一种导热绝缘碳纤维硅胶垫片及制备方法与流程

2021-02-02 15:02:16|

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本发明涉及高导热绝缘材料技术领域，具体涉及一种导热绝缘碳纤维硅胶垫片及其制备方法。

背景技术：

5g时代的来临，电子芯片工作频率不断升高，热流密度不断增大，电子设备的发热量大幅度上升。这些热量如果不能及时传递到冷却端散发出去，就会导致设备出现故障，降低设备使用寿命。为了解决这个问题，热界面材料应运而生，然而传统的热界面材料导热系数低主要集中在1-6w，难以满足高热量传导需求。

碳纤维具有密度小，力学性能优异，热膨胀系数小，导热导电好，各向异性，耐高温，耐疲劳等优良的性能，已经被广泛应用于航空航天，国防军工和民用工业等高科技领域。碳纤维是一种各项异性材料，在轴向具有超高的热导率，可以达到600-1300w/mk,当碳纤维在硅胶中有序排列后，可以在较小的填充量下显著提升硅胶的热导率，同时保持了硅胶良好的力学和机械性能。目前市场上已经用碳纤维材料和硅胶材料复合制备导热系数比较大的碳纤维导热硅胶垫片，但该碳纤维导热硅胶垫片制备工艺复杂，产品稳定性差，而且不绝缘，在应用过程易造成短路，影响电子设备的正常运行。

技术实现要素：

针对现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种导热绝缘碳纤维硅胶垫片，提高该导热绝缘碳纤维硅胶垫片的导热系数，以满足热流密度大、绝缘要求高的高导热绝缘应用场景的需要。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种导热绝缘碳纤维硅胶垫片，包括衬底，所述衬底为碳纤维导热硅胶垫片，所述碳纤维导热硅胶垫片具有上表面和下表面，所述上表面和下表面分别刮涂氮化硼分散液形成沿着刮涂方向平行地排列在碳纤维导热硅胶垫片上表面和下表面的至少一层氮化硼纳米绝缘层。

作为进一步优选的方案，本发明所述的碳纤维导热硅胶垫片由以重量份计算的以下原料制备而成：碳纤维200～800重量份，导热粉体100～1500重量份，硅油80～150重量份，偶联剂0.5～2重量份，固化剂1～4重量份，抑制剂0.1～1重量份以及催化剂1～4重量份。

作为进一步优选的方案，本发明所述的碳纤维的直径为5～25μm，长度为30～500μm。

作为进一步优选的方案，本发明所述的导热粉体为氧化铝，氧化锌，氧化镁，氮化铝，石墨片，石墨烯，铝粉，铜粉，银包铝粉等中的一种或两种以上混合；所述导热粉体的平均粒径为1～20μm。

作为进一步优选的方案，本发明所述的氮化硼分散液由以重量份计算的以下原料制备而成：氮化硼纳米片30～80重量份，含氢硅油0.5～3重量份，可挥发的有机溶剂100～300重量份，偶联剂100～300重量份，抑制剂0.1～0.8重量份和催化剂1～3重量份。

作为进一步优选的方案，本发明所述的可挥发的有机溶剂为乙醇，异丙醇，环己烷，乙酸乙酯，四氯化碳，醋酸甲酯等中的一种或两以上种混合。

作为进一步优选的方案，本发明所述的偶联剂为含有乙烯基官能团的硅烷偶联剂；所述固化剂为含氢硅油；所述抑制剂为乙炔基环己醇；所述催化剂为铂金催化剂。

本发明还提供了一种导热绝缘碳纤维硅胶垫片的制备方法，该制备方法包括

制备混合基料的步骤：按照配方量将碳纤维、导热粉体、硅油、偶联剂、固化剂、抑制剂加入到均质机里混合均匀，然后再将催化剂加入进行均匀混，得到混合基料；

制备导热硅胶胚体的步骤：将上述混合基料加入到自动点胶机中的储胶桶，将储胶桶和基料一起放置真空箱里进行抽真空处理，抽真空结束了后，将储胶桶安装到自动点胶机上，开启设备，按照预定程序将混合基料按照预定方向排列在固定模具里，排列好混合基料和模具一同放入烤箱进行固化，制得导热硅胶胚体；

切割导热硅胶胚体步骤：使用切割设备将上述导热硅胶胚体切割，切割方向与预定方向之间的夹角为50～90度，得到碳纤维导热硅胶垫片；

制备氮化硼分散液的步骤：按照配方量将含氢硅油、可挥发的有机溶剂、偶联剂、抑制剂和催化剂在常温下进行搅拌，待氮化硼分散均匀后制得氮化硼分散液；

刮涂氮化硼分散液的步骤：利用刮涂设备将上述氮化硼分散液涂覆在碳纤维导热硅胶垫片上表面，加热固化后形成沿着刮涂的方向平行地排列在碳纤维导热硅胶垫片上表面的氮化硼纳米片；然后按照同样的步骤在碳纤维导热硅胶垫片下表面刮涂氮化硼分散液，经过加热固化后，形成沿着刮涂的方向平行地排列在碳纤维导热硅胶垫片下表面的氮化硼纳米片，得到导热绝缘碳纤维硅胶垫片。

