[發明專利]銅納米線/聚丙烯酸酯復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201410106692.8
• 申請日: 2014-03-21
• 公開（公告）號: CN103819591A
• 公開（公告）日: 2014-05-28
• 發明（設計）人: 孫靜;王守玲;王冉冉;程蔭;高濂
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C08F20/10
• 分類號: C08F20/10;C08F2/48;C08F2/46;C08F2/44;C08K9/02;C08K7/00;C08K3/08
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優麗

技術領域

本發明涉及一種填充有高長徑比銅納米線的導熱復合材料及其制備方法，屬于新材料技術以及散熱技術領域。

背景技術

隨著微電子技術的飛速發展，電子元件尺寸越來越小，運算速度越來越快，熱密度越來越大，由散熱不良導致的電子設備的故障也越來越多，這都對系統的散熱提出更高的要求。熱量在元器件內部產生后經過器件封裝材料和散熱器界面再經散熱器傳遞到外部環境。這要求散熱片和熱源表面接觸良好，否則會因接觸表面的不平整而殘留部分空氣，從而顯著降低系統的散熱能力（參照文獻1）。但即使再光滑的物體表面也會存在微觀的不平整。在熱源和散熱片之間放置一導熱率高、柔韌性好的導熱界面材料，如導熱膠，則可在整個接觸界面上形成連續的導熱通道，從而提高電子元器件的散熱效率（參照文獻2）。導熱界面材料是通過在低模量的聚合物中添加導熱填料實現的，其最重要的特征之一就是高熱導率。目前工業上常用的填料有AlN、BN等陶瓷粉，Ag、Al、Cu等金屬粒子，CuO、Al₂O₃等金屬氧化物粉，及炭黑、石墨等碳材料（參照文獻3）。但是這些填料的尺寸多在微米級，往往需要很高的填充分數才能獲得較高的熱導率，例如，BN的體積填充分數在30%時，材料的熱導率才達到2W/mK（參照文獻4）。而高的填充分數一方面會使材料的機械性能下降，另一方面會使材料的成本顯著上升。因此，如何在較低的填充分數下獲得較高的導熱系數成為研究的重點。

填充材料的熱導率越高，則整個復合體系的導熱性能也會顯著上升。碳納米管和石墨烯，均有很高的熱導率，其本征熱導率分別為3000W/mK和6000W/mK（參照文獻5，6）。但由于兩者都有很高的界面熱阻，復合體系的導熱效果并不理想（參照文獻7,8）。另外，填料的形貌也會顯著影響復合材料的導熱性能，長徑比較高的填料容易相互接觸，形成有效的導熱網絡，更能有效地提高材料的熱導率（參照文獻9）。鑒于金屬銀有著良好的導熱能力，且目前銀納米線的制備工藝已較為成熟，這使得銀納米線在用作導熱填料時非常具有競爭性。研究發現以Ag納米粒子、Ag納米線陣列用做導熱填料時，導熱效果仍要比普通Ag粉好很多（參照文獻10，11）。但由于貴金屬銀的消耗使得銀納米線導熱復合材料面臨高成本的問題。金屬銅的熱導率在388W/mK左右，在金屬材料中僅次于Ag（429W/mK），但價格要比Ag便宜，儲量要比Ag豐富。因此可考慮以Cu納米線代替Ag納米線構筑新型導熱材料。但目前該方面的工作尚未見報道。

導熱界面材料目前常用的基體材料有硅橡膠（參照文獻12）及環氧樹脂（參照文獻13）。硅橡膠在室溫下至少需要24h以上才能聚合，環氧樹脂需要8h左右，在長時間固化過程中，納米線會因為自身大密度的原因而沉降。另外硅橡膠粘度高達在3900厘泊，不利于填充材料的分散，在應用時需要另對其進行稀釋或改性。而環氧樹脂在聚合的過程中極易產生氣泡，需要另對其進行改性或借助硅烷偶聯劑。研究發現，低粘度的基體材料可提高復合材料的導熱性能（參照文獻14）。低粘度的丙烯酸酯單體借助光引發劑在紫外輻照下可完成固化。避免了上述問題。目前金屬納米線-聚丙烯酸酯復合材料尚未見到報道。

現有技術文獻：

文獻1

Chung,D.D.L.Appl.Therm.Eng.2001,21,(16),1593-1605.

文獻2

McNamara,A.J.;Joshi,Y.;Zhang,Z.M.International?Journal?of?Thermal?Sciences2012,62,2-11.

文獻3

Kochetov,R.;Andritsch,T.;Lafont,U.;Morshuis,P.H.F.;Picken,S.J.;Smit,J.J.;Ieee,Thermal?Behaviour?of?Epoxy?Resin?Filled?with?High?Thermal?Conductivity?Nanopowders.Ieee:New?York,2009;p524-528.

文獻4

Dettlaff-Weglikowska,U.;Skakalova,V.;Graupner,R.;Jhang,S.H.;Kim,B.H.;Lee,H.J.;Ley,L.;Park,Y.W.;Berber,S.;Tomanek,D.,et?al.J.Am.Chem.Soc.2005,127,5125-5131.

文獻5