CN114106555A - 虚拟现实设备，导热复合材料及其制备方法 - Google Patents

虚拟现实设备，导热复合材料及其制备方法 Download PDF

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CN114106555A CN202111464648.0A CN202111464648A CN114106555A CN 114106555 A CN114106555 A CN 114106555A CN 202111464648 A CN202111464648 A CN 202111464648A CN 114106555 A CN114106555 A CN 114106555A
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Abstract

本发明提供了一种虚拟现实设备，导热复合材料及其制备方法。导热复合材料以重量百分比计，包括以下组分：40％～70％的聚酰胺6，5％～15％的弹性体和15％～45％的导热填料；其中，导热填料包括氮化铝、石墨、氮化硼、石墨烯中的至少一种。本发明的导热复合材料通过弹性体构建的导热网络使PA6在较低的导热填料含量下呈现优异的导热效果和高强度，即该导热复合材料不仅热导率高即导热效果优异，且具有良好的力学性能。

Description

虚拟现实设备，导热复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及虚拟现实技术领域，特别涉及一种虚拟现实设备，导热复合材料及其制备方法。
背景技术
随着虚拟现实技术不断发展，芯片功率大幅提升导致产品局部温升过高。大多数技术方案采用在机内增加金属散热片、微型风扇等方案来改善机内温升状态。尽管上述技术方案可以改善产品的散热状态，但是，额外增加的散热模组与产品小型化和轻量化的设计理念相冲突。
发明内容
本发明的目的在于提供一种导热性较好的导热复合材料，采用上述导热复合材料所制备的虚拟现实设备，以解决现有技术中的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种导热复合材料，以重量百分比计，包括以下组分：
40％～70％的聚酰胺6，5％～15％的弹性体和15％～45％的导热填料；其中，所述导热填料包括氮化铝、石墨、氮化硼、石墨烯中的至少一种。
在其中一实施方式中，所述弹性体包括聚乙烯PE、三元乙丙橡胶、乙烯-丁烯共聚物SEBS、聚丙烯均聚PP和POE塑料中的至少一种。
本发明提供一种导热复合材料的制备方法，包括以下步骤：
按照重量百分比，称取40％～70％的聚酰胺6，5％～15％的弹性体和15％～45％的导热填料；其中，所述导热填料包括氮化铝、石墨、氮化硼、石墨烯中的至少一种；
将所述聚酰胺6、所述导热填料和所述弹性体分别进行真空干燥；
将干燥后的所述聚酰胺6和所述导热填料充分搅拌混合均匀，得到混合物，并将该混合物置于双螺杆挤出机中熔融共混；
在塑化后段加入干燥后的所述弹性体，进行挤出造粒，得到所述导热复合材料。
本发明还提供一种虚拟现实设备，包括外壳以及设置于所述外壳内部的功能设备，所述功能设备用于生成模拟环境，所述外壳的材质为如上所述的导热复合材料。
本发明还提供一种虚拟现实设备，包括外壳以及设置于所述外壳内部的功能设备，所述功能设备包括：
光学模组，设置于所述外壳的容置空间内；
支架，位于所述光学模组的前方，并与所述光学模组之间具有间隔；所述支架的材质为如上所述的导热复合材料；
印制电路板，设置于所述支架的前方；且所述印制电路板覆盖所述支架的部分；
散热片，位于所述印制电路板的前方，且所述散热片部分与所述印制电路板接触，部分与所述支架接触。
在其中一实施方式中，所述外壳的材质为如上所述的导热复合材料。