作为进一步优选的方案，本发明所述的自动点胶机为具有x、y、z三个坐标轴的移动点胶机，通过预设程序使混合基料沿着x、y、z三个坐标轴的中一个轴方向重复点胶，在另外两个轴方向的移动装置的配合下，将基料有序的填充到固定的容器内。

作为进一步优选的方案，本发明所述的制备导热硅胶胚体的步骤中，混合基料的挤出速度可以设置为5～25cm/min。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明所述的导热绝缘碳纤维硅胶垫片采用碳纤维导热硅胶垫片作为衬底，具有较高的导热系数，导热绝缘碳纤维硅胶垫片的上下表面形成多层相互平行的至少一层氮化硼纳米绝缘层，能有效提高垫片的绝缘性能，同时由于至少一层氮化硼纳米绝缘层同时也平行于碳纤维导热硅胶垫片，增强了碳纤维导热硅胶的平均热效果。

2.本发明所述的导热绝缘碳纤维硅胶垫片的制备方法中，通过刮涂设备刮涂后，经过加热固化，偶联剂、固化剂、以及不饱和官能团的相互作用下发生交联反应，在碳纤维导热硅胶垫片表面形成至少一层氮化硼纳米绝缘层与碳纤维导热硅胶垫片牢牢结合在一起，提高导热绝缘碳纤维硅胶垫片的力学性能。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的构思和产生的技术效果进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所采用的设备和原料等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。

本发明所述的导热绝缘碳纤维硅胶垫片，包括衬底，所述衬底为碳纤维导热硅胶垫片，所述碳纤维导热硅胶垫片具有上表面和下表面，所述上表面和下表面分别刮涂氮化硼分散液形成沿着刮涂方向平行地排列在碳纤维导热硅胶垫片上表面和下表面的至少一层氮化硼纳米绝缘层。在本发明中，由于氮化硼是一种绝缘性能好的二维片状材料，通过平行排列的方式一方面可以增强产品的强度，另一方面也可以与碳纤维衬底充分接触，起到良好的绝缘效果。

由于碳纤维强度高，而且导热性能好，耐腐蚀性能优良，在导热材料中作为增强剂。在本发明的研究中发现，碳纤维的长度会影响碳纤维导热硅胶垫片的导热效果，碳纤维长度太短，碳纤维与硅胶混合达不到良好的导热效果，碳纤维长度太大，碳纤维在硅胶中的分散效果不好。因此，作为进一步优选的方案，本发明所述的碳纤维的直径为5～25μm，长度为30～500μm。优选的本发明采用沥青基碳纤维，

作为进一步优选的方案，本发明所述的导热粉体可以选自但不限于氧化铝，氧化锌，氧化镁，氮化铝，石墨片，石墨烯，铝粉，铜粉，银包铝粉等中的一种或两种以上混合；上述的导热粉体中，氧化铝、氧化锌或者银包铝粉具有良好的填充性能，因此在本发明中，进一步优选的，采用氧化铝、氧化锌或者银包铝粉作为导热粉体。由于导热粉体的粒径不仅影响硅胶导热系数，还会影响碳纤维在硅胶中的分散性和排序。因此，在本发明中所采用的导热粉体的平均粒径为1～20μm。为了实现碳纤维良好的排序，优选1～10μm。

作为进一步优选的方案，本发明所述的氮化硼分散液由以重量份计算的以下原料制备而成：氮化硼纳米片30～80重量份，含氢硅油0.5～3重量份，可挥发的有机溶剂100～300重量份，偶联剂100～300重量份，抑制剂0.1～0.8重量份和催化剂1～3重量份。进一步优选的方案，所述氮化硼纳米片50～75重量份，所述含氢硅油1～2重量份，所述可挥发的有机溶剂150～225重量份，所述偶联剂165～255重量份，所述抑制剂为0.3～0.5重量份，所述催化剂1.5～2.5重量份。

作为进一步优选的方案，本发明所述的可挥发的有机溶剂为乙醇，异丙醇，环己烷，乙酸乙酯，四氯化碳，醋酸甲酯等中的一种或两以上种混合。

作为进一步优选的方案，本发明所述的偶联剂为含有乙烯基官能团的硅烷偶联剂。

在本发明中，固化剂的添加有利于改善优选的本发明采用的固化剂为含氢硅油，本发明具体实施中可选择但不限于甲基含氢硅油和乙基含氢硅油，但是由于甲基含氢硅油性质活泼，作为硅橡胶的固化剂使用时，固化时间短，固化条件不易控制，而乙基含氢硅油作为固化剂时反应条件温和，更易控制，因此在本发明中，最佳的选择是采用乙基含氢硅油作为固化剂。含氢硅油的反应活性与含氢量有关，表现为含氢量越高，反应活性越高，固化时间越短，但是但反应活性过高，高容易造成固化不均匀，影响材料的使用性能。因此，在本发明中，优选的，含氢硅油中含氢质量分数范围为0.03～0.25％。

