整体的散热装置的制作方法

专利名称：整体的散热装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及这样一种热学结构，其能降低含有发热部件例如电子器件部件的装置的外表面的热点部位，从而缓解对于该装置的使用者的热效应，并散发由该部件所产生的热量。
背景技术：
随着越来越多的精密复杂的电子器件的发展，包括那些能提高处理速度和更高的频率，具有较小尺寸和更复杂的动力装备，以及体现其它技术改进，例如电子和电学部件中的微处理器和集成电路，象便携式电脑、手机、掌上电脑(PDAs)、数码相机等；高容量及相应记忆部件，例如硬盘；电磁源，例如数字放映机中的电灯泡；以及诸如高能光学器件的其它器件，都能产生相对极高的温度。事实上，安装于机动车仪表板上的电子器件也能产生高温。
目前，随着此类器件中产热的增加，热点部位即高温区域的聚集部位已成为一个难题。例如，对于较小且更紧凑的电子器件需求的增加，如便携式电脑、手机、PDAs、数码相机和放映机等，意味着热源(如硬盘、中央处理器(CPU)、图形芯片、逆变换流器/换流器、内存条、光源等)与该器件(即使是机动车的仪表板)的外表面接近。这样，器件的外表面可能被加热，这对于使用者而言是不舒适的，或者甚至是有危险的。
例如，在一些便携式电脑中，能产生大量热量的硬盘被安装于电脑的一个称作“掌托”之下，即该区域在键盘和使用者之间，打字时其通常支撑使用者的手掌。在薄型便携式电脑中，硬盘产生的热量能通过便携式电脑外壳传导致使用者的手掌而引起不适甚至疼痛。事实上，在某些便携式电脑中测得掌托温度高于40℃。同样，产热部件能使便携式电脑底部变热，当便携式电脑置于使用者的大腿上时使使用者产生不适甚至疼痛。这已成为便携式电脑以及不断致力于缩小器件使之更轻便的其它便携器件制造者的重要问题。
一个潜在的解决方案是隔绝热源；但由于这么做使热源产生的热量集中于该热源，潜在地损伤该热源，因此这不是个令人满意的解决方案。电子装置的性能可靠性和预期寿命与装置部件温度反相关。例如，诸如典型的硅半导体的器件其工作温度降低能引起该器件处理速度、可靠性和预期寿命的提高。因此，将产生的热量集中于热源上是达不到预期目标的。
通常公知石墨是一种类的重量相对轻且适用于从诸如电子部件热源散热的材料，而且尤其是如下文所述的基于天然石墨和柔性石墨的石墨。这些材料是各向异性的，并可使散热器件设计成在选定方向上优先传热。该石墨材料的较轻重量使其有优于铜或铝的许多优点。
石墨是由碳原子的六边形排列或网状结构的层面构成的。这些碳原子的六边形层面十分平坦且是定向和整齐的，使得相互间高度平行和等距。该高度平坦、平行等距的碳原子片或层，通常指石墨层或基面，连接或结合在一起，其聚集体形成微晶。高度有序的石墨由相当大尺寸的微晶组成该微晶相互之间高度地对齐或定向并具有有序的碳层。换句话说，高度有序的石墨具有高程度的首选微晶定向性。值得注意的是石墨具有各向异性结构，因而显示出或具有许多高度方向性，如导热性和导电性及流体扩散。
简而言之，石墨可以碳的叠层结构为特征，即结构是由通过弱的范德华力结合在一起的碳原子叠层或薄片组成。考虑石墨结构通常注意两个轴或方向，即“c”轴或方向和“a”轴或方向。简单而言，该“c”轴或方向可认为是垂直于碳层的方向。“a”轴或方向可认为是平行于碳层的方向或垂直于“c”轴的方向。适于制造柔性石墨片材的石墨具有很高水平方向性。
如上所述，维持碳原子平行层聚集的结合力仅是弱的范德华力。可以处理天然石墨使其叠置碳层或薄片间的间隙略微打开，从而在垂直于碳层的方向上，即在“c”方向上提供显著的膨胀，由此形成膨胀或扩大的石墨结构，其中充分保留了碳层的片状特性。
无需在膨化石墨的粘着或结合层之中使用粘合剂就能够形成极大膨胀的片状石墨，更特别地，膨胀的最终厚度或“c”方向尺寸是原“c”方向尺寸的约80倍或更多，例如，网状、纸状、条状、带状、叶片状、小垫状等(典型地称为“柔性石墨”)。可以确信的是，由于获自大量膨胀的石墨颗粒间的机械联锁或结合，无需使用任何粘结物质，通过压缩可使得膨胀的最终厚度或“c”方向尺寸是原“c”方向尺寸的约80倍或更多的石墨颗粒形成结合的柔性片材是可能的。
除了弹性，还发现上述片状材料在很高的压力如辊压下，由于膨胀的石墨颗粒和石墨层的方向性与相对层面大致平行，在导热性和导电性及流体扩散方面具有高水平的各向异性，这些与天然石墨原材料相当。由此制备的片材具有极好的弹性、良好的强度和很高水平的方向性。
