一种二维片层填料取向方向可调控的热界面材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种二维片层填料取向方向可调控的热界面材料及其制备方法。所述热界面材料包括橡胶基体100份、二维片层填料50～1000份、2,2

【技术实现步骤摘要】
一种二维片层填料取向方向可调控的热界面材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及有机无机复合材料领域，具体地说，是涉及热管理、热界面材料领域，设计了一种新型的类贝壳珍珠层的仿生结构的热界面材料及制备方法，且这一热界面材料内部的二维片层填料取向方向具有可调控性。

技术介绍

[0002]热界面材料(TIM)是增强热源和散热器界面间热传导必不可少的材料，厚度约为0.05～2mm。通常，TIM主要产品有导热硅脂、导热凝胶、导热垫片等。由于聚硅氧烷的高柔性，因此大部分TIM都是由聚硅氧烷组成的。只有少部分非硅弹性体体系，如丙烯酸酯橡胶和聚氨酯橡胶，它们相对于硅胶体系而言不会出现渗出，但是硬度会较高。不同TIM的优缺点如表1所示。
[0003]表1TIM主要产品的优缺点、厚度及导热系数
[0004][0005]如今电子器件的散热问题已经逐渐成为制约其发展的瓶颈，高性能TIM的设计与制备显得尤为迫切。受到自然界片状贝壳珍珠层启发，由片状碳酸钙和蛋白质堆砌出来的亚微米级高规整度层状取向结构，具有高导热高韧性等特点。
[0006]因此，本专利技术对一系列二维导热填料与橡胶制进行了仿生结构学设计。由于二维片层结构的导热填料，例如氮化硼、鳞片石墨、石墨烯、氧化铝、氧化锌，在导热系数上具有明显的各向异性，在片层的面内方向上具有极高的导热系数，因此仿生设计的复合材料在在导热系数上也具有各向异性，高导热方向为材料内部导热填料的微观取向方向。考虑到在TIM的现实应用中，热流传导路径是从热源到散热器界面，这一传导路径垂直于TIM的平面，平行于TIM的厚度方向。因此，利用二维填料面内高导热特性的关键是实现其垂直取向的调控，从而使得TIM达到较高的面外导热系数(Through
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planκ)。
[0007]目前，二维填料的水平取向方法已十分成熟(即二维填料平行于复合材料的平面方向，垂直于厚度方向)，在许多文献中都有报导，包括高温模压、双辊剪切、拉伸取向、刮涂、挤出、注塑、膨胀流场、静电纺丝、流延成型、真空辅助抽滤法、冰模板法、电/磁场辅助这些方法。每种方法适用的场景各不相同，最终得到的材料微观取向程度也存在差异。在这些
方法中，高温模压、双辊剪切、挤出、注塑、流延成型这几种方法可以依靠传统的高分子加工设备来完成，因此有着工艺简单，适合大规模制备的优势。其中，高温模压、双辊剪切、流延成型能够制备薄膜材料。
[0008]相较于二维填料的水平取向，诱导片状填料垂直排列的难度较大，目前主流方法是在填料表面植入磁性纳米粒子后在磁场中实现垂直取向，但此方法对填料要求较高，且工艺复杂。近两年，文献中出现了一种制备垂直取向TIM的新方法：
①
二维填料平行取向后得到了高的面内导热系数的薄膜材料；
②
对制得的薄膜材料进行堆叠焊接，形成有较高厚度的块体；
③
对块状材料在特定方向进行纵向裁切，从而得到垂直取向的TIM。
[0009]这种类型方法的实现方法有两个难点，
①
二维填料水平取向的合适工艺；
②
薄膜材料的焊接性能。根据上述介绍，二维填料水平取向材料的制备方法有很多，但是适合规模化制备二维填料水平取向薄膜的工艺仅有高温模压、双辊剪切、流延成型这三种方法。但是，双辊剪切对填料的取向效果不如高温模压和流延成型好，无法制备出高度规整的仿贝壳珍珠层结构。这是因为双辊剪切是在室温中进行的，而高温模压和流延成型是在高温下进行，高分子基体在高温下变为流体后使得基体中的二维填料更易于取向，因此制备出的薄膜微观结构类似于贝壳珍珠层结构。然而，用于TIM的高分子基体通常为热固性，例如TIM中最常用的甲基乙烯基硅橡胶，对其进行高温模压和流延成型后是无法再进行焊接的。目前尚未有关于通过高温模压和流延成型制备填料垂直取向TIM的报导。