本发明所采用的抑制剂为乙炔基环己醇。所述催化剂为铂金催化剂，优选的，铂金的含量为1500～5000ppm，进一步优选的，铂金的含量为1500-2500ppm。优选的，所述硅油为甲基硅油、乙基硅油、苯基硅油、甲基含氢硅油、甲基苯基硅油、甲基氯苯基硅油、甲基乙氧基硅油、甲基三氟丙基硅油、甲基羟基硅油、乙基含氢硅油、羟基含氢硅油、甲基乙烯基硅油硅油中的一种或两种以上混合。在本发明中，硅油的粘度会影响粉体在硅油中的填充效果，粘度太低，粉体的填充效果不好，粘度太大，粉体的填充比例下降，影响材料的导热系数，且还会导致成型困难和加工成本的提高。因此，本发明所采用的硅油的粘度范围为30～5000mpa.s，优选的粘度为50～2000mpa.s。

本发明还提供了一种导热绝缘碳纤维硅胶垫片的制备方法，该制备方法包括

切割导热硅胶胚体步骤：使用切割设备将上述导热硅胶胚体切割，切割方向与预定方向之间的夹角为50～90度，得到碳纤维导热硅胶垫片；

在均质过程中，均质机的转速主要影响粉体在硅胶中的混合状态和效率，转速慢，易导致混合不均匀，进而影响导热系数的稳定性。因此，作为优选的方案，本发明所述的均质机转速为500～10000rpm，优选1000～3500rpm，混合时间为5～30min。

在本发明中，抽真空处理主要是为了除去产品内的空气，提升产品的导热，降低因为气孔存在导致的不合格率；而且抽真空的过程中的真空度已经抽真空的时间会影响垫片的致密性，从而影响垫片的导热性能。因此，作为优选的方案，所述的制备导热硅胶胚体的步骤中，抽真空处理时，真空度小于-0.01mpa，抽真空时间为5～20分钟。固化程序温度设置为50～150℃，这是因为当固化温度温度小于50℃，导热绝缘碳纤维硅胶垫片的硫化时间加长，影响生产效率，固化温度大于150℃，溶剂挥发太快，导热绝缘碳纤维硅胶垫片中间易产生孔洞，造成废品率上升。固化时间设置为1～12h，优选1-5h。

由于搅拌时间和搅拌机转速影响粉体的分散，易导致产品的导热性能不稳定性。因此，在本发明中，作为优选的方案，所述的搅拌机转速为300～8000rpm，搅拌时间为10～25min。

作为进一步优选的方案，本发明所述的自动点胶机为具有x、y、z三个坐标轴的移动点胶机，通过预设程序使混合基料沿着x、y、z三个坐标轴的中一个轴方向重复点胶，在另外两个轴方向的移动装置的配合下，将基料有序的填充到固定的容器内。在点胶的过程中，混合基料的挤出速度可以设置为5～25cm/min，这是因为挤出速度低于5cm/min会影响产品的生产效率，高于25cm/min，挤出的基料易变形，影响排序状态；所述的固定容器为中空的正方体或者长方体模具，为了便于移动，使用铝质的材料。

在上述制备方法中，所述切割导热硅胶胚体步骤中，通过调整切割方向由与点胶方向之间的夹角，可以得到不同厚度的高导热硅胶垫片。预定的方向既可以是y轴方向，也可以是x轴方向，亦或是z轴方向。

实施例1

本实施例提供了一种高导热碳纤维导热硅胶垫片，制备方法包括如下步骤：

(1)称量碳纤维300g，碳纤维直径14μm，长度100μm；氧化铝1000g，粒径10μm；乙烯基硅油100g,粘度为1500mpa.s，乙烯基三甲氧基硅烷偶联剂3g，含氢硅油1g，含氢量为0.17％；乙炔基环己醇0.1g，将以上原材料加入到均质机里进行混合，均质机的转速为3000rpm，混合时间为10分钟；然后加入铂金催化剂1.2g,铂金含量为2500ppm，继续混合5min得到粘度为80000mpa.s的基料。

