一种三维导热网络结构的热界面材料的制作方法

本发明涉及导热材料技术领域，具体涉及一种三维导热网络结构的热界面材料。

背景技术：

近年来，随着以芯片为代表的电子元器件逐渐高性能化，器件运行中产生的热量也越来越大。为了能让器件稳定运行，避免局部蓄热，通常使用导热界面材料(如硅橡胶垫导热片)填补发热器件与散热器接触面上的空隙，将热量从发热器件快速有效地转移至散热器进行热量释放。

目前以碳纤维为高导热填料(轴向导热系数可达1000w/m·k)，诱导碳纤维轴向沿导热片的厚度方向上定向排列，可大幅提升界面材料的导热性能。保力马科技株式会社公开的专利cn100548099c揭示了使用磁场和振动让碳纤维沿磁感线方向进行定向排列，获得导热片。积水保力马科技株式会社公开的专利cn108781524a揭示了利用二维片状石墨粉增加碳纤维彼此之间的接触，使导热网络更加丰富，但是片状石墨的加入容易引起液态树脂体系粘度增大，流动性变差，因此填充量非常有限，然而较低填充量又无法为碳纤维之间提供足够的接触点。经我们试验发现，二维片状的石墨难以被树脂分子链完全浸润包裹，即使被包裹后，两者之间仍然存在空隙，增加了材料内部热阻，同时片状石墨填料与树脂基体之间的附着力小，容易从热界面材料中脱落掉粉。另一方面，由于碳纤维沿导热片厚度方向上排列，垂直于导热片厚度方向上的拉伸强度和抗撕裂强度较低。因此，有必要解决上述问题。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种三维导热网络结构的热界面材料，实现纤维状纳米碳导热材料与定向排列的碳纤维之间组成三维导热网络结构，纤维状填料与树脂基体拥有良好的结合力，提升热界面材料的导热性能和力学性能。

为了实现上述目的，本发明提供了一种三维导热网络结构的热界面材料，所述的热界面材料组分包括：液态树脂、一维导热填料和球形导热填料，所述的一维导热填料包括碳纤维及纤维状纳米碳导热材料，其中，所述碳纤维的轴向沿热界面材料的厚度方向上定向排列，所述的纤维状纳米碳导热材料存在于碳纤维之间，与碳纤维构成三维导热网络结构。

所述的碳纤维与纤维状纳米碳导热材料满足以下关系：1.5＜l/d＜60，l是指纤维状纳米碳导热材料的长度，d是指碳纤维直径。当l/d＜1.5时，搭接不够充分，当l/d＞60时，纤维状纳米碳导热材料容易自身缠结成团，在液态树脂中难以解团，分散困难，也阻碍了碳纤维的定向排列。

所述的碳纤维直径为5～20μm，长度为80～200μm。直径为5～20μm的碳纤维是工业上常规产品，长度＜80μm，会减少碳纤维与碳纤维之间轴向上的导热接触；长度＞200μm，会使树脂基体的粘度快速增加，影响碳纤维的填充量。

所述的碳纤维为中间相沥青基碳纤维、聚对苯撑苯并二噁唑纤维、聚苯并噻唑纤维、芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酰亚胺纤维中的一种进行石墨化而成，成棒状。

所述的碳纤维的导热系数为400～1000w/m·k。

所述的纤维状纳米碳导热材料为碳纳米管或碳纳米纤维。

所述的纤维状纳米碳导热材料是通过化学气相沉积法或静电纺丝法制得，并经过石墨化处理。石墨化处理目的是去除合成纤维状纳米碳导热材料后残留的金属催化剂(化学气相沉积)或非碳元素(静电纺丝)，使碳含量＞99.9wt％，减少晶格缺陷，使一部分非晶态碳转化为晶态碳，石墨化程度得到提高，从而提升导热性能。

所述的纤维状纳米碳导热材料，直径为5～600nm，长度为10～600μm，长径比为50～2000。直径＜5nm，不易在树脂中分散，直径＞600nm，较难制备，长度＜10μm，与碳纤维之间搭接位点会减少，长度＞600μm，容易自身缠结成团，在液态树脂中分散困难。