技术实现思路

[0010]现有技术中制备垂直取向TIM的方法要么制备方法复杂、不利于规模化制备，要么制备出来的TIM垂直取向度还不够高，无法形成类贝壳珍珠层结构。因此，针对垂直取向TIM，本专利技术设计了一种新型的TIM配方，并提出了一种二维填料高取向度、且适合规模化制备的方法。这种方法首次利用了高温模压和流延成型，并成功实现了二维填料在TIM中的垂直取向。
[0011]本专利技术目的之一为提供一种二维片层填料取向方向可调控的热界面材料，由包括以下组分的原料制备得到，以重量份计：
[0012]橡胶基体100份；
[0013]二维片层填料50～1000份；
[0014]2,2
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(1,4
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苯撑)
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双[4
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硫醇
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1,3,2
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二氧苯甲醛]0.1～50份。
[0015]优选地，所述热界面材料由包括以下组分的原料制备得到，以重量份计：
[0016]橡胶基体100份；
[0017]二维片层填料50～800份；
[0018]2,2
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(1,4
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苯撑)
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双[4
‑
硫醇
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1,3,2
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二氧苯甲醛]1～30份。
[0019]更优选地，所述热界面材料由包括以下组分的原料制备得到，以重量份计：
[0020]橡胶基体100份；
[0021]二维片层填料100～500份；
[0022]2,2
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(1,4
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苯撑)
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双[4
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硫醇
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1,3,2
‑
二氧苯甲醛]1～20份。
[0023]本专利技术热界面材料中，所述橡胶基体可选择常用的TIM基体橡胶，包括但不限于：硅橡胶、丙烯酸酯橡胶、聚氨酯橡胶、天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、乙丙橡胶、氯丁橡胶、
丁腈橡胶、丁基橡胶、异戊橡胶、苯乙烯嵌段共聚物中的至少一种。
[0024]本专利技术热界面材料中，所述二维片层填料可选择常用的二维导热填料，包括但不限于：氮化硼、鳞片石墨、石墨烯、氧化铝、氧化锌、金刚石、片状碳化硅、石墨相氮化碳、氧化石墨烯、银微米片、片状氮化铝、片状银粉、片状铝粉、Mxene中的至少一种。基于橡胶基体100重量份，所述二维片层填料用量可为50份、100份、200份、300份、400份、500份、600份、700份、800份、900份、1000份等。
[0025]本专利技术热界面材料中，优选地，所述二维片层填料的片径为1nm～100μm，厚度为0.1nm～1μm。
[0026]本专利技术热界面材料中，引入了一种新型交联剂：2,2
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(1,4
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苯撑)
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双[4
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硫醇
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1,3,2
‑
二氧苯甲醛](BDB)，具体结构式如式(I)所示：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维片层填料取向方向可调控的热界面材料，由包括以下组分的原料制备得到，以重量份计：橡胶基体100份；二维片层填料50～1000份；2,2
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苯撑)
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双[4
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硫醇
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1,3,2
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二氧苯甲醛]0.1～50份。2.根据权利要求1所述的热界面材料，其特征在于所述热界面材料由包括以下组分的原料制备得到，以重量份计：橡胶基体100份；二维片层填料50～800份；2,2
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(1,4
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苯撑)
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双[4
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硫醇
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1,3,2
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二氧苯甲醛]1～30份。3.根据权利要求2所述的热界面材料，其特征在于所述热界面材料由包括以下组分的原料制备得到，以重量份计：橡胶基体100份；二维片层填料100～500份；2,2
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(1,4
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苯撑)
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双[4
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硫醇
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1,3,2
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二氧苯甲醛]1～20份。4.根据权利要求1所述的热界面材料，其特征在于：所述橡胶基体选自硅橡胶、丙烯酸酯橡胶、聚氨酯橡胶、天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢咏来，叶能，李京超，冯予星，张继阳，王军艳，卢雨峰，李佳航，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：