一种作为原料应用于导热填隙材料中，然而，两者单独用于导热填隙材料时，石墨烯层间导热性能有限，而碳纳米管具有优异的轴向高导热性能，但径向导热性能有限，故这两者单独使用时，导热性能不佳。
发明内容
本发明的目的在于，提供电子元器件散热用导热填隙材料及其制备方法，解决以上至少一个技术问题。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
电子元器件散热用导热填隙材料，其特征在于，包括如下质量百分比的组分，硅橡胶14％～20％，石墨烯/碳纳米管复合材料20％～40％，金属氧化物30％～60％，偶联剂为0.1～1％、液态金属1％～2％。
本发明通过选取石墨烯/碳纳米管复合材料作为原材料，石墨烯和碳纳米管复合材料呈三维网状结构,通过石墨烯和碳纳米管之间的协同效应,使其表现出比任意一种单一材料更加优异的性能，例如更好的各向同性导热性、各向同性导电性、三维空间微孔网络等特性。解决了传统石墨烯、碳纳米管两种材料的单独使用，造成的导热方向的局限性问题。
此外，本发明中加入了少量的液态金属，由于液态金属具有流动性，便于渗透至石墨烯和碳纳米管复合材料三维结构中的微孔内，进一步，提高导热性能。而且，液态金属是有粘性的流体，可以实现液态金属在流动过程中部分粘附在微孔中，提高液态金属的覆盖面。
偶联剂包括硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂中的一种或两种的混合物或两种以上的混合物。
硅橡胶的分子量为5,000～50,000D。
石墨烯/碳纳米管复合材料的粒径为10～30nm。
陶瓷粉体的粒径为20～40μm。
还包括一种能溶解或分散硅橡胶的溶剂，溶剂的质量百分比是硅橡胶质量百分比的1/4～1/3；
溶剂包括甲苯、二甲苯、丙酮、环已酮、正己烷、正庚烷、丁醇、异丁醇和异链烷烃中的一种或两种的混合物或两种以上的混合物。
溶剂具有挥发性，溶剂可以让导热填隙材料的粘度更低，使用粘度低的导热填隙材料在生产工艺中操作更加便利，改善了工艺操作性。
还包括1％～2％感温变色粉。
本发明通过还设有感温变色粉，进而实现对导热填隙材料导热情况具有一直观的视觉感受，进而也可以知晓当前导热填隙材料覆盖的电子元器件的受热情况。
还包括金属氧化物纳米流体，所述金属氧化物纳米流体是氧化铜-乙二醇纳米流体，以金属氧化物纳米流体中的氧化铜作为金属氧化物，以金属氧化物纳米流体中的乙二醇作为溶剂。
作为一种优选方案，电子元器件散热用导热填隙材料，包括以下质量百分比的组分组成，硅橡胶20％、石墨烯/碳纳米管复合材料40％、金属氧化物33％、偶联剂1％、液态金属2％、溶剂4％。
本发明通过增设有液态金属的量，进而减少金属氧化物的相应配比，保证导热性能的同时，通过液态金属还可以实现电磁屏蔽的效果。
作为另一种优选方案，电子元器件散热用导热填隙材料，包括以下质量百分比的组分组成，硅橡胶20％、石墨烯/碳纳米管复合材料27％、氧化铜-乙二醇纳米流体50％、偶联剂1％、液态金属2％；
氧化铜-乙二醇纳米流体中氧化铜的质量百分比为60％。
本发明通过选取氧化铜-乙二醇纳米流体作为原料，通过乙二醇提高各个原料的混合效果，降低粘度，便于加工生产。
液态金属包括镓、铟、铋、钼、磁流体，且镓、铟、铋、钼、磁流体的重量比为3:1:1：2:2。
本发明通过优化液态金属的配比，保证导热性能的同时，由于增设有磁流体，进而限定液态金属的流动性，提高一定的聚合效果，防止液态金属的流动性过强而外溢的问题。
电子元器件散热用导热填隙材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，对原料进行称重：