在其中一实施方式中，所述散热片的材质包括铝合金、铜合金、导热塑料、石墨片以及均热板中的至少一种。
在其中一实施方式中，所述外壳包括壳体以及盖设于壳体前方的前盖；
所述壳体上沿周向间隔设有多个周向散热孔，所述周向散热孔沿前后方向靠近所述支架与所述壳体的连接处；
所述前盖上间隔设有多个前部散热孔。
在其中一实施方式中，所述支架包括支架本体以及向前方凸伸出支架本体的凸台，所述印制电路板位于所述支架本体上，所述散热片位于凸台上，而实现散热片同时与所述支架和所述印制电路板接触。
在其中一实施方式中，所述凸台的前表面通过微米级加工处理而呈沟槽结构；
所述散热片对应所述凸台的表面也通过微米级加工处理而呈沟槽结构。
在其中一实施方式中，所述凸台远离印制电路板的一端开口，且内部中空。
在其中一实施方式中，所述散热片与所述印制电路板之间填充有导热硅脂或硅胶垫。
由上述技术方案可知，本发明的优点和积极效果在于：
本发明的导热复合材料通过弹性体构建的导热网络使PA6在较低的导热填料含量下呈现优异的导热效果和高强度，即该导热复合材料不仅热导率高即导热效果优异，且具有良好的力学性能。
以该导热复合材料所制备的虚拟现实设备散热效率较高，进而降低产品的温升。且虚拟现实设备并未增加重量，即重量较轻，复合产品轻量化理念。
附图说明
图1是本发明中导热复合材料的制备方法的流程图。
图2是本发明中虚拟现实设备的结构示意图。
图3是本发明中虚拟现实设备的前盖、散热片、支架以及印制电路板的主视图。
图4是本发明中虚拟现实设备装配后前盖、散热片、支架以及印制电路板的位置示意图。
图5是图4的另一方向的位置示意图。
图6是本发明中散热片与支架的沟槽结构示意图。
附图标记说明如下：1、虚拟现实设备；11、外壳；111、壳体；112、前盖；12、光学模组；13、支架；131、支架本体；132、凸台；1321、沟槽结构；14、印制电路板；15、散热片；151、沟槽结构。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。
为了进一步说明本发明的原理和结构，现结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
热量传递包括热传导、热对流以及热辐射。在终端设备的散热过程中，热传导、热对流以及热辐射同时发生。
热传导是指物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递。
热对流是指运动的流体流经温度与之不同的固体表面时与固体表面之间发生的热量交换过程，这是通信设备散热中应用最广的一种换热方式。
热辐射指两个物体之间通过热辐射传递热量，热辐射是由于物体的温度高于绝对零度时发出的电磁波过程。
热传导、热对流以及热辐射的热量传递分别通过以下公式计算：
Fourier导热公式：Q＝λA(Th-Tc)/δ
Newton对流换热公式：Q＝αA(TW-Tf)
辐射4次方定律：Q＝5.67e-8×εA(Th4-Tc4)
其中λ、α、ε分别为导热系数，对流换热系数及表面的发射率，A是换热面积，Th与Tc分别是高低温面的温度，δ为两个面之间的距离。
对于虚拟现实设备而言，由于其直接佩戴在人体头部，因此如何在兼顾轻量化的同时提高散热效果，是开发的重中之重。基于上述热传导理论，提高散热面积、减少热阻和提高热扩散效率是目前主要的研究方向。
其中，一部分产品通过在虚拟现实设备的内部增加小尺寸风扇、超薄均热管以及石墨片等结构件，提高热对流和热辐射效率的方式来改善产品的散热问题。尽管上述方案可以改善散热效果，但牺牲了产品重量，且增加了结构和工艺复杂度。另一部分产品为避免增重，仅采用传统的散热片作为主要散热原件，该方案通过热传导形式将热量传递至高导热率材料制备的散热片，扩大了散热面积，散热能力有限。
因此，本发明提供一种散热性能较好的导热复合材料及其制备方法，以该导热复合材料所制备的外壳，以及包括该外壳的虚拟现实设备。
