一種界面導(dǎo)熱材料硅橡膠墊的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料領(lǐng)域，具體地說涉及一種具有超高導(dǎo)熱系數(shù)的界 面導(dǎo)熱材料硅橡膠墊的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著微電子集成技術(shù)和高密度印制板組裝技術(shù)的高速發(fā)展，現(xiàn)今微電子設(shè)備逐漸 朝著微型、便捷方向發(fā)展。在大功率驅(qū)動下，半導(dǎo)體工作熱環(huán)境迅速向高溫方向移動，這就 要求半導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量能夠被高速的傳導(dǎo)出去，以保證電子設(shè)備的正常運(yùn)行。隨著電子設(shè) 備向大功率、微型化方向的發(fā)展，對于導(dǎo)熱填隙材料的導(dǎo)熱性能要求也越來越高，甚至可以 說，導(dǎo)熱填隙材料的導(dǎo)熱性能是制約大功率電子設(shè)備發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。
[0003] 現(xiàn)如今，市場上傳統(tǒng)的界面導(dǎo)熱材料主要為導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱膠粘劑、導(dǎo)熱橡膠及相 變材料等幾類界面材料。但其室溫下的導(dǎo)熱系數(shù)一般為1~5 W/m · K，遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)今電子 設(shè)備的發(fā)展對于導(dǎo)熱填隙材料的導(dǎo)熱性能的要求。因而制備具有更高熱導(dǎo)率導(dǎo)熱填隙材料 的需求日益迫切。
[0004]在傳統(tǒng)的技術(shù)方案中，往往采用常見的導(dǎo)熱填料對硅橡膠進(jìn)行填充:氧化鋁、氮化 硼、碳化硅、金屬鋁粉、銅粉等。而利用石墨烯等碳材料作為導(dǎo)熱填料時(shí)，也往往是對其與硅 橡膠進(jìn)行簡單的混合，并沒有對石墨烯等進(jìn)行排列取向，沒有形成較好的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所 制備的硅膠墊的導(dǎo)熱系數(shù)往往較低，一般不超過10 W/m · K。
[0005] 如中國專利號為"201210321268.6"的現(xiàn)有技術(shù)在2012年12月19公開了一種制備 導(dǎo)熱硅橡膠復(fù)合材料的方法，其技術(shù)方案包括以下步驟：（1)由包括基體、導(dǎo)熱填料和足量 硫化劑在室溫條件下混煉，得到混煉膠料的步驟；（2)由步驟(1)所得混煉膠料經(jīng)二段硫化， 得到目標(biāo)物的步驟。該專利通過采用膨脹石墨與其它碳材料的混合物作為填料來提高硅橡 膠復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，該方法雖然能提升硅橡膠復(fù)合材料的導(dǎo)熱率到4 W/m · K，但其還 不能滿足大功率電子設(shè)備對于導(dǎo)熱填隙材料導(dǎo)熱性能的要求，并且其制備工藝很復(fù)雜，不 利于工業(yè)化生產(chǎn)。
[0006] 又如中國專利號為"201410554466.6"的現(xiàn)有技術(shù)在2015年2月4公開了一種含石 墨烯的硅橡膠導(dǎo)熱復(fù)合材料及其制備方法，雖然采用該方法制備出的導(dǎo)熱硅橡膠材料能 夠達(dá)到4.98 W/m · K的導(dǎo)熱系數(shù)，但其對填料的預(yù)處理增加了其生產(chǎn)成本，更重要的是其也 未能對石墨稀進(jìn)行定向排列，未能體現(xiàn)出石墨稀本身超高導(dǎo)熱性能應(yīng)用于娃橡膠中的優(yōu) 勢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，提供一種界面導(dǎo)熱材料硅橡 膠墊的制備方法，本發(fā)明能使具備超高導(dǎo)熱性能的碳材料在硅橡膠中定向排列，形成規(guī)則 的定向?qū)峋W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而得到具備超高導(dǎo)熱系數(shù)的產(chǎn)品。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下： 一種界面導(dǎo)熱材料硅橡膠墊的制備方法，其特征在于包括以下步驟： (1) 將10-300重量份的無機(jī)導(dǎo)熱粉末、1一10重量份的催化劑和1一10重量份由二甲基 硅油與含氫硅油組成的混合物加入到100重量份的硅橡膠中，捏合均勻后得到混煉膠； (2) 取10-90重量份具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的碳材料，將步驟(1)中得到的混煉膠填充到碳 材料中，得到復(fù)合材料； (3) 對復(fù)合材料進(jìn)行硫化，得到成品硅橡膠墊。
[0009] 所述硅橡膠為硅橡膠生膠、乙烯基硅油中的一種或兩種的混合。
[0010] 所述無機(jī)導(dǎo)熱粉末為金屬鋁粉、金屬銅粉、碳化硅、氮化硼、氮化鋁、氧化鋁中的一 種或多種的混合。
