一种含金刚石和液态金属的导热凝胶及其制备和应用制造技术

本发明专利技术公开了一种含金刚石和液态金属的导热凝胶及其制备方法和应用，属于新材料及其应用技术领域。本发明专利技术利用简单的工艺，以金刚石、液态金属和常规填料配合使用作为导热填料，以乙烯基硅油为基体，制备了金刚石

【技术实现步骤摘要】
一种含金刚石和液态金属的导热凝胶及其制备和应用


[0001]本专利技术涉及新材料及其应用
，具体涉及一种含金刚石和液态金属的导热凝胶及其制备与应用。

技术介绍

[0002]器件的微型化和高集成度在赋予电子产品更多功能、更高效率的同时，也使得电子产品中单位体积的工作功率大幅度提升，由此带来了严重的散热问题。电子元器件的耗散生热会直接导致电子设备温度的升高和热应力的增加，对微电子设备的工作可靠性造成严重威胁。工业界普遍认为未来电子产品发展的瓶颈不是硬件本身和散热设计，而是是否能制备有效的散热材料。在微电子器件和散热器之间存在极细微的凹凸不平的空隙，如果将两者直接安装在一起，它们之间的实际接触面积只有散热器底座面积的10％，其余均为空气间隙。因为空气热导率只有0.024W/mK，是热的不良导体，将导致电子元件与散热器间的接触热阻非常大，严重阻碍了热量的传导，最终造成散热器的效能低下。使用具有高导热性的热界面材料填充满这些间隙，排除其中的空气，在电子元件和散热器间建立有效的热传导通道，可以大幅度低接触热阻，使散热器的作用得到充分地发挥。
[0003]导热凝胶是以硅树脂为基材，添加导热填料按一定比例配置而成，并通过特殊工艺加工而成的膏状间隙填充材料，加热固化成高性能弹性体，随结构形状成型，具备最优异的结构适用性和结构件表面贴服特性。导热凝胶这种材料同时具有导热垫片和导热硅脂的某些优点，较好的弥补了二者的弱点，特别适合空间受限的热传导需求。常规的导热凝胶材料一般是将导热颗粒直接混合在有机聚合物基体中制得的复合材料。然后，由于常规导热填料的本征导热率较低以及导热填料之间互连程度有限，因此常规的导热凝胶材料的导热性能并没有得到很大提高。
[0004]研究表明，金刚石是一种由碳元素组成的矿物，是石墨的同素异形体。金刚石是自然界中热导率最高的物质，常温下热导率可达2000W/mK，热膨胀系数较低，且室温下绝缘。这表明了金刚石在散热领域具有巨大的应用潜力。然后，金刚石在导热凝胶中的应用面临两个技术瓶颈：(1)微米级金刚石表面光滑，化学官能团极少，与聚合物基体浸润效果差；(2)金刚石硬度较大，在导热凝胶的使用过程中容易划伤电子器件。因此，关于高导热金刚石导热凝胶的报道较少。液态金属指在一定温度下处于液态的低熔点合金。液态金属因其具有一定的流动性，可达到良好的浸润填充效果。此外，液态金属具有良好的本征热导率，可有效帮助电子器件散热。然而，当液态金属作为单一使用的导热界面材料时会出现两个技术问题：(1)液态金属流动性较好、容易泄露，当液态金属流动至其他部分的电子器件，容易造成短路等问题；(2)液态金属对一些常规金属有一定的腐蚀性、发生互溶现象，直接使用液态金属会对电子器件造成一定的损伤。因此，液态金属在界面导热材料领域的应用一直受到限制。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的在于克服现有技术的上述不足，提供了一种含金刚石和液态金属的导热凝胶及其制备与应用。通过将金刚石、液态金属和传统导热填料配合使用，并利用机械搅拌方式充分混合后，加热固化得到含金刚石和液态金属的导热凝胶。本专利技术通过表面金属化的工艺克服了金刚石表面浸润性差、硬度大的技术瓶颈，同时金刚石表面的金属镀层具有一定的抗腐蚀能力，可在液态金属的存在下长时间保持稳定。液态金属可与金刚石表面的金属镀层形成薄的合金层、将金刚石相互连接在一起，形成贯通的导热网络。金刚石表面的金属镀层与液态金属的相互作用又可以一定程度限制液态金属的流动，从而保证液态金属不发生泄露。本专利技术协同地应用金刚石和液态金属作为导热填料，充分利用了两者优秀的导热性能并解决了上述提高的工艺瓶颈。同时，利用金刚石、液态金属与常规导热填料配合使用，即可显著提升导热凝胶的导热性能，并保证导热凝胶材料的成本。
[0006]具体的，本专利技术的技术方案是：
[0007]一种含金刚石和液态金属的导热凝胶，所述导热凝胶由硅油基体、铂金催化剂和复合导热填料组成；复合导热填料与硅油基体的重量比例为(40～90)： 10；所述复合导热填料由金刚石、液态金属和常规导热填料组成，金刚石、液态金属和常规导热填料均匀分散于硅油基体和铂金催化剂的混合物中；金刚石在复合导热填料中所占的质量百分比为10～40％；液态金属在复合导热填料中所占的质量百分比为5～15％；铂金催化剂在硅油基体中所占的质量百分比 0.15～1.5％。