以下先介绍导热复合材料。
以重量百分比计，导热复合材料包括以下组分：
40％～70％的聚酰胺6(PA6)，5％～15％的弹性体和15％～45％的导热填料。
PA6是一种半结晶性高分子材料，其中晶体是依靠排列整齐的晶粒热振动传热，非晶体的导热是通过无规则排列的分子或原子围绕一个固定位置热振动，将能量依次传递给相邻的分子或原子，导热率约为0.2w/m·k。
弹性体包括聚乙烯(PE)、三元乙丙橡胶、乙烯-丁烯共聚物(SEBS)、聚丙烯均聚(PP)和POE塑料中的至少一种。即弹性体可以是上述物质中的任意一种，也可以是任意两种的混合，还可以是任意三种或多种的混合。
导热填料包括氮化铝、石墨、氮化硼、石墨烯中的至少一种。即导热填料可以是上述物质中的任意一种，也可以是任意两种的混合，还可以是任意三种或多种的混合。
导热填料均为无机化合物，均具备强力的共价键和均匀规律的晶体结构，因此通常具备很高的导热率。例如石墨的导热率为2000w/m·k以上。
为保证最终的导热复合材料具备良好的散热效果，需添加大量的导热填料，这必然导致材料整体力学性能下降。导热填料的添加量低于15％时，由于导热填料本身分散性较差，导致产品散热过程呈明显各向异性，团聚处导热效果明显，其余位置导热效果较差。当导热填料的添加量高于45％时，尽管产品各处导热效果均有明显提升，然而由于导热填料含量过高，材料呈现硬而脆的特性，冲击强度明显下降。
弹性体用于改善导热填料原本的分散状态，形成网格状导热通路，从而提高PA6在流动和垂直流动方向的导热效率，避免出现由于导热填料的分散不均而形成的导热各向异性和应力集中的问题，使导热复合材料的导热效果较好。
该导热复合材料通过弹性体构建的导热网络使PA6在较低的导热填料含量下呈现优异的导热效果和高强度，即该导热复合材料不仅热导率高即导热效果优异，且具有良好的力学性能。
参阅图1，该导热复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、按照重量百分比，称取40％～70％的聚酰胺6，5％～15％的弹性体和15％～45％的导热填料。
S2、将聚酰胺6、导热填料和弹性体分别进行真空干燥。
具体地，在90℃干燥8～12h。
S3、将干燥后的聚酰胺6和导热填料充分搅拌混合均匀，得到混合物，并将该混合物置于双螺杆挤出机中熔融共混。
其中，在常温常压下将上述材料在高速混合器中进行充分混合。
双螺杆挤出机的各区段温度分别为220～240℃、230～260℃、250～280℃和280～300℃。
S4、在塑化后段加入干燥后的弹性体，进行挤出造粒，得到导热复合材料。
该制备方法中，先添加基体PA6材料和导热填料，然后通过侧料斗添加弹性体，剪切作用使弹性体和导热填料在基体PA6材料中均匀分散。即通过物理共混的方式将导热填料加入基体PA6材料中以提高材料导热率，该制备方式简单、易操作。
本申请的发明人通过严格设计各组分的含量而实现导热复合材料的导热效果优异以及力学性能优异的效果，以下通过各实施例介绍各组分的含量。
实施例一
以重量百分比计，导热复合材料包括以下组分：
50％的PA6，7％的弹性体和43％的导热填料。
本实施例中的导热复合材料的制备方法包括以下步骤：
依据上述重量百分比，分别称取对应的PA6、弹性体和导热填料。
将聚酰胺6、导热填料和弹性体分别进行真空干燥。
将干燥后的聚酰胺6和导热填料充分搅拌混合均匀，得到混合物，并将该混合物置于双螺杆挤出机中熔融共混。
双螺杆挤出机工作温度为一区235℃、二区255℃、三区265℃、四区280℃，螺杆转速60r/min。
在塑化后段加入干燥后的弹性体，进行挤出造粒，得到导热复合材料。
实施例二
以重量百分比计，导热复合材料包括以下组分：
55％的PA6，10％的弹性体和35％的导热填料。
本实施例中的导热复合材料的制备方法包括以下步骤：