[0011] 所述催化劑為過氧化苯甲酸叔丁酯或2,5_二甲基-2,5_二叔丁基過氧化己烷，所 述催化劑中加入有粘度為500-5000mPa · s的二甲基硅油，催化劑與二甲基硅油的質(zhì)量百 分比為 1 一 10:10-100。
[0012] 所述的由二甲基硅油與含氫硅油組成的混合物中，含氫硅油與二甲基硅油的質(zhì)量 百分比為1 一20:20-100,其中，含氫硅油中的氫含量為0.1 - 0.5%，二甲基硅油的粘度為 500一5000mPa · s〇
[0013] 所述步驟(2)中三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的碳材料為石墨烯或碳纖維。
[0014] 所述石墨稀的厚度為0.5-10mm。
[0015] 所述步驟(3 )中的復(fù)合材料在烘箱中硫化，硫化溫度為120-180°C，硫化時(shí)間為 0.5-2h〇
[0016] 采用本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于： 一、本發(fā)明中，將混煉膠填充到具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的碳材料中，利用了碳材料本身具有 很高的導(dǎo)熱系數(shù)和具有天然的立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特性，相當(dāng)于能使碳材料在硅橡膠中定向排 列，并形成規(guī)則的定向?qū)峋W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而得到具備超高導(dǎo)熱系數(shù)的產(chǎn)品。并且，混煉膠中 的無機(jī)導(dǎo)熱粉末填充到三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的碳材料中，可以作為支撐材料增強(qiáng)硅橡膠墊的整體 物理強(qiáng)度，能夠很大限度的避免碳材料中的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞，且在捏合過程中還具有 一定的剪切作用，能夠讓無機(jī)導(dǎo)熱粉末均勻的形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并排列于碳材料形成的導(dǎo) 熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之間，如此能夠形成較完好的碳材料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與無機(jī)導(dǎo)熱粉末網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)交替排 列的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，有利于進(jìn)一步提升界面導(dǎo)熱材料硅橡膠墊的導(dǎo)熱效果。而加入的催化劑則 能夠加快硅橡膠的硫化速率，加入的由二甲基硅油與含氫硅油組成的混合物能夠顯著增強(qiáng) 硅橡膠墊的表面粘性，并降低其硬度。另外，本方法在工藝上僅涉及捏合、填充及硫化三個(gè) 步驟，具有制備工藝簡單和制備效率高等優(yōu)點(diǎn)。
[0017] 二、本發(fā)明中，硅橡膠為硅橡膠生膠、乙烯基硅油中的一種或兩種的混合，采用硅 橡膠作為原料，具有原料易得的優(yōu)點(diǎn)，有利于降低生產(chǎn)成本。
[0018] 三、本發(fā)明中，金屬鋁粉、金屬銅粉、碳化硅、氮化硼、氮化鋁和氧化鋁均具有較高 的導(dǎo)熱系數(shù)，采用上述其中一種或者多種的混合作為硅膠墊導(dǎo)熱填料時(shí)，既能夠?yàn)楣柘鹉z 墊的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)作支撐，又能進(jìn)一步增強(qiáng)導(dǎo)熱效果。
[0019] 四、本發(fā)明中，采用過氧化苯甲酸叔丁酯或2,5_二甲基-2,5-二叔丁基過氧化己作 為催化劑，相對于現(xiàn)有技術(shù)中的鉑系催化劑來說，能夠很大程度的節(jié)約生產(chǎn)成本。而在催化 劑中加入定量的二甲基硅油，一是為了增加硅橡膠墊產(chǎn)品的表面粘性，并降低其硬度;二是 可以作為催化劑的稀釋劑，使催化劑能夠更均勻地與硅膠結(jié)合，從而達(dá)到提高催化效果的 目的。
[0020] 五、本發(fā)明中，如果含氫硅油中的含氫量過高會使得硫化后的產(chǎn)品交聯(lián)過度，進(jìn)而 導(dǎo)致產(chǎn)品偏硬;而含氫量過低則會使得硫化后的樣品交聯(lián)程度不夠，進(jìn)而導(dǎo)致樣品強(qiáng)度不 夠。因此，含氫硅油中的氫含量設(shè)置為0.1 -0.5%，能使硫化后的產(chǎn)品的硬度適宜。
[0021] 六、本發(fā)明中，三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的碳材料采用石墨烯或碳纖維，利用了石墨烯或碳纖 維本身具有5200 W/m · K超高熱傳輸效率的特性，有利于進(jìn)一步提高硅橡膠墊的導(dǎo)熱效果， 同時(shí)還具有原料易得和成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。
[0022] 七、本發(fā)明中，石墨烯的厚度設(shè)置為0.5-10_，能使混煉膠的填充量、填充效率和 導(dǎo)熱系數(shù)得到達(dá)到最佳。
