本發(fā)明涉及新材料及其制備技術領域，具體涉及一種填料定向排布的復合材料及其制備方法。

背景技術：

隨著科技的發(fā)展，有機高分子復合材料得到了越來越廣泛的應用。與傳統(tǒng)的金屬材料相比，有機高分子復合材料及具有高分子基體本身所特有的輕質、柔性、耐腐蝕等特點，同時又可以通過添加填料實現(xiàn)導熱、導電等功能。傳統(tǒng)的有機高分子復合材料一般是將填料顆粒直接混合在硅橡膠等有機高分子材料中制得的復合材料，通過大量填料的添加形成填料緊密堆積的結構來實現(xiàn)相應功能(如導熱性、導電性等)。然而，在這些復合材料中，由于填料顆粒一般是雜亂無章地分布在高分子基體中，而且被高分子基體包裹分離開(圖1(a))，因此嚴重制約了填料性能的發(fā)揮。大量導熱填料的加入不僅增加了成本和重量，而且會使材料的彈性下降、硬度增加，但性能卻很難得到明顯提升。

在有些應用場合，僅關注材料在某一特定方向的性能(比如導熱界面材料)。因此在有機高分子復合材料制備過程中如果能通過一定工藝步驟使一些各向異性的填料在高分子基體中定向分布，充分發(fā)揮填料在特定方向的性能優(yōu)勢，可能是一種提升有機高分子復合材料性能的有效手段。

電子元器件的微型化及多功能化對器件的散熱性提出了更高的要求。器件的散熱問題已成為迅速發(fā)展的電信產(chǎn)業(yè)面臨的技術“瓶頸”。為了減小界面熱阻，人們開發(fā)了導熱界面材料。將界面導熱材料填充于接觸面之間，可以去除接觸界面孔隙內的空氣，在整個接觸界面上形成連續(xù)的導熱通道，提高電子元器件的散熱效率。

一般來說，片層狀的填料的導熱性能具有各向異性的特點。例如石墨烯，其平面內(徑向)熱導率(～5000W/mK)與垂直平面方向(軸向)熱導率(～10W/mK) 相差懸殊。對于導熱界面材料，人們主要關注其垂直于平面方向(軸向)的導熱性能。如果能通過一定的工藝步驟實現(xiàn)此類片層狀填料在基體中的沿軸向排布(如圖1(b)所示)則可以使此類填料的高導熱特性得到更充分發(fā)揮。從而達到降低填料添加量，顯著提升復合材料導熱性能的目的。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有工藝難以實現(xiàn)填料在基體中定向排布的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種填料定向排布的復合材料及其制備方法，通過簡單的擠壓工藝實現(xiàn)填料定向排布于復合材料基體中，其填料特定的排布方式使之具有高導熱性能，適用于電子器件散熱領域。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案如下：

一種填料定向排布的復合材料的制備方法，該方法首先將片層狀填料與有機高分子材料均勻混合，再通過擠壓方式實現(xiàn)填料在基體中的有序定向排布，從而充分發(fā)揮填料在特定方向上的導熱性能的優(yōu)勢，進而制備出所述填料定向排布的復合材料；該方法具體包括如下步驟：

(1)將片層狀填料和固化劑加入有機高分子材料中，充分混合后使填料在基體中均勻分散，獲得混合物料；具體的加料順序為：先將固化劑加入有機高分子材料中，混合均勻后再加入片層狀填料；該步驟中，可利用高速攪拌機、剪切乳化機、捏合機或雙輥開煉機中的一種或幾種將所述填料、有機高分子基體及固化劑充分混合，保證填料在基體中均勻分散。

(2)利用雙輥開煉機對步驟(1)所得混合物料進行擠壓，將其擠壓為厚度小于0.5mm的薄片狀樣品，所得薄片狀樣品中的片層狀填料沿薄片狀樣品所在平面呈定向排布；

(3)將步驟(2)所得多個薄片狀樣品進行疊層，然后進一步壓成塊體樣品，再將塊體沿所需的特定取向切片，獲得層狀材料；對塊體進行切片時，切片方向可垂直于薄片狀樣品，但并不限于垂直方向，可根據(jù)需要沿不同角度和方向切取，從而實現(xiàn)填料沿所需方向和角度的排布；