原料包括如下质量百分含量的组分，硅橡胶14％～20％，石墨烯/碳纳米管复合材料20％～40％，金属氧化物30％～60％，偶联剂为0.1～1％、液态金属1％～2％；
步骤二，将原料中的固态颗粒物放入球磨机，搅拌粉碎20分钟至30分钟，获得一固态混合物；
步骤三，将原料中的液态材料与固态混合物放入一搅拌机内，搅拌均匀后，进行压延处理，并通过高温烘烤，烘烤时间为25min，烘烤温度为120℃。
所述球磨机包括球磨罐，所述球磨罐内设有隔板，所述球磨罐通过所述隔板分割成两个腔室，所述隔板上开设有一用于滤料的通孔；
两个腔室中的一个腔室放置有球石，另一个腔室的内壁固定有一重量传感器。
本发明通过优化球磨罐的结构，当物料研磨至小于通孔时，物料便会穿过通孔进入另一个腔室，通过重量传感器监测当前物料研磨的情况。
所述球磨罐放置有球石的腔室的内壁还开设有凹槽，所述凹槽上还设有一金属制成的盖体，所述盖体与所述凹槽围成一用于安装超声波传感器的空腔。
本发明通过超声波传感器监测物料撞击盖体的声波，进而分析当前物料被研磨的细度。
所述搅拌机包括一下端套设有搅拌桨的搅拌轴，所述搅拌轴是一伸缩方向为竖直方向的电动伸缩杆。
本发明通过将传统直杆式的搅拌轴，改良为伸缩式，便于实现搅拌桨不同高度上的搅拌，提高搅拌效果。
所述搅拌轴是一中空的搅拌轴，所述搅拌轴的上端开口，下端闭合，搅拌轴的下端的侧壁上开有出气孔；
还包括一气泵，气泵的进气端连接氮气罐；
气泵的出气端连接有一导气管，导气管的另一端通过开口伸入中空管内，导气管通过一轴承与所述开口相连。
本专利创造性的将出气孔开在搅拌轴上，可一边搅拌，一边充气，取得了下述预想不到的技术效果：
1、在搅拌轴离心力的作用下，气流方向与搅拌方向一致，一方面，搅拌阻力较小，搅拌速度快，另一方面，气体和物料的混合程度高，氮气利用率高；
2、出气孔出形成的气流可在一定程度上起到搅拌轴与物料的隔离作用，可有效避免物料粘在搅拌轴上，使搅拌较为均匀；
3、结构简单，方便清洗、安装、维护。
搅拌轴的上端套有第一齿轮，第一齿轮通过一变速齿轮组连接第二齿轮，第二齿轮套在驱动电机的转轴上。本专利选用齿轮作为传送***，动力大，效果好。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面进一步阐述本发明。
电子元器件散热用导热填隙材料，包括如下质量百分比的组分，硅橡胶14％～20％，石墨烯/碳纳米管复合材料20％～40％，金属氧化物30％～60％，偶联剂为0.1～1％、液态金属1％～2％。本发明通过选取石墨烯/碳纳米管复合材料作为原材料，石墨烯和碳纳米管复合材料呈三维网状结构,通过石墨烯和碳纳米管之间的协同效应,使其表现出比任意一种单一材料更加优异的性能，例如更好的各向同性导热性、各向同性导电性、三维空间微孔网络等特性。解决了传统石墨烯、碳纳米管两种材料的单独使用，造成的导热方向的局限性问题。
此外，本发明中加入了少量的液态金属，由于液态金属具有流动性，便于渗透至石墨烯和碳纳米管复合材料三维结构中的微孔内，进一步，提高导热性能。而且，液态金属是有粘性的流体，可以实现液态金属在流动过程中部分粘附在微孔中，提高液态金属的覆盖面。
偶联剂包括硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂中的一种或两种的混合物或两种以上的混合物。
硅橡胶的分子量为5,000～50,000D。
石墨烯/碳纳米管复合材料的粒径为10～30nm。
陶瓷粉体的粒径为20～40μm。
还包括一种能溶解或分散硅橡胶的溶剂，溶剂的质量百分比是硅橡胶质量百分比的1/4～1/3；
