[發明專利]一種具有高法向熱導率、高彈性的導熱墊片的制備方法

有效

• 申請號: 202011423091.1
• 申請日: 2020-12-08
• 公開（公告）號: CN112679765B
• 公開（公告）日: 2023-05-02
• 發明（設計）人: 葉振強;李俊偉;曾小亮;張晨旭;張月星;孫蓉
• 申請（專利權）人: 中國科學院深圳先進技術研究院
• 主分類號: C08J5/18
• 分類號: C08J5/18;C08L47/00;C08L51/00;C08K9/02;C08K9/04;C08K9/06;C08K3/04;H05K7/20
• 代理公司: 北京市誠輝律師事務所 11430
• 代理人: 范盈

本發明屬于導熱材料制備技術領域，公開了一種具有高法向熱導率、高彈性的導熱墊片的制備方法。包括以下步驟：(1)利用石墨膜或石墨烯膜作為填料，經等離子改性，得到第一改性石墨膜或石墨烯膜；(2)對第一改性石墨膜或石墨烯膜進行羥基化，接枝經水解后的偶聯劑，得到第二改性石墨膜或石墨烯膜；(3)第二改性石墨膜或石墨烯膜表面涂聚烯烴，進行預固化處理，采用層壓工藝，堆疊，得到石墨膜或石墨烯膜/聚烯烴多層復合結構成型體；(4)熱壓處理后，沿著與多層復合結構成型體上下表面垂直的方向切割成導熱墊片。本發明得到的導熱墊片的導熱性能好，填料含量達94.3％時，熱導率高達726.1W/(m·K)。

技術領域

本發明屬于導熱材料制備技術領域，具體的，涉及一種具有高法向熱導率、高彈性的導熱墊片的制備方法。

背景技術

隨著集成電路的小型化、高密度化和高功率化，電子元器件的散熱問題已經嚴重制約集成電路產業的發展。根據美國空軍電子工業部門的統計：電子產品失效的原因中，大約有55％是由于過熱及與熱相關的問題造成的。因此，電子器件的熱管理問題亟待解決。

熱界面材料是解決電子器件散熱的關鍵材料，它用于填充器件界面間的間隙，降低傳熱阻抗。熱界面材料主要類型有導熱膏、導熱凝膠、導熱墊片等。其中，導熱墊片因具有可重復使用的優點在熱界面材料領域占據重要地位。此外，導熱墊片還應具有良好的機械彈性和較高的法向熱導率。良好的機械彈性能使其適應于不光滑表面，較高的法向熱導率則能更高效地傳遞界面間的熱量。

為了兼顧導熱和機械性能，目前主流的解決方案是將高導熱填料與聚合物混合形成復合材料。聚合物材料的柔韌性，低成本和良好的可加工性，因此得到廣泛應用。為了制備高性能導熱墊片，我們選用石墨烯作為高導熱填料。首先，石墨烯具有超高的熱導率，實驗測量結果高達5000+W/(m·K)。其次，石墨烯國產程度較高，國內相關產品性能世界領先。成熟的商業化石墨膜熱導率也可達1600W/(m·K)。石墨烯熱導率具有各向異性的特定，即面內熱導率遠遠大于面外熱導率。導熱墊片只需要法向(沿著厚度方向)具有很高熱導率，因此目前的研究重點就是實現石墨烯的法向取向。

現有技術方案采用的有冰模板法、取向水熱法以及機械法制備導熱復合材料，其中，1、冰模板法(Freeze?casting)，又名冷凍鑄造，原理是凝固產生的冰晶柱將膠體粒子擠壓、排開、包埋至冰晶柱之間，冰晶通過升華去除，實現膠體粒子的法向取向。山東大學廉剛教授[1]采用冰模板法制備了一種法向取向的三維石墨烯結構，并以此為導熱骨架，灌注環氧樹脂。在骨架含量為0.92vol％時，環氧樹脂填充的復合材料的導熱系數為2.13W/(m·K)。此方法的缺點是填料低，實際導熱效果差。2、取向水熱法是利用加熱條件下，填料表面官能團之間發生縮聚反應，從而出現的體積收縮、自發形成類凝膠三維骨架。北京化工大學于中振教授課題組采用取向水熱法制備石墨烯基復合材料[2]，其中石墨烯骨架的含量為19vol％，熱導率35.5W/(m·K)。相比于冰模板法，填料含量進一步提高。3、機械法，即采用堆疊或卷曲方式，將石墨烯膜堆疊成層狀結構，層間灌注聚合物。北京大學的白樹林老師[3]提出將宏觀的石墨紙直接纏繞成卷，再灌入PDMS作為聚合物基體，得到復合材料。當石墨烯含量為92.3wt％時，其導熱系數高達614.85W/(m·K)。日本松下電工[4]提出類似的方法，先制備石墨烯、聚合物混合漿料，將其碾壓成膜，獲得高面內熱導率的復合材料膜，然后通過卷曲的方法將面內取向轉變為垂直取向。