简而言之，制备弹性、无粘合剂的各向异性石墨片材，例如网状、纸状、条状、带状、叶片状、小垫状等的方法包括在预定的负荷及无粘合剂的条件下进行压缩或压紧，从而使具有“c”方向厚度是原颗粒的约80倍或更多的膨胀的石墨颗粒形成相当平坦、有弹性、结合的石墨片。外观通常是虫状或蠕虫状的该膨化石墨颗粒一旦被压缩，将保持压缩形变并与该片材相对的主表面对齐排列。可通过控制压缩程度来改变片材的密度和厚度。片材的厚度可以在约0.04g/cm3至约2.0g/cm3的范围内。由于石墨颗粒平行于主要相对该片材平行平面的整齐排列，使该柔性石墨片材显示出可观程度的各向异性，随着片材在辊压下各向异性程度的增加其方向性增加。在辊压的各向异性片材中，受尺寸的影响，片材在″c″和″a″方向，其厚度，即垂直于相对的平行片表面包括″c″方向的方向，和沿着长度和宽度，即沿着或平行于相对主表面包括″a″方向的方向，以及热、电和流体扩散特性有很大不同。
尽管压缩的片状石墨颗粒的片材(即柔性石墨)的通途已被建议用于散热器、热界面及吸热器的构成部分以散发热源产生的热量(参见，例如，美国专利第6,245,400；6,482,520；6,503,626；和6,538,892号)，但“接触温度”的问题，即器件的外表面的温度的程度使使用者感到不舒适或处于危险中的问题还没有被充分研究。
因此，还需要提供用于含有发热部件的装置的热学结构的改进设计，发热部件包括便携式或小型器件，其需要散发部件热量，同时避免对器件使用者造成不舒适或危险。

发明内容
本发明提供这样一种热学结构，其能够散发来自电子部件的热量，且同时降低热点部位的出现，从而保护使用者免受该部件产生的热量的影响。本发明的热学结构包括将各向异性的膨化石墨(exfoliatedgraphite)的压缩颗粒的片材(本文所称为“柔性石墨”)结合到含有发热电子部件的装置的外表面中。本文中使用的术语“柔性石墨”也指单体的或叠层形式的热解石墨。
本发明的热学结构中使用的柔性石墨片的平面内的导热系数比其穿过平面的导热系数高很多。换句话说，本发明的热学结构具有相对高的热学各向异性比率(数量级约10或更大)。该热学各向异性比率是平面内的导热系数对于穿过平面的导热系数的比率。
该热学结构包括具有两个主表面的柔性石墨片材，其设置在(或夹入)两个层结构之间，以便组合形成集成的叠层或夹层结构，其用作装置的一个外表面。夹合该热学结构的两个层结构可以是诸如高密度聚乙烯的塑料、诸如不锈钢或铝的金属、或结合体(例如金属作为叠层结构的一个层而塑料作为另一层)，并形成含发热部件装置的盒体或壳体的至少一部分。例如，层/石墨片/层的夹层结构可形成手机的盒体；便携式电脑机盒的底部；数码放映机盒的一部分；机动车仪表盘的一部分等。
可以用任何适当方式将两个外层装配起来，例如当是金属时通过焊接或软焊、熔合到一起(当是塑料层时)、或机械联锁方法，以便在连接时将石墨片热学结构置于该层之间。当成为容纳发热元件的装置(如便携式电脑、手机、PDA等)的至少一部分外表面时，该热学结构夹层结构由此设置在发热部件和装置使用者之间，并且/或者设置在发热部件与设置有本发明的热学结构的装置邻接的其它器件或装置之间。
最优选地，柔性石墨片的表面积大于发热部件的表面积，从而使柔性石墨片的平面内的热传导性起作用以便散发部件的热量。通过此方法，发热部件上的热量通过石墨片表面(从而通过包括叠层的石墨片)发散，降低了含有发热部件的装置表面上由发热部件造成的热点部位的出现。
此外，使用本发明的叠层结构的柔性石墨材料的另一优点在于石墨材料阻断电磁和射频(EMI/RF)干扰。人们相信，除了行使其主要目的的散热功能，本发明的热学结构能具有保护器件的部件使其远离EMI/RF干扰的功能。
因此，本发明的一个目的是提供一种用于从器件的发热部件中散热的改进的热学结构。
本发明的另一个目的是提供一种具有足够高的热学各向异性比率以便有效地排散热量同时使得热点部位最小化的热学结构。
本发明的再一个目的是提供一种集成到容纳发热部件的装置的外表面中的散热器。
通过提供用于含有发热部件的装置的热学结构，能够实现这些目的以及其它对于阅读以下说明书的本领域技术人员来说显而易见的目的，该热学结构包括装置(例如电子器件，类似便携式电脑)的外壳，具有形成热源的第一部件，其中该第一部件将热量传递到外壳的表面，该外壳包含在两个外壳层之间的至少一片柔性石墨(即用作便携式电脑外壳的至少一部分)。
