专利名称：柔顺性纤维热接合层的制作方法
工业上的一种普遍采用的技术是用导热油脂，或者油脂样的材料，单独地或者涂在载体或者导热垫片上，跨物理接合层传导过剩的热量。然而，在表面的平滑性出现的大的偏差导致配合面之间出现缝隙，或者在由于其它的原因，例如表面高度的变化、生产公差等，在配合表面存在大的缝隙时，这些材料的性能受到破坏或者说变差。当这些材料的导热能力受破坏时受冷却装置的性能就受到不利的影响。本发明提供一种可以有效地进行跨物理接合层的热传输的纤维接合层。
在本发明的一个方面，提供有一个有纤维接合层的基片，即一种附着在基片上的游离纤维尖端结构。游离尖端结构包含直立取向植入的，例如电、机械、气动等植入的导热纤维，它们的一端嵌入在基片，例如胶合剂中，纤维各部分地伸出胶合剂。在从胶合剂伸出的纤维各部分之间有一种封闭材料。纤维之间的堵塞封闭材料，减少或者避免纤维脱离接合层。
本发明的另一个方面是一种制造纤维接合层的方法。在此方法中，提供要求长度的导热纤维，并且在需要时，对这种材料进行清洁。在基片上涂施胶合剂然后把纤维的一端植入基片，从而把纤维嵌入到胶合剂中，纤维的一部分伸出胶合剂。然后固化胶合剂，并且在纤维之间的空间中填入可固化的封闭剂。把纤维之间的空间带封闭剂的胶合剂中的纤维，压缩到低于标称纤维长度的高度，并且夹持在被压缩的高度。其后，在受压缩的同时把封闭剂固化，得到一种游离纤维尖端的结构，纤维的尖端伸出胶合剂和封闭剂(如后文所述也可以同时固化胶合剂和封闭剂)。
图1A、1B和1C是示意图，示出植入胶合剂中的纤维被压入胶合剂得到从胶合剂伸出的大致平均的纤维长度；和图2是示意图，示出纤维和游离纤维的尖端之间的封闭剂。
接合层材料最好具有低的体积热阻和低的接触热阻。适合的材料是与配合表面相协调的材料，例如湿润表面的材料。体积热阻能够表达为材料厚度、导热率和面积的函数。接触热阻是材料能够如何良好地与配合表面接触的量度。接合层的热阻可以表达如下Θ接合层=t/kA+2Θ接触式中Θ为热阻；t是材料厚度；k是材料的导热率；和A是接合层面积。
t/kA项代表体积材料的热阻，2Θ接触是两个表面上的接触热阻。
良好的接合层材料应当有低的体积热阻和低的接触热阻，即配合面上热阻低。
许多应用要求接合层材料适应制造产生的不平面性，和/或由于热膨胀系数(CTE)不匹配产生的部件翘曲。
k值低的材料，如导热油脂，在接合层薄的时候性能良好。如果接合层的厚度增加到0.002英寸，导热性能就可能急剧地下降。另外，对于这样的应用，配合部件之间的CTE的差别引起此缝隙随各个温度或者电源周期膨胀和收缩。接合层厚度的变化能造成从接合层排出流体的接合层材料(如油脂)。
面积大的接合层更容易在生产时产生表面的平整性偏差。为了使热性能理想化，接合层材料必须能够适应不平的表面，从而有较低的接触热阻。
理想的接合层材料具有高的导热性能和高的机械柔顺性，例如在受到力时弹性地弯曲。高的导热率降低了公式1中的首项，而高的机械柔顺性降低第二项。均衡的导热纤维材料可以同时达到这两个目的。适当地取向，导热纤维将跨在配合表面之间的距离上，从而能够在表面彼此之间有连续的高导热率的通道。如果纤维是柔性的并且能够在其尖端区活动，就可以与表面有较好的接触。这会产生优良的表面接触并且会使接合层材料的热阻最小化。
为了散热或者说能外部散热，可在要冷却的部件和外散热器件诸如散热片等之间施加接合层材料。这样接合层材料就可以适应制造引起的来自受冷却的部件和散热的表面部件双方的不平整性。接合层材料可以施加在散热表面，例如散热器、热管、热板、热电堆致冷装置等上，也可以施加在冷却的部件表面上。散热器件可以以任何常规的方法用弹簧夹卡、螺栓或者胶合剂等附着在冷却的部件上。
接合层材料可以制造如下把合适的导热纤维，例如钻石纤维、碳纤维、石墨纤维、金属纤维，如铜纤维和铝纤维，等切成例如0.0005到约0.250英寸长度，而且直径大于约3微米到约100微米。在本发明中，最好直径为约10微米.理想的纤维导热率大于约25W/mK。可用的纤维类型包括Amoco公司供应的标号为K-1100、K-800、P-120、P-100、P-79和T50的纤维；以及Tory公司的标号为M46J和M46JB的产品。
在需要时把纤维加以清洁。清洁纤维会除去任何覆在纤维上的物体。有些市售纤维焊有施加在表面上的镀层，最好清洁去掉。清理方法之一是在空气中加热纤维，以烧掉覆层，也就是定位尺寸。然而也可以使用化学清洁方法。
为了制造接合层，首先对基片施胶合剂，最好是，胶合剂是低应力胶合剂，例如含有环氧树脂(例如Grace Specialty Polymers公司的Eccobond 281)的胶合剂，但是也可以使用氰酸酯胶合剂、BMI、硅酮、有机硅酮、凝胶和喷淋填充材料等。