依据上述重量百分比，分别称取对应的PA6、弹性体和导热填料。
将聚酰胺6、导热填料和弹性体分别进行真空干燥。
将干燥后的聚酰胺6和导热填料充分搅拌混合均匀，得到混合物，并将该混合物置于双螺杆挤出机中熔融共混。
双螺杆挤出机工作温度为一区235℃、二区255℃、三区265℃、四区280℃，螺杆转速60r/min。
在塑化后段加入干燥后的弹性体，进行挤出造粒，得到导热复合材料。
实施例三
以重量百分比计，导热复合材料包括以下组分：
70％的PA6，5％的弹性体和25％的导热填料。
本实施例中的导热复合材料的制备方法包括以下步骤：
依据上述重量百分比，分别称取对应的PA6、弹性体和导热填料。
将聚酰胺6、导热填料和弹性体分别进行真空干燥。
将干燥后的聚酰胺6和导热填料充分搅拌混合均匀，得到混合物，并将该混合物置于双螺杆挤出机中熔融共混。
双螺杆挤出机工作温度为一区235℃、二区255℃、三区265℃、四区280℃，螺杆转速60r/min。
在塑化后段加入干燥后的弹性体，进行挤出造粒，得到导热复合材料。
实施例四
以重量百分比计，导热复合材料包括以下组分：
45％的PA6，15％的弹性体和40％的导热填料。
本实施例中的导热复合材料的制备方法包括以下步骤：
依据上述重量百分比，分别称取对应的PA6、弹性体和导热填料。
将聚酰胺6、导热填料和弹性体分别进行真空干燥。
将干燥后的聚酰胺6和导热填料充分搅拌混合均匀，得到混合物，并将该混合物置于双螺杆挤出机中熔融共混。
双螺杆挤出机工作温度为一区235℃、二区255℃、三区265℃、四区280℃，螺杆转速60r/min。
在塑化后段加入干燥后的弹性体，进行挤出造粒，得到导热复合材料。
实施例五
以重量百分比计，导热复合材料包括以下组分：
40％的PA6，15％的弹性体和45％的导热填料。
本实施例中的导热复合材料的制备方法包括以下步骤：
依据上述重量百分比，分别称取对应的PA6、弹性体和导热填料。
将聚酰胺6、导热填料和弹性体分别进行真空干燥。
将干燥后的聚酰胺6和导热填料充分搅拌混合均匀，得到混合物，并将该混合物置于双螺杆挤出机中熔融共混。
双螺杆挤出机工作温度为一区235℃、二区255℃、三区265℃、四区280℃，螺杆转速60r/min。
在塑化后段加入干燥后的弹性体，进行挤出造粒，得到导热复合材料。
对比例1
以重量百分比计，导热复合材料包括以下组分：
55％的PA6和45％的导热填料。
本实施例中的导热复合材料的制备方法包括以下步骤：
依据上述重量百分比，分别称取对应的PA6和导热填料。
将聚酰胺6和导热填料分别进行真空干燥。
将干燥后的聚酰胺6和导热填料充分搅拌混合均匀，得到混合物，并将该混合物置于双螺杆挤出机中熔融共混，进行挤出造粒，得到导热复合材料。
双螺杆挤出机工作温度为一区235℃、二区255℃、三区265℃、四区280℃，螺杆转速60r/min。
分别对实施例1-5的导热复合材料及对比例1的导热材料进行性能测试，各性能如表1所示。
其中，拉伸强度以测试标准ISO 527-2进行测试，弯曲强度和弯曲模量以测试标准ISO 178进行测试，冲击强度以测试标准ISO 179进行测试，导热率(流动方向)以测试标准ASTM E1530进行测试。
表1各材料的性能
Figure BDA0003389780060000081
由上表可知，实施例1～5中所得到的导热复合材料的力学性能和导热率均优于对比例1。
本发明还提供一种虚拟现实设备，包括外壳以及位于外壳内的功能设备。其中，外壳采用上述导热复合材料制备得到，进而使得该虚拟现实设备不仅散热效果较好，且符合产品轻量化理念。
为方便描述，定义虚拟现实设备在佩戴于人体头部时，朝向人体视觉前方的为前方，反之为后方。
参阅图2和图3，图2示出了虚拟现实设备的结构示意图，图3示出了虚拟现实设备装配后前盖、散热片、支架以及印制电路板的主视图。