(4)將步驟(3)所得層狀材料加熱加壓固化成型，即得到所述填料定向排布的復合材料。

所述片層狀填料為鱗片石墨、石墨烯、片狀氮化硼、片狀碳化硅、片狀鋁粉 和片狀銀粉中的一種或幾種。所述片層狀填料的片徑范圍為0.1-500μm，厚度范圍為0.1-100μm。

所述有機高分子材料為甲基乙烯基硅橡膠、乙烯基硅油、聚氨酯和聚二甲基硅氧烷中的一種或幾種具有良好彈性和柔韌性的有機高分子彈性材料。所述固化劑為2,4-二氯過氧化苯甲酰、含氫硅油或2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基過氧基)己烷等。

上述步驟(1)中，所述片層狀填料與有機高分子材料的重量比例為(0.25-9)：1，所述固化劑與有機高分子材料的重量比例為(0.5-2)：100。

經(jīng)過本發(fā)明上述工藝所得的復合材料是由片層狀填料和有機高分子材料基體組成，其中：所述片層狀填料有序定向排布于有機高分子材料基體中，所述填料在復合材料中所占的重量百分比為20-90％。

該導熱界面材料為片狀材料，其中的片層狀填料的定向排布方向與該導熱界面材料所在平面相垂直或成其他角度。該導熱界面材料在沿片層狀填料的定向排布方向的熱導率可達60W/mK，且具有良好的彈性和可壓縮性。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

1、本發(fā)明利用石墨烯等片層狀材料的平面內高導熱特性制備出了導熱性能優(yōu)異的導熱界面材料，制備工藝流程簡單，所需原料廉價易得，容易通過工藝放大實現(xiàn)工業(yè)化量產(chǎn)，成本較相關應用領域的傳統(tǒng)產(chǎn)品有顯著優(yōu)勢。

2、本發(fā)明工藝所制備的復合材料中石墨烯等片層狀導熱填料均勻的分散于有機高分子材料基體中，通過掃描電子顯微鏡(SEM)等對其截面微觀形貌進行觀察可發(fā)現(xiàn)較為明顯的填料取向排布特征。本發(fā)明制備的填料定向排布特點的復合材料導熱性能較未經(jīng)過定向排布處理時有顯著提升。該復合材料的熱導率可達60W/mK(沿填料的定向排布方向)，且具有良好的彈性和可壓縮性。

3、本發(fā)明制備的復合熱界面材料具有輕質、彈性、柔性和高熱導率等特點，能夠很好地填充在熱界面的空隙，減小界面熱阻，提高電子元器件的散熱效率。其使用降溫效果明顯，超過了目前商品化熱界面材料的水平，可以廣泛應用于大功率LED路燈、電腦、智能手機、網(wǎng)絡交換機等電子產(chǎn)品的熱源與散熱器之間的熱量傳導，提高這些電子產(chǎn)品的散熱性能。

附圖說明

圖1為片層狀填料導熱示意圖；其中：(a)填料無序排布；(b)片層狀填料在基體中沿軸向定向排布。

圖2為本發(fā)明填料定向排布的導熱界面材料的制備過程示意圖。

圖3為本發(fā)明石墨烯復合熱界面材料的光學照片。

圖4為本發(fā)明石墨烯復合熱界面材料的掃描電鏡照片。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例詳述本發(fā)明。