溶剂包括甲苯、二甲苯、丙酮、环已酮、正己烷、正庚烷、丁醇、异丁醇和异链烷烃中的一种或两种的混合物或两种以上的混合物。
溶剂具有挥发性，溶剂可以让导热填隙材料的粘度更低，使用粘度低的导热填隙材料在生产工艺中操作更加便利，改善了工艺操作性。
还包括1％～2％感温变色粉。本发明通过还设有感温变色粉，进而实现对导热填隙材料导热情况具有一直观的视觉感受，进而也可以知晓当前导热填隙材料覆盖的电子元器件的受热情况。
还包括金属氧化物纳米流体，金属氧化物纳米流体是氧化铜-乙二醇纳米流体，以金属氧化物纳米流体中的氧化铜作为金属氧化物，以金属氧化物纳米流体中的乙二醇作为溶剂。
作为一种优选方案，电子元器件散热用导热填隙材料，包括以下质量百分比的组分组成，硅橡胶20％、石墨烯/碳纳米管复合材料40％、金属氧化物33％、偶联剂1％、液态金属2％、溶剂4％。本发明通过增设有液态金属的量，进而减少金属氧化物的相应配比，保证导热性能的同时，通过液态金属还可以实现电磁屏蔽的效果。
作为另一种优选方案，电子元器件散热用导热填隙材料，包括以下质量百分比的组分组成，硅橡胶20％、石墨烯/碳纳米管复合材料27％、氧化铜-乙二醇纳米流体50％、偶联剂1％、液态金属2％；氧化铜-乙二醇纳米流体中氧化铜的质量百分比为60％。本发明通过选取氧化铜-乙二醇纳米流体作为原料，通过乙二醇提高各个原料的混合效果，降低粘度，便于加工生产。
液态金属包括镓、铟、铋、钼、磁流体，且镓、铟、铋、钼、磁流体的重量比为3:1:1：2:2。本发明通过优化液态金属的配比，保证导热性能的同时，由于增设有磁流体，进而限定液态金属的流动性，提高一定的聚合效果，防止液态金属的流动性过强而外溢的问题。
电子元器件散热用导热填隙材料的制备方法，包括如下步骤：步骤一，对原料进行称重：原料包括如下质量百分含量的组分，硅橡胶14％～20％，石墨烯/碳纳米管复合材料20％～40％，金属氧化物30％～60％，偶联剂为0.1～1％、液态金属1％～2％；步骤二，将原料中的固态颗粒物放入球磨机，搅拌粉碎20分钟至30分钟，获得一固态混合物；步骤三，将原料中的液态材料与固态混合物放入一搅拌机内，搅拌均匀后，进行压延处理，并通过高温烘烤，烘烤时间为25min，烘烤温度为120℃。搅拌的时间为10分钟。
球磨机包括球磨罐，球磨罐内设有隔板，球磨罐通过隔板分割成两个腔室，隔板上开设有一用于滤料的通孔；两个腔室中的一个腔室放置有球石，另一个腔室的内壁固定有一重量传感器。本发明通过优化球磨罐的结构，当物料研磨至小于通孔时，物料便会穿过通孔进入另一个腔室，通过重量传感器监测当前物料研磨的情况。
球磨罐放置有球石的腔室的内壁还开设有凹槽，凹槽上还设有一金属制成的盖体，盖体与凹槽围成一用于安装超声波传感器的空腔。本发明通过超声波传感器监测物料撞击盖体的声波，进而分析当前物料被研磨的细度。
搅拌机包括一下端套设有搅拌桨的搅拌轴，搅拌轴是一伸缩方向为竖直方向的电动伸缩杆。本发明通过将传统直杆式的搅拌轴，改良为伸缩式，便于实现搅拌桨不同高度上的搅拌，提高搅拌效果。
搅拌轴是一中空的搅拌轴，搅拌轴的上端开口，下端闭合，搅拌轴的下端的侧壁上开有出气孔；还包括一气泵，气泵的进气端连接氮气罐；气泵的出气端连接有一导气管，导气管的另一端通过开口伸入中空管内，导气管通过一轴承与开口相连。本专利创造性的将出气孔开在搅拌轴上，可一边搅拌，一边充气，取得了下述预想不到的技术效果：在搅拌轴离心力的作用下，气流方向与搅拌方向一致，一方面，搅拌阻力较小，搅拌速度快，另一方面，气体和物料的混合程度高，氮气利用率高；出气孔出形成的气流可在一定程度上起到搅拌轴与物料的隔离作用，可有效避免物料粘在搅拌轴上，使搅拌较为均匀；结构简单，方便清洗、安装、维护。