[0008]在本专利技术的技术方案中，所述硅油基体为乙烯基硅油、含氢硅油，所述含氢硅油在硅油基体中所占的质量百分比为16～40％；
[0009]优选的，所述乙烯基硅油的乙烯基含量为0.12％～1.76％；
[0010]优选的，所述含氢硅油包括侧链含氢硅油和端基含氢硅油，所述侧链含氢硅油的含氢量为0.06％～1.00％，所述端基含氢硅油的含氢量为0.04％～0.15％；
[0011]优选的，所述铂金催化剂选自卡斯特铂金催化剂；
[0012]更优选的，所述卡斯特铂金催化剂选自铂环乙烯基甲基硅氧烷络合物、铂羰基环乙烯基甲基硅氧烷络合物、铂二乙烯基四甲基二硅氧烷二甲基富马酸酯络合物和铂二乙烯基四甲基二硅氧烷二甲基马来酸酯络合物中的一种或几种。
[0013]优选的，所述金刚石为静压熔媒法、爆炸法以及气相沉积法制备的金刚石的一种或几种。
[0014]其中，静压触媒法是一种生产人造金刚石的方法。具体为使用一套液压装置，在高压腔中产生约5～10GPa的压力，在金属触媒的参与下，使石墨在约 1200～2000K的温度下转化成金刚石。
[0015]爆炸法是利用炸药爆炸时产生的冲击波直接作用于石墨,从而产生制备金刚石所需的高温高压条件，使石墨发生相变生成金刚石。
[0016]气相沉积法指在低压(1～106kPa)、高温(500～800℃)条件下由含碳气体沉积成金刚石，不需要复杂的高压高温设备。
[0017]在本专利技术的技术方案中，所述金刚石的粒径范围为4μm～10μm。
[0018]在本专利技术的技术方案中，所述金刚石表面进行金属化处理，所述金属化处理采用磁控溅射技术，所述金属化处理的金属镀层为铬、钛的一种，表面金属化质量增重百分比为
15～40％。
[0019]在本专利技术的技术方案中，所述液态金属为镓铟合金、镓铟锡合金以及镓铟锡锌合金的一种或几种。
[0020]在本专利技术的技术方案中，所述常规导热填料的粒径范围为500nm～15μm，常规导热填料为氧化铝、氧化锌以及碳化硅中的一种或几种混合。
[0021]在本专利技术的技术方案中，所述导热凝胶的导热系数为5.7-10W/mK。
[0022]本专利技术还提供了上述含金刚石和液态金属的导热凝胶的制备方法，所述方法首先对金刚石表面进行金属化处理，接着将表面金属化的金刚石、液态金属和常规导热填料按比例混合，然后将混合后的填料按所需比例加入到硅油基体和铂金催化剂的混合物中，并利用机械搅拌方式充分混合后，加热固化得到导热凝胶；
[0023]具体的，采用磁控溅射技术在金刚石颗粒表面镀覆金属薄膜，通过本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含金刚石和液态金属的导热凝胶，其特征在于，所述导热凝胶由硅油基体、铂金催化剂和复合导热填料组成；复合导热填料与硅油基体的重量比例为(40～90)：10；所述复合导热填料由金刚石、液态金属和常规导热填料组成，金刚石、液态金属和常规导热填料均匀分散于硅油基体和铂金催化剂的混合物中；金刚石在复合导热填料中所占的质量百分比为10～40％；液态金属在复合导热填料中所占的质量百分比为5～15％；铂金催化剂在硅油基体中所占的质量百分比0.15～1.5％。2.根据权利要求1所述的含金刚石和液态金属的导热凝胶，其特征在于：所述硅油基体为乙烯基硅油、含氢硅油，所述含氢硅油在硅油基体中所占的质量百分比为16～40％；优选的，所述乙烯基硅油的乙烯基含量为0.12％～1.76％；优选的，所述含氢硅油包括侧链含氢硅油和端基含氢硅油，所述侧链含氢硅油的含氢量为0.06％～1.00％，所述端基含氢硅油的含氢量为0.04％～0.15％。3.根据权利要求1所述的含金刚石和液态金属的导热凝胶，其特征在于：所述铂金催化剂选自卡斯特铂金催化剂；优选的，所述金刚石为静压熔媒法、爆炸法以及气相沉积法制备的金刚石的一种或几种。4.根据权利要求1所述的含金刚石和液态金属的导热凝胶，其特征在于：所述金刚石的粒径范围为4μm～10μm。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：任琳琳，么依民，曾小亮，许永伦，孙蓉，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：