优选地，该至少一个柔性石墨片具有至少约140W/m°K的平面内的导热系数，更优选至少约250W/m°K，而穿过平面的导热系数不大于12W/m°K。该外壳层优选含有塑料材料、金属材料或其组合。
更特别地，该热学结构具有两个主表面，且被设置成其一个主表面与发热部件有效接触，从而使其置于该部件和该电子器件外部之间。在某些实施方案中，可以将传热元件，例如填缝剂、导热界面或升温装置，设置在该热学结构和发热部件之间，同时仍保持有效接触。


可以理解，前文的一般描述和以下的详细说明一样展现本发明的实施方案，并用来提供理解本发明所提出的权利要求的本质和特征的概观和基本结构。本说明书包含附图以提供对本发明的进一步理解，且编入并构成说明书的一部分。该

本发明的各种实施方式，并与说明书一起用来解释本发明的原理和实施。
图1为本发明热学结构第一实施方式的部分剖开顶视图。
图2为底板部分剖开的便携式电脑底部透视图。
图3为便携式电脑底部部分剖开透视图。
图4说明用于连续制造柔性石墨片的系统。
具体实施例方式
如上所述，本发明的热学结构(thermal solution)中具有膨化石墨的压缩颗粒的要素，通常称为柔性石墨。石墨是碳的晶体状态，含有平坦的分层的平面内共价键结合的原子，在平面间为弱键结合。通过使用插入剂(intercalant)例如硫酸或硝酸来处理如天然片状石墨的石墨颗粒，该石墨的晶体结构发生反应形成石墨和该插入剂的化合物。下文中该处理的石墨颗粒被称为“插入的石墨颗粒”。当暴露于高温下时，该石墨中的插入剂分解并挥发，使插入石墨颗粒的尺寸以折叠状方式在“c”方向膨胀到其最初体积的约80倍或更多，即在垂直于石墨晶面的方向上。片状石墨颗粒外表为蠕虫状，并因此称为“蠕虫”。该蠕虫结构可以压合成柔性片材，其不同于原始片状石墨，能被加工成形并切割成各种形状。
适用于本发明的石墨原材料包括能够插入有机酸、无机酸和卤素从而当受热时膨胀的高含碳石墨材料。这些高含碳材料最优选具有约1.0石墨化程度。本公开中使用的术语“石墨化程度”指根据下式确定的数值g=3.45-d(002)0.095]]>其中d(002)是以埃为单位测量的石墨晶体结构中碳层间的间隙。该石墨层间的间隙d是通过标准X-射线衍射技术测量的。测量了(对应002)，(004)和(006)Miller指数相关衍射峰位，并使用标准最小平方技术导出使所有这些峰的总误差最小化的间距。高碳石墨材料的例子包括各种来源的天然石墨，以及其它含碳材料，如通过化学蒸发沉积制备的石墨、聚合物高温分解物或熔化金属溶液结晶化物等。最优选天然石墨。
本发明使用的石墨原始材料包括非石墨成分，只要原料的晶体结构保持所需的石墨化水平且其能够膨化(exfoliation)。通常，晶体结构具备所需的石墨化水平并可膨化的任何含碳材料均适用于本发明。此石墨优选具有至少约80重量比的纯度。更优选地，本发明使用的石墨具有至少约94％的纯度。在最优选的实施方案中，该使用的石墨具有至少约98％的纯度。
用于制造石墨片的常规方法由Shane等人在美国专利第3,404,061号中描述，该公开在此引用作为参考。在Shane等人方法的典型实践中，通过将石墨片分散于含有例如硝酸和硫酸混合物的溶液中来进行天然石墨片的插入，有利地，以每100重量份石墨片(pph)约20至300重量份插入溶液的水平进行。该插入溶液含有本领域公知的氧化剂和其它插入试剂。例子包括那些含氧化剂和氧化混合物的物质，例如含硝酸溶液、氯酸钾、铬酸、高锰酸钾、铬酸钾、重铬酸钾、高氯酸等，或其混合物例如浓硝酸和氯酸盐、铬酸和磷酸、硫酸和硝酸，或强有机酸混合物例如三氟乙酸，以及能溶于有机酸的强氧化剂。另外，可使用电势实现石墨的氧化。使用包括硫酸以及其它酸的电解氧化可将化学元素引入石墨晶体中。
在一个优选实施方案中，该插入试剂是硫酸或硫酸和磷酸同一种氧化剂，即硝酸、高氯酸、铬酸、高锰酸钾、过氧化氢、碘酸或高碘酸等的混合物溶液。尽管较不优选，该插入试剂可含有金属卤化物，如三氯化铁及三氯化铁与硫酸混合物；或卤素，如溴和硫酸溶液中的溴，或有机溶剂中的溴。
插入溶液的量的范围可为约20至约350pph，尤其是约40至约160pph。在片材被插入后，过量的溶液从片材中排出，片材用水洗涤。