搅拌轴的上端套有第一齿轮，第一齿轮通过一变速齿轮组连接第二齿轮，第二齿轮套在驱动电机的转轴上。本专利选用齿轮作为传送***，动力大，效果好。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.电子元器件散热用导热填隙材料，其特征在于，包括如下质量百分比的组分，硅橡胶14％～20％，石墨烯/碳纳米管复合材料20％～40％，金属氧化物30％～60％，偶联剂为0.1～1％、液态金属1％～2％。
2.根据权利要求1所述的电子元器件散热用导热填隙材料，其特征在于：偶联剂包括硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂中的一种或两种的混合物或两种以上的混合物。
3.根据权利要求1所述的电子元器件散热用导热填隙材料，其特征在于：还包括一种能溶解或分散硅橡胶的溶剂，溶剂的质量百分比是硅橡胶质量百分比的1/4～1/3；
溶剂包括甲苯、二甲苯、丙酮、环已酮、正己烷、正庚烷、丁醇、异丁醇和异链烷烃中的一种或两种的混合物或两种以上的混合物。
4.根据权利要求3所述的电子元器件散热用导热填隙材料，其特征在于：还包括1％～2％感温变色粉。
5.根据权利要求4所述的电子元器件散热用导热填隙材料，其特征在于：包括以下质量百分比的组分组成，硅橡胶20％、石墨烯/碳纳米管复合材料40％、金属氧化物33％、偶联剂1％、液态金属2％、溶剂4％。
6.根据权利要求2所述的电子元器件散热用导热填隙材料，其特征在于：包括以下质量百分比的组分组成，硅橡胶20％、石墨烯/碳纳米管复合材料27％、氧化铜-乙二醇纳米流体50％、偶联剂1％、液态金属2％；
氧化铜-乙二醇纳米流体中氧化铜的质量百分比为60％。
7.电子元器件散热用导热填隙材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，对原料进行称重：
原料包括如下质量百分含量的组分，硅橡胶14％～20％，石墨烯/碳纳米管复合材料20％～40％，金属氧化物30％～60％，偶联剂为0.1～1％、液态金属1％～2％；
步骤二，将原料中的固态颗粒物放入球磨机，搅拌粉碎20分钟至30分钟，获得一固态混合物；
步骤三，将原料中的液态材料与固态混合物放入一搅拌机内，搅拌均匀后，进行压延处理，并通过高温烘烤，烘烤时间为25min，烘烤温度为120℃。
8.根据权利要求7所述的电子元器件散热用导热填隙材料的制备方法，其特征在于：所述球磨机包括球磨罐，所述球磨罐内设有隔板，所述球磨罐通过所述隔板分割成两个腔室，所述隔板上开设有一用于滤料的通孔；
两个腔室中的一个腔室放置有球石，另一个腔室的内壁固定有一重量传感器；
所述球磨罐放置有球石的腔室的内壁还开设有凹槽，所述凹槽上还设有一金属制成的盖体，所述盖体与所述凹槽围成一用于安装超声波传感器的空腔。
9.根据权利要求7所述的电子元器件散热用导热填隙材料的制备方法，其特征在于：所述搅拌机包括一下端套设有搅拌桨的搅拌轴，所述搅拌轴是一伸缩方向为竖直方向的电动伸缩杆。
10.根据权利要求9所述的电子元器件散热用导热填隙材料的制备方法，其特征在于：所述搅拌轴是一中空的搅拌轴，所述搅拌轴的上端开口，下端闭合，搅拌轴的下端的侧壁上开有出气孔；
还包括一气泵，气泵的进气端连接氮气罐；
气泵的出气端连接有一导气管，导气管的另一端通过开口伸入中空管内，导气管通过一轴承与所述开口相连。
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