[0023]八、本發(fā)明中，復(fù)合材料在烘箱中硫化，硫化溫度為120-180°C，硫化時(shí)間為0.5- 2h，這樣的硫化方式能夠提高產(chǎn)品的硫化程度、硬度、回彈性、熱穩(wěn)定性等，從而使產(chǎn)品具有 更好的性能。
[0024] 九、本發(fā)明同現(xiàn)有專利技術(shù)相比較而言，采用本方法所制備的界面導(dǎo)熱材料硅橡 膠墊加工工藝簡單、高效，無需對導(dǎo)熱填料進(jìn)行預(yù)處理，對環(huán)境無污染，操作過程易于實(shí)現(xiàn)。
[0025] 十、本發(fā)明制備方法簡單，不采用偶聯(lián)劑對碳材料或無機(jī)導(dǎo)熱填料進(jìn)行偶聯(lián)處理， 可簡化生產(chǎn)工藝，節(jié)約生產(chǎn)成本，對環(huán)境無污染，并且可以進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 實(shí)施例1 一種界面導(dǎo)熱材料硅橡膠墊的制備方法，包括以下步驟： (1) 將10-300重量份的無機(jī)導(dǎo)熱粉末、1一10重量份的催化劑和1一10重量份由二甲基 硅油與含氫硅油組成的混合物加入到100重量份的硅橡膠中，捏合均勻后得到混煉膠； (2) 取10-90重量份具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的碳材料，將步驟(1)中得到的混煉膠均勻填充 到碳材料中，得到復(fù)合材料;其中，三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的碳材料為石墨烯或碳纖維，且為石墨烯 時(shí)，石墨稀的厚度為0.5-10mm； (3 )將復(fù)合材料放入烘箱中硫化，硫化溫度為120-180°C，硫化時(shí)間為0.5-2h，硫化完 成后得到成品硅橡膠墊。
[0027]其中，所述硅橡膠為硅橡膠生膠、乙烯基硅油中的一種或兩種的混合。所述無機(jī)導(dǎo) 熱粉末為金屬鋁粉、金屬銅粉、碳化硅、氮化硼、氮化鋁、氧化鋁中的一種或多種的混合。所 述催化劑為過氧化苯甲酸叔丁酯或2，5-二甲基-2，5-二叔丁基過氧化己烷，所述催化劑中 加入有粘度為500-5000mPa · s的二甲基硅油，催化劑與二甲基硅油的質(zhì)量百分比為1 一 10:10-100。所述的由二甲基硅油與含氫硅油組成的混合物中，含氫硅油與二甲基硅油的 質(zhì)量百分比為1 一20:20-100,其中，含氫硅油中的氫含量為0.1-0.5%，二甲基硅油的粘度 為500-5000mPa · s〇
[0028] 本實(shí)施例中，所述石墨烯為采用現(xiàn)有技術(shù)中公知的模板自組裝法、定向凝固法、三 維泡棉模板法或其他方法制備得到的具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的石墨烯。
[0029] 本實(shí)施例中，步驟(2)中采用自浸潤法或壓力浸潤法將混煉膠均勻填充到碳材料 中，兩種方法的具體實(shí)施過程為： 自浸潤法:將混煉膠置入模具中，然后將三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的碳材料放于混煉膠中，過一段 時(shí)間后，混煉膠自動進(jìn)入三維結(jié)構(gòu)碳材料中，達(dá)到填充均勻的效果。
[0030] 壓力浸潤法:將混煉膠置入模具中，然后將三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的碳材料放于混煉膠中， 再給模具一定的擠壓力，過一段時(shí)間后，混煉膠在外界壓力的驅(qū)動下均勻填充到三維結(jié)構(gòu) 碳材料中，達(dá)到填充均勻的效果。
[0031] 本實(shí)施例中，由于采用了具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的石墨烯或或碳纖維，因此能使具備 超高導(dǎo)熱性能的碳材料在硅橡膠中定向排列，并形成規(guī)則的定向?qū)峋W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，當(dāng)導(dǎo)熱墊 上下表面?zhèn)鬟f熱量時(shí)，通過該定向?qū)峋W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，就能夠快速地將熱量傳遞出去。
[0032] 實(shí)施例2 一種界面導(dǎo)熱材料硅橡膠墊的制備方法，包括以下步驟： (1)備料，準(zhǔn)備100g硅橡膠生膠、10g金屬鋁粉、lg過氧化苯甲酸叔丁酯和lg由二甲基硅 油與含氫硅油組成的混合物，備料完成后，將硅橡膠、無機(jī)導(dǎo)熱粉末、催化劑和由二甲基硅 油與含氫硅油組成的混合物加入到捏合機(jī)中捏合，捏合均勻后得到混煉膠。其中，催化劑中 加入有粘度為500mPa · S的二甲基硅油，催化劑與二甲基硅油的質(zhì)量百分比為1:10;在由二 甲基硅油與含氫硅油組成的混合物中，含氫硅油與二甲基硅油的質(zhì)量百分比為1:20，含氫 硅油中的氫含量為0.1%，二甲基硅油的粘度為lOOOmPa · s。
[0033] (2)先取10g具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的石墨烯，石墨烯的厚度為0.5mm，再將步驟（1)中 得到