可选择地，如美国专利第4,895,713号中所教导和描述的，插入溶液的量可限制在约10和约40pph之间，既可取消洗涤步骤，该公布也引入本文作为参考。
经插入溶液处理的片状石墨颗粒可选择与还原性有机试剂接触，如混合，该试剂选自醇类、糖类、醛类和酯类，其在25℃至125℃的温度范围与氧化插入溶液的表层起反应。适合的特殊有机试剂包括十六烷醇、十八醇、1-辛醇、2-辛醇、癸醇、1，10-癸二醇、癸醛、1-丙醇、1，3-丙二醇、乙二醇、聚丙烯乙二醇、葡萄糖、果糖、乳糖、蔗糖、马铃薯淀粉、乙二醇单硬脂酸酯、二苯甲酸二甘醇酯、丙二醇单硬脂酸酯、丙三醇单硬脂酸酯、二乙基过羟基酯(dimethyl oxylate)、二甲基过羟基酯(diethyl oxylate)、甲酸甲酯、甲酸乙酯、抗坏血酸和原自木质素化合物，例如木质素磺酸钠。有机还原剂的量适于约0.5至4％石墨片颗粒的重量。
在插入反应之前、之中或之后使用膨胀助剂也能提供改进。这些改进能降低膨化温度以及增加膨胀体积(也指“蠕虫体积”)。有利地，本说明书的膨胀助剂为充分溶于插入溶液达成膨胀改进的有机材料。更详尽地，可优选使用专有的含碳、氢、氧类有机材料。已发现羧酸特别有效。用作膨胀助剂的适合的羧酸可选自具有至少一个碳原子，优选具有多达约15个碳原子的直链或支链、饱和或不饱和的芳香族、脂肪族或脂环族一元羧酸、二元羧酸和多元羧酸，其以在一个或多个膨胀方向提供可测量的改进的有效量可溶于插入溶液。可使用适合的有机溶剂来提高有机膨胀助剂在插入溶液中的溶解性。
饱和脂肪羧酸的代表性例子为例如分子式为H(CH2)nCOOH的羧酸，其中n为0到约5的数字，包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸等。也可以使用酸酐或活性羧酸衍生物诸如烷基酯来代替羧酸。代表性的烷基酯为甲酸甲酯或甲酸乙酯。硫酸、硝酸和其它已知的水性插入剂能够分解甲酸最终成为水和二氧化碳。由于这个原因，甲酸和其它敏感膨胀助剂在石墨片浸入水性插入剂之前与石墨片接触是有利的。代表性的二元羧酸是具有2-12个碳原子的脂肪族二元羧酸，尤其是草酸、延胡索酸、丙二酸、马来酸、琥珀酸、戊二酸、己二酸、1，5-戊烷基二羧酸、1，6-己烷基二羧酸、1，10-癸烷基二羧酸、环己胺-1，4-二羧酸和芳香族二羧酸，如邻苯二甲酸或对苯二甲酸。代表性的烷基酯是二甲基过羟基酯和二乙基过羟基酯。代表性的脂环族酸是环己烷基羧酸，而芳香族羧酸是苯甲酸、萘甲酸、邻氨基苯甲酸、p-氨基苯甲酸、水杨酸、o-，m-和p-甲苯基甲酸(tolyl acids)、甲氧基和乙氧基苯甲酸、乙酰乙酰氨基苯甲酸和，乙酰氨基苯甲酸、苯基乙酸和萘甲酸。代表性的羟基芳香族酸是羟基苯甲酸、3-羟基-1-萘甲酸、3-羟基-2-萘甲酸、4-羟基-2-萘甲酸、5-羟基-1-萘甲酸、5-羟基-2-萘甲酸、6-羟基-2-萘甲酸和7-羟基-2-萘甲酸。柠檬酸是多元羧酸中最优选的。
插入溶液是水性的并优选含有数量为约1到10％的膨胀助剂，该量能有效加强膨胀。在助剂与石墨片接触是在该片浸入水性插入溶液之前或之后的实施方案中，该助剂可以适当方式与石墨混合，例如V-搅拌机，特别地，以片状石墨重量的约0.2％到约10％的量混合。
在石墨片进行插入后，并在该插入的石墨片与有机还原剂混合之后，将该混合物暴露于25°到125℃的温度范围之中来促进还原剂和插入石墨片的反应。加热周期长达约20小时，对于上述范围的较高温度，使用较短的加热周期，如至少约10分钟。在较高温度可使用半小时或更短的时间，如定为10到25分钟。
如国际申请第PCT/US02/39749号中描述的，借助在石墨化温度，即约3000℃及更高的温度范围，对片状石墨进行预处理，并通过向插入剂中引入润滑添加剂，可有利地加强上述片状膨化石墨插入和膨胀方法。
该片状石墨的预处理或退火的结果是在随后进行片材的插入和膨胀时其膨胀的显著增加(即膨胀体积增加高达300％或更多)。事实上，与未经退火步骤的同样过程比较，理想的膨胀增加至少为约50％。退火步骤使用的温度不能显著低于3000℃，因为即使100℃的降低会造成膨胀的很大减少。
进行本发明的退火步骤的时间周期为足以使片材在插入反应和随后的膨胀反应产生的膨胀水平增强。特别地，需要1小时或更多的时间，优选1到3小时，且在惰性环境中进行是最有利的。为使有益效果最大化，还可对退火的石墨片进行本领域公知的其它处理以加强膨胀程度-即在有机还原剂和诸如有机酸的插入助剂中进行插入反应，并在插入反应后用表面活性剂洗涤。此外，为使有益效果最大化，可重复进行插入步骤。