所述的纤维状纳米碳导热材料存在于碳纤维之间，与碳纤维相互搭接，增加导热网络通道，提高与树脂的亲和性。

所述的热界面材料中一维导热填料质量分数占10～40％，其中碳纤维与纤维状纳米碳导热材料质量比为5～30：1。

所述的热界面材料中球形导热填料质量分数占40～80％。

所述的球形导热填料为氧化铝、氮化铝、碳化硅、氮化硼的一种或多种。

所述的球形导热填料填补三维导热网络空缺部分。

本发明另提供一种三维导热网络结构的热界面材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤s1，制备组合物：碳纤维、纤维状纳米碳导热材料和球形导热填料通过搅拌，超声使其均匀分散于液态树脂中；

步骤s2，定向排列：采用超导磁场或者挤出实现定向排列。将步骤s1制备的组合物置于模具盒内，组合物内的碳纤维具有反磁性(diamagnetic)，施加水平超导磁场和外加振动，棒状碳纤维克服组合物的粘滞力，沿磁感线的方向进行排列，而纤维状纳米碳导热材料也具有反磁性，但由于长径比大，呈弯曲、扭曲、缠结等状态，难以受磁场诱导进行排列，因此随机分布在碳纤维之间。或者组合物置于锥形流道中挤出，受流体与流道内壁之间的剪切力，棒状碳纤维沿挤出方向排列，同理，由于纤维状纳米碳导热材料长径比大，呈弯曲、扭曲、缠结状态，难以受挤出力的影响进行排列，因此随机分布在碳纤维之间。

步骤s3，固化切片：组合物经过超导磁场或者挤出定向排列后，进行热固化，冷却后使用超声刀沿垂直于磁场方向或挤出方向，对固化后的组合物进行切片，最终得到所需厚度的热界面材料。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所述的热界面材料，碳纤维的轴向沿热界面材料的厚度方向上定向排列，提供了纵向导热通道，所述的纤维状纳米碳导热材料与碳纤维搭接成纵横交错的三维导热网络，增加了导热通道，使纵向导热效率大幅提升。较于单独使用碳纤维，同等一维导热填料的使用量可以获得更高的导热性能。另一方面，纤维构成的三维网络提高了热界面材料的拉伸强度和撕裂强度，使其在装配和使用中的强度和韧性得到提高。

附图说明

图1是本发明较佳实施例提供的三维导热网络结构的热界面材料的结构示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施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，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

除非另有说明，本申请所使用的所有的技术和科学术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。

参见图1，本发明较佳实施方式是提供一种三维导热网络结构的热界面材料。

在本实施方式中，所述的热界面材料组分包括：液态树脂、一维导热填料和球形导热填料。

在本实施方式中，所述的一维导热填料包括碳纤维及纤维状纳米碳导热材料。

在本实施方式中，所述碳纤维的轴向沿热界面材料的厚度方向上定向排列，所述的纤维状纳米碳导热材料存在于碳纤维之间，与碳纤维搭接构成三维导热网络结构。具体，可参见图1。

在本实施方式中，所述的碳纤维直径为5～20μm，长度为80～200μm，为中间相沥青基碳纤维、聚对苯撑苯并二噁唑纤维、聚苯并噻唑纤维、芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酰亚胺纤维中的至少一种进行石墨化而成的碳纤维，优选棒状碳纤维，导热系数为400～1000w/m·k。

在本实施方式中，所述的纤维状纳米碳导热材料为碳纳米管或碳纳米纤维，碳纳米管为烷烃气体通过化学气相沉积形成的碳纳米管；碳纳米纤维为中间相沥青混合芳香族聚酰亚胺通过静电纺丝形成纳米纤维，经碳化后得到。两者再经石墨化处理，得到高导热的碳纳米管或碳纳米纤维，直径为5～600nm，长度为10～600μm。

在本实施方式中，所述的碳纤维与纤维状纳米碳导热材料满足以下关系：1.5＜l/d＜60，l是指纤维状纳米碳导热材料的长度，d是指碳纤维直径。

在本实施方式中，所述的纤维状纳米碳导热材料存在于碳纤维之间，与碳纤维相互搭接。

在本实施方式中，所述的热界面材料中一维导热填料质量分数占10～40％，其中碳纤维与纤维状纳米碳导热材料质量比为5～30：1。

所述的热界面材料中球形导热填料质量分数占40～80％。

在本实施方式中，所述的球形导热填料为氧化铝、氮化铝、碳化硅、氮化硼的一种或多种，填补三维导热网络空缺部分。

在本实施方式中，所述的液态树脂为环氧树脂、硅树脂或聚氨酯。

本发明较佳实施方式还提供一种三维导热网络结构的热界面材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤s1，制备组合物。