外壳11包括壳体111以及设置于壳体111前方的前盖112。
壳体111内具有容置空间。具体地，壳体111的截面呈方形，壳体111包括四个侧壁，四个侧壁相围合而形成容置空间。
沿壳体111的周向，间隔设有多个周向散热孔。周向散热孔设置于侧壁上。
具体地，沿前后方向，周向散热孔的附近还设有朝向内侧的凸起。
前盖112盖设于壳体111的前方。前盖112上间隔设有多个前部散热孔。
其中，前盖112和壳体111的材质均采用本申请中的导热复合材料制备，进而使本申请中的壳体111和前盖112均具有较好的力学性能和导热性能。也就是说，外壳11具有较好的力学性能和导热性能。
功能设备用于生成模拟环境，其包括光学模组12、支架13、印制电路板14、散热片15。
光学模组12用于成像。具体地，光学模组12位于外壳11的容置空间内。
支架13位于光学模组12的前方，并与光学模组12之间具有间隔。
支架13的材质采用本申请中的导热复合材料制备，不仅可以减轻支架13的重量，还可以提高导热和均热效率。
其中，支架13与壳体111之间通过卡接实现连接。示例性地，壳体111的内周沿周向环设有多个凸起，支架13沿自身的周向间隔设有多个凹槽，凸起与凹槽一一对应，且凸起卡接于凹槽内，进而实现支架13与壳体111之间的卡接。且壳体111内的凸起在前后方向靠近周向散热孔，以使支架13处的热量通过周向散热孔向外扩散。
结合图4、图5和图6，图4和图5分别示出了不同方向的散热片15、支架13以及印制电路板14的位置示意图，图6示出了支架13的沟槽结构1321和散热片15的沟槽结构151的示意图。
支架13包括支架13本体以及向前方凸伸出支架13本体的凸台132，凸台132的前表面通过微米级加工处理而呈沟槽结构1321。
凸台132远离印制电路板14的一端开口，且内部中空，减小支架13的壁厚，保证支架13的散热效率。
支架13靠近光学模组12的表面上还贴附有一层隔热膜，以避免热量传递至光学模组12处。
印制电路板14为整个虚拟现实设备1的热源，其在工作时散发大量的热量。
印制电路板14设置于支架13的前方，且印制电路板14覆盖支架13的部分。具体地，印制电路板14的尺寸小于支架13的尺寸，因此，印制电路板14仅覆盖支架13的部分。
具体地，印制电路板14位于支架13本体上。
散热片15位于印制电路板14的前方，且散热片15部分与印制电路板14接触，部分与支架13接触。
散热片15的材质包括铝合金、铜合金、导热塑料、石墨片以及均热板中的至少一种。即，散热片15可以是上述材料中的任意一种，也可以是任意两种的混合，还可以是任意三种或多种的混合。
具体地，散热片15位于凸台132上，而实现散热片15同时与支架13和印制电路板14接触。
散热片15对应凸台132的表面也通过微米级加工处理而呈沟槽结构151，以尽可能增大散热片15与支架13之间的接触面积，提高热传导效率。
散热片15与印制电路板14之间填充有导热硅脂或硅胶垫，以减少空气热阻的影响。
本实施例中的虚拟现实设备1的散热原理如下：
热量由印制电路板14散发，一部分热量传递至散热片15，一部分热量传递至支架13。借助散热片15以及支架13的高导热率以及散热面积的扩展，实现快速均热效果，改善局部积热缺陷。同时，均摊的热量通过散热片15和支架13的热辐射、热对流作用将热量扩散至整个虚拟现实设备1的内部环境，由于支架13与光机模组之间有隔热膜，因此大部分热量将通过外壳11的周向散热孔扩散至外部环境。
另外，由于外壳11与支架13之间有效连接，且两者均采用本申请中的导热复合材料制备，因此传递至支架13的部分热量进而传递至外壳11，使热量实现快速分散，并通过外壳11的热辐射和热对流效果将热量扩散至外部环境。
此外，由于支架13与散热片15之间的微结构即沟槽结构可以实现零间隙接触，极大地避免了空气热阻的影响，同时增加了热传导面积，可以更快的将热量传递至支架13。