本发明的退火步骤可在感应电炉或其它在石墨化领域公知及采用的类似装置中进行；此处使用的温度为3000℃范围内，其是石墨化过程中遇到的最高温度。
由于已发现使用在插入反应前进行退火的石墨生产的蠕虫有时会在一起″结块″，其可对局部的重量均匀产生负面影响，因此非常希望一种有助于形成“自由流动”蠕虫结构的添加剂。向插入溶液中添加润滑添加剂有利于使蠕虫更均匀分散穿过压缩装置的床(例如通常用于压缩的砑光机台或″砑光″)将石墨蠕虫变成柔性石墨片。即使当原料石墨颗粒小于通常使用的颗粒时，由此得到的片材具有更高的局部重量均匀度和更高的拉伸强度。该润滑添加剂优选为长链碳氢烃。也可使用其它具有长链烃基基团的有机化合物，尽管其存在其它官能团。
更优选地，该润滑添加剂为一种油，特别考虑到矿物油不易腐败变质的特性，其为长期贮存的重要考谅，最优选为矿物油。值得注意的是以上详述的某些膨胀助剂也附和润滑添加剂的界定。当这些物质用作膨胀助剂时，在插入剂中没必要包括其它润滑添加剂。
插入剂中存在的润滑添加剂的量至少约为1.4pph，更优选至少约为1.8pph。尽管含有润滑添加剂的上限没有其下限要求的严格，但包含的润滑添加剂高于约4pph水平不会显示额外的重大优点。
由此处理的石墨颗粒有时称为“插入石墨颗粒”。当暴露于高温中，如至少约为160℃的温度，尤其是约700℃至1000℃或更高，该插入石墨颗粒在c-方向，即在垂直于组成的石墨颗粒晶面方向，以折叠状方式膨胀约为其初始体积的约80到1000或更多倍。该膨胀的石墨颗粒，即膨化石墨颗粒具有蠕虫状外观，因此通常称为蠕虫。如在下文中描述的，该蠕虫可以被压塑在一起成为不同于原始片状石墨的柔性片，其具有很小的横向开口，能被加工和切割成各种形状。
另外，本发明的柔性石墨片可利用重新研磨的柔性石墨片而不是新膨胀的蠕虫。该片材可以是新形成的片材、再循环片材、废料片材及其它任何适当的来源。
本发明的方法也可使用原始材料和再循环材料的混合物。
再循环材料的原材料可以是如上文所述的被压塑过的片材或片材的修整部分，或用例如前-压延辊(pre-calendering rolls)压缩过的片材。此外，原材料可以是被注入树脂但还没固化的片材或片材的修整部分，或是被注入树脂并已固化的片材或片材的修整部分。原材料还可以是再循环的柔性石墨PEM燃料电池部件，例如流场板或电极。各种石墨来源中的每一个可作为天然片状石墨使用或与其结合使用。
一旦柔性石墨片的原材料是可用的，可以用公知的方法，例如喷射磨机、气磨机(air mill)、搅拌机等，将其粉碎制造颗粒。优选地，多数颗粒具有能够通过20U.S.目的直径；更优选多数部分(多于约20％，最优选多于约50％)不能通过80U.S.目。最优选颗粒具有不大于约20目的粒径。
可选择粉碎颗粒的尺寸使得石墨产品的机械加工性和可成型性与希望的热能特性取得平衡。因此，较小颗粒使石墨产品易于加工和/或成型，而较大颗粒使石墨产品具有较高各向异性，并因此具有较高的面内的导电和导热系数。
如果原材料被注入过树脂，优选从颗粒中除去树脂。除去树脂的细节将在下文中进一步描述。
一旦原材料被粉碎，且树脂被清除，既可对其进行再膨胀。可以使用上述插入和膨胀方法进行再膨胀，也可使用Shane等在美国专利第3,404,061号和Greinke等在美国专利第4,895,713号中的描述进行。
一般地，在颗粒的插入反应后在熔炉中通过加热被插入的颗粒进行膨胀。在此膨胀步骤中，可将插入的天然石墨片加入再循环插入颗粒中。优选地，在再膨胀步骤，颗粒被膨胀到具有范围为至少约100cc/g和多至350cc/g或更大的特定体积。最后，如上文所述，在再膨胀步骤后，该再膨胀颗粒可被压缩成柔性片。
将柔性石墨片和金属薄片通过良好的结合力粘合，并通过例如压缩模塑法适当压缩至厚度约为0.025mm至3.75mm，典型密度约为0.1至1.5克每立方厘米(g/cc)。尽管不总是优选的，柔性石墨片有时也可方便地用树脂进行处理，而吸收的树脂在固化后增强了柔性石墨的防潮性和操作强度，即硬度，以及片材形态的“固定”。在使用时，适合的树脂含量优选为至少约5％重量比，更优选为约10至35％重量比，并适于高达约60％重量比。发现特别适用于本发明的树脂包括丙烯酸-、环氧-和酚-基树脂系列，或其混合物。适合的环氧树脂系列包括那些基于二环氧甘油醚或双酚A(DGEBA)及其它多功能树脂系列，可以使用的酚类树脂包括甲阶酚醛树脂和酚醛清漆环氧酚醛树脂。