本發(fā)明制備了填料定向排布于有機高分子材料基體中形成的復合材料，其制備過程如圖2所示，通過圖中所示的簡單的工藝過程即可獲得。

材料的導熱率是衡量材料導熱性能的主要指標，因此本發(fā)明對所制得的導熱界面材料的導熱系數(shù)進行了測定。檢測所用儀器為美國ANALYSIS TECH公司的TIM Tester 1400材料熱阻導熱系數(shù)測試儀(此儀器目前在國內電子產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)及科研單位被廣泛使用)，檢測執(zhí)行ASTMD 5470標準。同時，此測試方法能直接檢測出所測樣品的熱阻值，對于熱界面材料的導熱性能衡量尤為適用。

實施例1：

先將100g甲基乙烯基硅橡膠與1g固化劑(2,4-二氯過氧化苯甲酰)在捏合機中進行混合，然后加入30g石墨烯粉體混合2h。將混合物取出，利用雙輥開煉機等對混合物反復擠壓10次，雙輥間隙0.5mm；將混合物擠壓為厚度小于0.5mm的薄片。將擠壓成薄片狀的混合物疊層后進一步壓成塊體。將塊體沿垂直方向切片；對切取的片材加熱加壓固化成型，即可得到石墨烯沿軸向取向排布(即垂直于片材所在平面的方向)的石墨烯硅膠復合導熱材料。

本實施例制得的石墨烯復合熱界面材料的宏觀形貌如圖3中的光學照片所示，該材料具有很好的柔性和彈性，能充分填充熱界面間隙，顯著提升電子器件散熱效果。

本實施例制得的石墨烯復合熱界面材料的微觀形貌如圖4中的掃描電鏡照片所示。從照片中可以看出，石墨烯均勻的分布于硅橡膠基體中。石墨烯微片間緊密連接，呈現(xiàn)出較為明顯的沿軸向取向排布的特征(即垂直于該片狀復合材料所在平面的方向)。

利用說明中所述儀器及方法，測得該復合材料在垂直于其所在平面方向的導 熱率為6.7W/mK。由于其他實施例與本例樣品的形貌、測試方法相近，后面不再贅述。

實施例2：

先將100g乙烯基硅油與1g固化劑(含氫硅油)在捏合機中進行混合，然后加入30g石墨烯粉體混合2h。將混合物取出，利用雙輥開煉機等對混合物反復擠壓10次，雙輥間隙0.5mm；將混合物擠壓為厚度小于0.5mm的薄片。將擠壓成薄片狀的混合物疊層后進一步壓成塊體。將塊體沿垂直方向切片；對切取的片材加熱加壓固化成型，即可得到填料沿軸向取向排布的復合導熱材料。

本實施例制得的導熱界面材料的宏觀形貌及微觀形貌如實施例1，即填料均勻的分布于高分子材料基體中。填料的各片層間緊密連接，呈現(xiàn)出較為明顯的沿軸向取向排布的特征(即垂直于該導熱界面材料所在平面的方向)。

利用說明中所述儀器及方法，測得材料的導熱率為6.3W/mK。

實施例3：

先將100g甲基乙烯基硅橡膠與1g固化劑(2,4-二氯過氧化苯甲酰)在捏合機中進行混合，然后加入200g片狀氮化硼粉末混合2h。將混合物取出，利用雙輥開煉機等對混合物反復擠壓10次，雙輥間隙0.5mm；將混合物擠壓為厚度小于0.5mm的薄片。將擠壓成薄片狀的混合物疊層后進一步壓成塊體。將塊體沿垂直方向切片；對切取的片材加熱加壓固化成型，即可得到填料沿軸向取向排布的復合導熱材料。

本實施例制得的導熱界面材料的宏觀形貌及微觀形貌如實施例1，即填料均勻的分布于高分子材料基體中。填料的各片層間緊密連接，呈現(xiàn)出較為明顯的沿軸向取向排布的特征(即垂直于該導熱界面材料所在平面的方向)。