即，本实施例中的虚拟现实设备1具有多种导热路径，提高了散热效率，降低了产品的温升。且虚拟现实设备1并未增加重量，即重量较轻，复合产品轻量化理念。
由上述技术方案可知，本发明的优点和积极效果在于：
本发明的导热复合材料通过弹性体构建的导热网络使PA6在较低的导热填料含量下呈现优异的导热效果和高强度，即该导热复合材料不仅热导率高即导热效果优异，且具有良好的力学性能。
以该导热复合材料所制备的虚拟现实设备散热效率较高，进而降低产品的温升。且虚拟现实设备并未增加重量，即重量较轻，复合产品轻量化理念。
虽然已参照几个典型实施方式描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种导热复合材料，其特征在于，以重量百分比计，包括以下组分：
40％～70％的聚酰胺6，5％～15％的弹性体和15％～45％的导热填料；其中，所述导热填料包括氮化铝、石墨、氮化硼、石墨烯中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的导热复合材料，其特征在于，所述弹性体包括聚乙烯PE、三元乙丙橡胶、乙烯-丁烯共聚物SEBS、聚丙烯均聚PP和POE塑料中的至少一种。
3.一种导热复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
按照重量百分比，称取40％～70％的聚酰胺6，5％～15％的弹性体和15％～45％的导热填料；其中，所述导热填料包括氮化铝、石墨、氮化硼、石墨烯中的至少一种；
将所述聚酰胺6、所述导热填料和所述弹性体分别进行真空干燥；
将干燥后的所述聚酰胺6和所述导热填料充分搅拌混合均匀，得到混合物，并将该混合物置于双螺杆挤出机中熔融共混；
在塑化后段加入干燥后的所述弹性体，进行挤出造粒，得到所述导热复合材料。
4.根据权利要求3所述的导热复合材料的制备方法，其特征在于，所述弹性体包括聚乙烯PE、三元乙丙橡胶、乙烯-丁烯共聚物SEBS、聚丙烯均聚PP和POE塑料中的至少一种。
5.一种虚拟现实设备，其特征在于，包括外壳以及设置于所述外壳内部的功能设备，所述功能设备用于生成模拟环境，所述外壳的材质为如权利要求1～4任意一项所述的导热复合材料。
6.一种虚拟现实设备，其特征在于，包括外壳以及设置于所述外壳内部的功能设备，所述功能设备包括：
光学模组，设置于所述外壳的容置空间内；
支架，位于所述光学模组的前方，并与所述光学模组之间具有间隔；所述支架的材质为如权利要求1～4任意一项所述的导热复合材料；
印制电路板，设置于所述支架的前方；且所述印制电路板覆盖所述支架的部分；
散热片，位于所述印制电路板的前方，且所述散热片部分与所述印制电路板接触，部分与所述支架接触。
7.根据权利要求6所述的虚拟现实设备，其特征在于，所述外壳的材质为如权利要求1～4任意一项所述的导热复合材料。
8.根据权利要求6所述的虚拟现实设备，其特征在于，所述散热片的材质包括铝合金、铜合金、导热塑料、石墨片以及均热板中的至少一种。
9.根据权利要求6所述的虚拟现实设备，其特征在于，所述外壳包括壳体以及盖设于壳体前方的前盖；
所述壳体上沿周向间隔设有多个周向散热孔，所述周向散热孔沿前后方向靠近所述支架与所述壳体的连接处；
所述前盖上间隔设有多个前部散热孔。
10.根据权利要求6所述的虚拟现实设备，其特征在于，所述支架包括支架本体以及向前方凸伸出支架本体的凸台，所述印制电路板位于所述支架本体上，所述散热片位于凸台上，而实现散热片同时与所述支架和所述印制电路板接触。
11.根据权利要求10所述的虚拟现实设备，其特征在于，所述凸台的前表面通过微米级加工处理而呈沟槽结构；
所述散热片对应所述凸台的表面也通过微米级加工处理而呈沟槽结构。
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