参照图4，公开了用于连续生产柔性石墨片的系统，其中片状石墨和液态插入试剂装填入反应器104。更具体地，提供容器101来容纳液态插入试剂。容器101适宜用不锈钢制成，其可经由导管106连续补充液态插入试剂。容器102盛有片状石墨，其与来自容器101的插入试剂一起被引入反应器104。例如通过阀108、107控制加入插入试剂和片状石墨进入反应器104的相关速率。经由导管109可向容器102中连续补充片状石墨。经由分配器110加入添加剂，例如插入反应加强剂，如痕量酸和有机化学品，其出料量由阀111计量。
所获得到的经插入的石墨颗粒包覆水和酸，颗粒被导入(例如经由导管112)清洗罐114在其中进行清洗，有利地，使用在116、118引入和排出罐114的水。清洗过的插入片状石墨例如经导管120通过干燥室122。为在膨胀过程中改变分层的表面化学，以及利用并改变造成膨胀的气体散发，可将添加剂例如缓冲剂、抗氧化剂、降低污染的化学物质从容器119加入插入石墨片流中。
该经插入的石墨片在干燥器122中干燥，优选在约75℃至约150℃的温度，通常避免插入石墨片的任何膨胀或扩张。干燥后，2表示的插入石墨片依次连续进入火焰200，例如先经由导管126连续进入收集容器124，再依次连续进入膨胀容器128中的火焰200。可将容器129中的添加剂加入到在127引入的非反应气体夹带推进的插入石墨颗粒流中，该添加剂为例如由浸软石英玻璃纤维、碳和石墨纤维形成的陶瓷纤维颗粒，氧化锆，氮化硼，碳化硅及氧化镁纤维，天然形成的矿物纤维如硅酸钙纤维、硅酸钙铝纤维，氧化铝纤维等。
该插入石墨颗粒2通过膨胀室201中的火焰200后，在“c”方向上膨胀多于80倍并呈现“蠕虫状”膨胀状态5；从129引入并与插入石墨颗粒流混合的添加剂在通过火焰200时基本不受影响。该膨胀的石墨颗粒5可通过重量分离器130，在其中重的天然矿物颗粒灰从膨胀的石墨颗粒中分离出来，随后进入宽顶储料器132。如果不需要可将分离器130设为旁路。
该膨胀的即膨化的石墨颗粒5与任何添加剂一起在储料器132中自由落下并随机分散，例如通过槽134进入压缩配置136。压缩配置136包括相对的、合拢的、移动多孔带157，158其具有分开的间隔接受扩展的膨化石墨颗粒5。由于在相对移动带157，158间渐小的间隙，扩展的膨化石墨颗粒被压缩成148所示的柔性石墨小垫，其具有厚度例如从约25.4至0.075mm，尤其是从约25.4至2.5mm，密度从约0.08至2.0g/cm3。可使用气体洗涤器除去和清除从膨胀室201和储料器132散发出的气体。
小垫148通过容器150并注入来自喷雾口138的液体树脂，使用真空室139使该树脂“浸透小垫”是有利的，随后该树脂优选在干燥器160中干燥以减少树脂的粘着，随后注入树脂的小垫143在砑光机170中致密化成为碾压的柔性石墨片147。优选在清洗器165中收集并清洗来自容器150和干燥器160的气体和烟。
致密之后，在固化炉180中将柔性石墨片中的树脂至少部分固化。另外，可在致密之前进行部分固化，尽管优选压缩后固化。
但是，如果柔性石墨片没有注入树脂，可取消容器150、干燥器160和固化炉180。
可选择地，用于形成本发明热学结构的柔性石墨片可以是叠层，在叠层的层间可以有或没有粘合剂。尽管由于将造成增加的厚度，因此是不理想的，但叠层中可包括非石墨层。此非石墨层可包括金属、塑料或其它诸如玻璃纤维或陶瓷的非金属。
如上文所述，由此形成的膨化石墨颗粒压缩片有各向异性的特性；即该片材在平面内或“a”方向导热系数高于穿过片间或“c”方向的。这样，石墨片的各向异性特性沿热学结构的平面的方向引导热量传导(即沿石墨片的“a”方向)。这样的片材通常在平面内方向具有至少约140，更优选至少约200，最优选至少约250W/m°K的导热系数，而在穿过平面方向具有不高于约12，更优选不高于约10，最优选不高于约6W/m°K的导热系数。因此，该热学结构具有不低于约10的热学各向异性比率(即平面内导热系数对穿过平面导热系数的比值)。