利用說明中所述儀器及方法，測得材料的導熱率為4.8W/mK。

實施例4：

先將100g甲基乙烯基硅橡膠與1g固化劑(2,4-二氯過氧化苯甲酰)在捏合機中進行混合，然后加入20g石墨烯粉體和400g片狀碳化硅粉末混合2h。將混合物取出，利用雙輥開煉機等對混合物反復擠壓10次，雙輥間隙0.5mm；將混合物擠壓為厚度小于0.5mm的薄片。將擠壓成薄片狀的混合物疊層后進一步壓成塊體。將塊體沿垂直方向切片；對切取的片材加熱加壓固化成型，即可得到填料沿軸向取向排布的復合導熱材料。

本實施例制得的導熱界面材料的宏觀形貌及微觀形貌如實施例1，即填料均勻的分布于高分子材料基體中。填料的各片層間緊密連接，呈現(xiàn)出較為明顯的沿軸向取向排布的特征(即垂直于該導熱界面材料所在平面的方向)。

利用說明中所述儀器及方法，測得材料的導熱率為7.5W/mK。

實施例5：

先將100g甲基乙烯基硅橡膠與1g固化劑(2,4-二氯過氧化苯甲酰)在捏合機中進行混合，然后加入20g石墨烯粉體和200g片狀氮化硼粉末混合2h。將混合物取出，利用雙輥開煉機等對混合物反復擠壓10次，雙輥間隙0.5mm；將混合物擠壓為厚度小于0.5mm的薄片。將擠壓成薄片狀的混合物疊層后進一步壓成塊體。將塊體沿垂直方向切片；對切取的片材加熱加壓固化成型，即可得到填料沿軸向取向排布的復合導熱材料。

本實施例制得的導熱界面材料的宏觀形貌及微觀形貌如實施例1，即填料均勻的分布于高分子材料基體中。填料的各片層間緊密連接，呈現(xiàn)出較為明顯的沿軸向取向排布的特征(即垂直于該導熱界面材料所在平面的方向)。

利用說明中所述儀器及方法，測得材料的導熱率為12.1W/mK。

實施例6：

先將100g甲基乙烯基硅橡膠與1g固化劑(2,4-二氯過氧化苯甲酰)在捏合機中進行混合，然后加入20g石墨烯粉體和300g片狀鋁粉混合2h。將混合物取出，利用雙輥開煉機等對混合物反復擠壓10次，雙輥間隙0.5mm；將混合物擠壓為厚度小于0.5mm的薄片。將擠壓成薄片狀的混合物疊層后進一步壓成塊體。將塊體沿垂直方向切片；對切取的片材加熱加壓固化成型，即可得到填料沿軸向取向排布的復合導熱材料。

本實施例制得的導熱界面材料的宏觀形貌及微觀形貌如實施例1，即填料均勻的分布于高分子材料基體中。填料的各片層間緊密連接，呈現(xiàn)出較為明顯的沿軸向取向排布的特征(即垂直于該導熱界面材料所在平面的方向)。

利用說明中所述儀器及方法，測得材料的導熱率為13.5W/mK。

實施例7：

先將100g甲基乙烯基硅橡膠與1g固化劑(2,4-二氯過氧化苯甲酰)在捏合機中進行混合，然后加入20g石墨烯粉體和100g鱗片石墨粉末混合2h。將混合物取出，利用雙輥開煉機等對混合物反復擠壓10次，雙輥間隙0.5mm；將混合 物擠壓為厚度小于0.5mm的薄片。將擠壓成薄片狀的混合物疊層后進一步壓成塊體。將塊體沿垂直方向切片；對切取的片材加熱加壓固化成型，即可得到填料沿軸向取向排布的復合導熱材料。

本實施例制得的導熱界面材料的宏觀形貌及微觀形貌如實施例1，即填料均勻的分布于高分子材料基體中。填料的各片層間緊密連接，呈現(xiàn)出較為明顯的沿軸向取向排布的特征(即垂直于該導熱界面材料所在平面的方向)。