具体为：将碳纤维、纤维状纳米碳导热材料和球形导热填料通过搅拌，超声使其均匀分散于液态树脂中，再真空脱泡处理；

步骤s2，定向排列。

具体为：采用磁场或者挤出实现定向排列。

将步骤s1的组合物置于模具盒内，组合物内的碳纤维具有反磁性(diamagnetic)，施加水平超导磁场和外加振动，棒状碳纤维克服组合物的粘滞力，沿磁感线的方向进行排列，而纤维状纳米碳导热材料也具有反磁性，但由于长径比大，呈弯曲、扭曲、缠结状态，难以受磁场诱导进行排列，因此随机分布在碳纤维之间。或者组合物置于锥形流道中挤出，受流体与流道内壁之间的剪切力，棒状碳纤维沿挤出方向排列，同理，由于纤维状纳米碳导热材料长径比大，呈弯曲、扭曲、缠结状态，难以受挤出力的影响进行排列，因此随机分布在碳纤维之间。

步骤s3，固化切片。

具体为：组合物经过超导磁场或者挤出定向排列后，进行热固化，冷却后使用超声刀沿垂直于磁场方向或挤出方向，对固化后的组合物进行切片，最终得到所需厚度的热界面材料。

下面通过实施例对本发明进行具体说明。

实施例1：

第一步，称取280g碳纤维、20g碳纳米管、500g氧化铝、200g液态硅树脂，搅拌，混合均匀，并利用超声使碳纤维、碳纳米管和氧化铝均匀分散在树脂材料中，再真空脱泡处理。

第二步，将第一步的组合物置于模具盒内，施加水平超导磁场和外加振动，直至产品达到目标要求。

第三步，热固化将第二步的产物，冷却后使用超声刀切片，切割厚度为2mm。

实施例2：

第一步，称取350g碳纤维、50g碳纳米纤维、500g碳化硅和氧化铝、100g液态环氧树脂，搅拌，混合均匀，并利用超声使碳纤维、碳纳米纤维、碳化硅和氧化铝均匀分散在树脂材料中，再真空脱泡处理。

第二步，将第一步的组合物置于锥形流道中挤出至模具盒内，逐层堆积到一定厚度。

第三步，热固化将第二步的产物，冷却后使用超声刀切片，切割厚度为2mm。

实施例3：

第一步，称取300g碳纤维、30g碳纳米管、450g氧化铝和氮化硼、220g液态聚氨酯，搅拌，混合均匀，并利用超声使碳纤维、碳纳米纤维、氧化铝和氮化硼均匀分散在树脂材料中，再真空脱泡处理。

第二步，将第一步的组合物置于锥形流道中挤出至模具盒内，逐层堆积到一定厚度。

第三步，热固化将第二步的产物，冷却后使用超声刀切片，切割厚度为2mm。

实施例4：

第一步，称取250g碳纤维、20g碳纳米纤维、550g氮化铝和氧化铝、180g液态硅树脂，搅拌，混合均匀，并利用超声使碳纤维、碳纳米纤维、氮化铝和氧化铝均匀分散在树脂材料中，再真空脱泡处理。

第二步，将第一步的组合物置于模具盒内，施加水平超导磁场和外加振动，直至产品达到目标要求。

第三步，热固化将第二步的产物，冷却后使用超声刀切片，切割厚度为2mm。

对比例：

第一步，称取300g碳纤维、500g氧化铝、200g液态硅树脂，搅拌，混合均匀，并利用超声使碳纤维和氧化铝均匀分散在树脂材料中，再真空脱泡处理。

第二步，将第一步的组合物置于模具盒内，施加水平超导磁场和外加振动，直至产品达到目标要求。

第三步，热固化第二步的产物，冷却后使用超声刀切片，切割厚度为2mm。

对实施例1-4和对比例制备得到的热界面材料进行导热性能和力学性能测试。导热性能的测试方法是采用热稳态法，测试标准为astmd5470，步骤：将切出来厚度2mm的热界面材料冲压出直径为3cm的圆片，置于drl-3导热系数测试仪得到导热系数。拉伸强度测试标准为astmd412，步骤：将切出来厚度2mm的热界面材料冲压出哑铃状试样，两端由拉力试验机的夹头夹持住，以500mm/min的拉伸速度直至试验断裂，得到拉伸强度值。撕裂强度测试标准为astmd624，步骤：将切出来厚度2mm的热界面材料用刀片切成新月形试样，两端由拉力试验机的夹头夹持住，不间断以恒定频率作十字运动直至试样完全断裂，得到撕裂强度值。结果如表1所示。

表1性能测试结果

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。