可以通过改变用来形成热学结构的石墨柔性片的石墨薄片层(graphene layers)(包括如果用来形成叠层)的定向排列，或在叠层的石墨薄片层形成后通过改变其本身的定向排列来控制叠层的平面内和穿过平面方向导热系数的数值。这样，增加了热学结构的平面内导热系数，同时降低了热学结构的通过平面导热系数，这造成热学各向异性比率的增加。
实现该石墨薄片层定向排列的一个方法是通过对柔性石墨片组成部分施加压力以使碾压产生定向排列更为有效，而不是对该片进行碾压(即通过使用剪切力)或通过模压或相向印压(即通过使用压塑)。
另外，如果已形成叠层，例如通过施加压力使构成叠层的石墨薄片层定向排列的总量增加，可导致密度高于形成叠层柔性石墨片组分的原密度。事实上，用这种方式可获得叠层产品的最终密度至少约为1.4g/cc，更优选至少约为1.6g/cc，而高达约2.0g/cc。可通过常规方式施加压力，例如通过模压或砑光。优选压力至少约60兆帕(MPa)，需要至少约550Mpa的压力，更优选至少约700Mpa可取得高达2.0g/cc的密度。
令人吃惊地，增加石墨薄片层的定向排列能够使石墨叠层的平面内导热系数增加至等于甚至高于纯铜的平面内导热系数，同时密度只为纯铜的一小部分。此外，所得到的对齐的叠层与非对齐叠层相比还表现出强度增加。
在其它实施方案中，如Norley，Brady，Getz和Klug在国际专利第PCT/US02/27633号中教导的，可通过压力下固化注入树脂的柔性石墨片(叠层或单片)来使平面内导热系数增加。更详细地，固化温度足以保证在固化压力下使层状结构致密化，同时该结构的热量特性不会有不利的影响。通常，这需要至少约90℃，且通常高达约200℃。最优选地，在约150℃至200℃的温度固化。固化使用的压力在某种程度上是所使用温度决定的，但应足以保证该片状结构致密化而对其热学特性不会有不利的影响。通常为方便制造，使用使该结构达到所需硬化程度的所需最小压力。此压力通常为至少约7兆帕(Mpa，等于约1000磅每平方英寸)，且不能高于约35Mpa(等于约5000psi)，且更通常约7至约21Mpa(1000 to 3000psi)。固化时间随使用的树脂系列、温度和压力而改变，但通常范围为约0.5小时至2小时。固化完成后，认为该石墨材料具有至少约1.8g/cm3的密度，且通常约1.8g/cm3至2.0g/cm3的密度现在参照附图，特别参照图1和图2，说明并普遍用数字10标明了本发明热学结构一个实施方案。热学结构10包含一片膨化石墨压缩颗粒20，其具有用20a和20b表示的两个主表面，嵌入到两个层32和34之间，共同形成便携式电脑外壳30的底部。使柔性石墨片20的一个主表面20a或20b的尺寸适合定位于(通过层32)有效接触100表示的热源，如电子部件，象便携式电脑硬盘，或手机的芯片，从而使热源100产生的热量散发到热学结构10中。与热源100有效接触的主表面20a或20b的面积大于与热源100有效接触的面积，这样热学结构10扩散了来自热源100的热量。
但是，由于热学结构10相对较高的热学各向异性比率，来自热源100的热量不能穿过热学结构10的平面从与热源100有效接触的石墨片20的一个主表面20a或20b有效传导至另一个主表面。因此，热量不能以热点部位的方式通过层32有效传递到内部安装有热源100的便携式电脑外表面30，而是热量散发，当热学结构10形成部分便携式电脑外壳30时其降低了此外表面温度(在某些情况下多达10℃或更多)。
此外，由于石墨片20夹在层32和34之间，先行阻止了石墨颗粒从热学结构10上无论是多轻微的剥离或分离的可能。同样，柔性石墨片20还可有利地与便携式电脑部件30有效隔离，以避免电子器件中包含的导电材料(石墨)造成的电学干涉。
如上所述，适用于使用热学结构10的装置外壳或外表面的任何材料均可用于形成层32和34。当装置是便携式电脑30或其它电子器件，如手机、PDA、数字放映机等时，可依常规由塑料或金属材料形成层32和34，其可具有或没有适合的涂层。
可通过多种不同方法制造热学结构10。例如，一旦柔性石墨片20被按尺寸切割并塑造用于形成热学结构10，就将其插入层32和34之间，随后将其结合在一起形成热学结构10。可以用任何适合的方法将层32和34结合，如通过熔和(例如在层32和34是由塑料形成的情形下)；通过软焊(例如在层32和34是由金属形成的情形下)或通过机械联锁。