利用說明中所述儀器及方法，測得材料的導熱率為15.2W/mK。

實施例8：

先將100g甲基乙烯基硅橡膠與1g固化劑(2,4-二氯過氧化苯甲酰)在捏合機中進行混合，然后加入15g石墨烯粉體和150g鱗片石墨粉末混合2h。將混合物取出，利用雙輥開煉機等對混合物反復擠壓10次，雙輥間隙0.5mm；將混合物擠壓為厚度小于0.5mm的薄片。將擠壓成薄片狀的混合物疊層后進一步壓成塊體。將塊體沿垂直方向切片；對切取的片材加熱加壓固化成型，即可得到填料沿軸向取向排布的復合導熱材料。

本實施例制得的導熱界面材料的宏觀形貌及微觀形貌如實施例1，即填料均勻的分布于高分子材料基體中。填料的各片層間緊密連接，呈現(xiàn)出較為明顯的沿軸向取向排布的特征(即垂直于該導熱界面材料所在平面的方向)。

利用說明中所述儀器及方法，測得材料的導熱率為25.0W/mK。

實施例9：

先將100g甲基乙烯基硅橡膠與1g固化劑(2,4-二氯過氧化苯甲酰)在捏合機中進行混合，然后加入20g石墨烯粉體和150g鱗片石墨粉末混合2h。將混合物取出，利用雙輥開煉機等對混合物反復擠壓10次，雙輥間隙0.5mm；將混合物擠壓為厚度小于0.5mm的薄片。將擠壓成薄片狀的混合物疊層后進一步壓成塊體。將塊體沿垂直方向切片；對切取的片材加熱加壓固化成型，即可得到填料沿軸向取向排布的復合導熱材料。

本實施例制得的導熱界面材料的宏觀形貌及微觀形貌如實施例1，即填料均勻的分布于高分子材料基體中。填料的各片層間緊密連接，呈現(xiàn)出較為明顯的沿軸向取向排布的特征(即垂直于該導熱界面材料所在平面的方向)。

利用說明中所述儀器及方法，測得材料的導熱率為40.0W/mK。

實施例10：

先將100g甲基乙烯基硅橡膠與1g固化劑(2,4-二氯過氧化苯甲酰)在捏合機中進行混合，然后加入20g石墨烯粉體和600g片狀銀粉混合2h。將混合物取出，利用雙輥開煉機等對混合物反復擠壓10次，雙輥間隙0.5mm；將混合物擠壓為厚度小于0.5mm的薄片。將擠壓成薄片狀的混合物疊層后進一步壓成塊體。將塊體沿垂直方向切片；對切取的片材加熱加壓固化成型，即可得到填料沿軸向取向排布的復合導熱材料。

本實施例制得的導熱界面材料的宏觀形貌及微觀形貌如實施例1，即填料均勻的分布于高分子材料基體中。填料的各片層間緊密連接，呈現(xiàn)出較為明顯的沿軸向取向排布的特征(即垂直于該導熱界面材料所在平面的方向)。

利用說明中所述儀器及方法，測得材料的導熱率為60.0W/mK。

對比例1：

先將100g甲基乙烯基硅橡膠與1g固化劑(2,4-二氯過氧化苯甲酰)在捏合機中進行混合，然后加入30g石墨烯粉體混合2h。將混合物取出，加熱加壓固化成型，得到與實施例1相同填料配比的對比例樣品。

利用說明中所述儀器及方法，測得材料的導熱率為2.0W/mK。

對比例2：

先將100g甲基乙烯基硅橡膠與1g固化劑(2,4-二氯過氧化苯甲酰)在捏合機中進行混合，然后加入20g石墨烯粉體和400g片狀碳化硅粉末混合2h。將混合物取出，加熱加壓固化成型，得到與實施例4相同填料配比的對比例樣品。

利用說明中所述儀器及方法，測得材料的導熱率為3.9W/mK。以上提供的實施例僅僅是解釋說明的方式，不應認為是對本發(fā)明的范圍限制，任何根據(jù)本發(fā)明的技術方案及其發(fā)明構思加以等同替換或改變的方法，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。