把纤维植入基片，说，例如用电植入法，从而把纤维嵌入胶合剂中，如图1A所示。电植入法是一种公知的工艺，把两个分开一定距离的极板，加上相反极性的电荷。这个工艺由Bolgen(Bolgen Stig W.,“Flocking Technology”,Journal of Coated Fabrics,Volume21,Page123,1991)定性地说明，并且由Shigematsu在“Application ofElectrostatic Flocking to Thermal Control Coating”,Proceedings of the14thInternational Symposium on Space Technology and Science,1984,Page 583中，和Kato在“Formation of a Very Low-reflectamce Surfaceby Electrostatic Flocking”,Pcroceedings of the 4thEuropean Symposiumon Space Environmental and Control Systems,1991,Page565中专门对电植碳纤维加以说明。本文参引这些文献。
在电植过程中，在一个极板上的纤维拾取极板上的电荷被吸引到对面的极板上。在它们撞到对面极板上时嵌入到胶合剂中。如果它们开始时没有粘上，纤维就会在极板之间来回弹跳，直到它们要么嵌入到胶合剂中，要么逸出电埸，要么去掉了极板的电荷。这样得到的纤维结构是对准电力线的，也说有基本上直立的取向，并且有天鹅绒样的外观。
机械植入术涉及把覆胶物体在一系列快速旋转的辊或者搅拌棒上通过，使基片振动。利用重力把纤维从料斗加到基片上。辊或者搅拌棒产生的振动使纤维定向，并将纤维驱入胶合剂中。除去多余的纤维，得到基本上直立取向的纤维，气动植入用气流把纤维送到一个附胶的表面。在飞行中，纤维本身沿气流方向对齐然后以该取向嵌入胶合剂中。
可以单独地使用不同的植入方法，也可以相互结合使用，例如气动/电植。以此结合的方法，含有纤维的气流由一个喷嘴引导。在喷嘴的出口，电荷相对电力线定向纤维。这样得到的纤维结构也是对齐的，即有基本上是直立的取向，但是比单独使用两者中的任何一个都可更致密更均匀或者更快速地生产。
植入的纤维座落于胶合剂中，其长度的一部分伸出胶层，称为“游离纤维尖端”。在植入之后，在游离纤维尖端上施加一个向下的力把纤维压入胶合剂中并且使嵌入胶合剂中的纤维尖端和施胶的表面基片的距离最小，如图1B和1C所示。
然后固化胶合剂，例如通过自行固化或者加热固化。通常可加热到150℃左右约30分钟进行固化，这取决于胶合剂和固化的条件。
如图2所示，引入一种封闭剂30，例如通用电气公司(GeneralElectric Corporation)售的GE RTV 6166介电凝胶之类的凝胶，来填充纤维32之间的空间，留出从凝胶中伸出的游离纤维尖端34。通过在纤维上喷刷未固化的凝胶或者向纤维施加凝胶然后让凝胶浸入或者说渗入能够达到这个目的。用凝胶的优点是凝胶自行湿润纤维并且渗入到纤维结构中去。凝胶可以包括或不包括导热的填料。可以在纤维顶上未固化的胶上放置一个分离衬垫，即涂以蜡或者硅酮覆层的纸张，以防止固化的凝胶纤维粘到夹持固定装置上，并且在装运及今后的操作中对接合层材料提供保护作用。
把在纤维间的凝胶未固化的接合层材料压缩到低于标称切割的纤维长度的高度，然后夹持就位在这个压缩后的高度。例如，如果纤维约为0.020英寸长，加入胶合剂固化的凝胶后，在固化凝胶之前把它夹持在0.017英寸的高度，凝胶固化时将纤维保持在这个高度。
在受压缩的同时把凝胶固化，例如热固化。加热一般地加速固化，并且可望产生有利的游离尖端结构。压挤和热固化都有助于产生游离纤维尖端结构。热固化是有益的，因为凝胶的热膨胀系数大于纤维的热膨胀系数，在冷却到室温时比纤维收缩得多，从而露出更多的纤维尖端。
在生产接合层材料中，胶合剂的固化可以延迟以与凝胶的固化一致。在这种情况下，在固化凝胶和胶合剂的同时固定纤维。如所述，压缩是有利的，在压缩下固化是有利的，因为凝胶将保持固化的厚度，并且纤维能在一定程度回缩而由凝胶粘住。凝胶对纤维的粘性不足以在固化前使纤维摆脱原来的位置。这就得到了所希望的加强与相邻表面热接触的游离纤维尖端。
从上述可知可以做出种种改变而不脱离本发明。本发明的范围由所附权利要求书的限定。
权利要求
1．一个可以在两个物体之间传输热量的接合层，含有以基本上直立的取向嵌入胶合剂中的植入导热纤维，纤维的各部分伸出胶合剂，并且在伸出胶合剂的各纤维部分之间并纤维的游离端之下，填入封闭剂。
2．根据权利要求1的接合层，其特征在于，所述纤维包含碳纤维。
3．根据权利要求1的接合层，其特征在于，所述接合层是无碎屑的。
全文摘要
一种纤维导热接合层。此种接合层含有:以基本上直立的取向嵌入胶合剂中的植入的导热纤维(32),纤维各部分地伸出胶合剂。并且在伸出胶合剂的纤维部分之间的空间且于纤维的游离端(34)之下,填入封闭剂。
文档编号B32B5/16GK1309603SQ99807735
公开日2001年8月22日 申请日期1999年6月24日 优先权日1998年6月24日
发明者南希·F·迪安, 罗杰·A·埃米格, 迈克尔·R·平特, 查尔斯·史密斯, 蒂莫西·R·诺尔斯, 马尼·艾哈迈迪, 布雷特·M·埃尔曼, 克里斯托弗·L·西曼 申请人:约翰逊·马太电子公司, 能量科学实验室公司