因此，通过使用本发明实现了电子器件的部件所产发热量的热防护和热散发，目的是散发热量以及降低器件的“接触温度”并将热量传递到邻近部件。这些功能不能由传统的散热材料如铜或铝来实现，这是因为传统的散热材料具有各向同性特性，其对降低接触温度或传热至邻近部件功效甚微。能够用来降低接触温度及传热至邻近部件的绝缘材料不能散发热量，从而造成热量积聚在热源部件周围。
本申请中涉及的所有引用专利、专利申请和专利公布全部结合作为参考。
如此描述了本发明，显然其可改变为多种方式。此种改变不应被当作偏离本发明的精神和范围，且对本领域技术人员来说是显而易见的所有此类修改将包含于以下的权利要求范围之中。
权利要求
1.一种用于含有发热部件的装置的热学结构，包括用于含有第一部件的装置的外壳，该第一部件包括一热源，其中，所述第一部件将热量传递到外壳的表面，所述外壳包括夹在两个外壳层之间的至少一片的膨化石墨的压缩颗粒。
2.根据权利要求1所述的结构，其中所述的至少一片石墨具有至少约140W/m°K的平面内的导热系数。
3.根据权利要求2所述的结构，其中所述的至少一片石墨具有至少约250W/m°K的平面内的导热系数。
4.根据权利要求2所述的结构，其中所述的至少一片石墨具有不高于约12W/m°K的穿过平面的导热系数。
5.根据权利要求1所述的结构，其中所述的外壳层包含塑料材料、金属材料或其组合。
6.根据权利要求1所述的结构，其中所述装置为便携式电脑，所述热学结构形成所述便携式电脑机盒的一部分。
7.根据权利要求2所述的结构，其中所述石墨片是注入树脂的。
8.一种用于电子器件的散热和防护系统，包括包含有第一部件的电子器件，该第一部件包括一热源；含有两个主表面的热学结构，该热学结构定位成其一个主表面与所述第一部件有效接触，从而使其置于所述第一部件和所述电子器件的外部之间，其中，所述热学结构包含夹在两层之间的至少一片膨化石墨的压缩颗粒。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述的热学结构包含至少部分所述电子器件外壳。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述的至少一片石墨具有至少约140W/m°K的平面内的导热系数。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述的至少一片石墨具有至少约250W/m°K的平面内的导热系数。
12.根据权利要求10所述的系统，其中所述的至少一片石墨具有不高于约12W/m°K的穿过平面的导热系数。
13.根据权利要求8所述的系统，其中所述电子器件是便携式电脑，所述第一部件包含该便携式电脑的硬盘，且所述热学结构形成该便携式电脑外壳的一部分。
14.一种制造用于含有发热部件的装置的热学结构的方法，其包括提供用于包含第一部件的装置的外壳，该第一部件含有热源，其中，该第一部件将热量传递到外壳的表面，该外壳包含夹在两个外壳层之间的至少一片注入树脂的石墨颗粒，并在升高的温度和压力下使得至少一片注入树脂的石墨颗粒固化。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述的至少一片注入树脂的石墨颗粒是在至少约90℃的温度固化。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述的至少一片注入树脂的石墨颗粒是在至少约7Mpa的压力下固化。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述的至少一片注入树脂的石墨颗粒具有至少约250W/m°K的穿过平面([sic.]应为平面内)的)导热系数。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述装置为便携式电脑，所述的热学结构形成所述便携式电脑机盒的一部分。
全文摘要
一种用于含有发热部件的装置的热学结构(10)，其定位于发热部件(100)和装置(30)的外表面之间。该热学结构有助于来自发热部件的热量散发，同时使得外表面免受发热部件产生的热量的影响。
文档编号C08K3/04GK101091423SQ200580031099
公开日2007年12月19日 申请日期2005年8月18日 优先权日2004年9月15日
发明者B·M·福德, G·D·什夫斯, J·诺尔利, R·A·雷诺三世 申请人:先进能源科技公司