(2)将步骤(1)中制备的混合基料加入到自动点胶机的储胶桶里，将储胶桶和基料一起放置真空箱里进行抽真空处理，去除掉基料里的空气；其中，真空度要小于-0.01mpa，抽真空时间为10分钟。抽真空结束了后，将储胶桶安装到具有x、y、z三坐标轴的自动点胶机上，开启设备，通过设置程序，可以使得混合基料沿着y轴方向重复点胶，在x、z轴移动装置的配合下，将基料有序的填充到铝制的中空正方形体模具；在自动点胶挤出的过程中，基料的挤出速度为15cm/min。

(3)将步骤(2)排列好基料和模具一同放入烤箱进行固化，固化温度为110℃，固化时间为3h，制得高导热硅胶胚体。

(4)使用含有超声波切割刀的设备对步骤(3)的高导热碳纤维硅胶胚体进行切割，为实现一个精确，平整的切割；所述超声波发生器的频率为20khz,振幅为50μm，超声波切割刀的方向与碳纤维排序方向相同的y轴方向存在45度夹角，设置不同的切割厚度，即可得到不同厚度规格的碳纤维导热硅胶垫片。

实施例2

本实施例提供了一种高导热碳纤维导热硅胶垫片，制备方法包括如下步骤：

(1)称量碳纤维410g，碳纤维直径14μm，长度100μm；氧化铝1150g，粒径10μm；乙烯基硅油108g,粘度为1500mpa.s，乙烯基三甲氧基硅烷偶联剂3.5g，含氢硅油1g，含氢量为0.17％；乙炔基环己醇0.15g，将以上原材料加入到均质机里进行混合，均质机的转速为3000rpm，混合时间为12分钟。然后加入铂金催化剂1.3g,铂金含量为2500ppm，继续混合5min得到粘度为86000mpa.s的基料。

(2)将步骤(1)中制备的混合基料加入到自动点胶机的储胶桶里，将储胶桶和基料一起放置真空箱里进行抽真空处理，去除掉基料里的空气。其中，真空度要小于-0.01mpa，抽真空时间为10分钟。抽真空结束了后，将储胶桶安装到具有x、y、z三坐标轴的自动点胶机上，开启设备，通过设置程序，可以使得混合基料沿着y轴方向重复点胶，在x、z轴移动装置的配合下，将基料有序的填充到铝制的中空正方形体模具。在自动点胶挤出的过程中，基料的挤出速度为13cm/min。

(3)将步骤(2)排列好基料和模具一同放入烤箱进行固化，固化温度为110℃，固化时间为3h，制得高导热硅胶胚体。

(4)使用含有超声波切割刀的设备对步骤(3)的高导热碳纤维硅胶胚体进行切割，为实现一个精确，平整的切割.超声波发生器的频率为20khz,振幅为50μm，超声波切割刀的方向与碳纤维排序方向相同的y轴方向存在45度夹角，设置不同的切割厚度，即可得到不同厚度规格的碳纤维导热硅胶垫片。

实施例3

本实施例提供了一种高导热碳纤维导热硅胶垫片，制备方法包括如下步骤：

(1)称量碳纤维500g，碳纤维直径14μm，长度100μm；氧化铝1260g，粒径10μm；乙烯基硅油118g,粘度为1500mpa.s，乙烯基三甲氧基硅烷偶联剂4g，含氢硅油1.5g，含氢量为0.17％；乙炔基环己醇0.15g，将以上原材料加入到均质机里进行混合，均质机的转速为3000rpm，混合时间为15分钟。然后加入铂金催化剂1.3g,铂金含量为2500ppm，继续混合5min得到粘度为94000mpa.s的基料。

(3)将步骤(2)排列好基料和模具一同放入烤箱进行固化，固化温度为110℃，固化时间为3h，制得高导热硅胶胚体。

实施例4

本实施例是在实施例1的基础上进行的，提供了一种具有绝缘性能的碳纤维导热硅胶垫片，具体制备方法如下:

(1)称取氮化硼纳米片35g，粒径为60nm；异丙醇300ml，含氢硅油0.8g，含氢量为0.17％，乙烯基三甲氧基硅烷偶联剂0.5g；乙炔基环己醇0.05g，将以上原材料加入到烧杯在常温下进行搅拌，搅拌机转速为1000rpm，搅拌时间为11min。随后再加入铂金催化剂0.5g，继续搅拌5min，制得氮化硼分散液。

(2)将实施例1制备的2mm碳纤维导热硅胶垫片作为衬底，利用自动涂布机将上述步骤所述的氮化硼分散液涂覆在碳纤维导热硅胶垫片上表面，涂覆厚度为0.3μm，加热110℃，使得异丙醇全部挥发完全，氮化硼纳米分散液沿着刮涂的方向平行地排列在碳纤维导热硅胶垫片的上表面，氮化硼纳米分散液中的乙烯基三甲氧基硅烷会和高导热碳纤维导热硅胶垫片表面存在的不饱和基团以及含氢硅油发生交联反应，从而使得氮化硼纳米层和碳纤维导热硅胶垫片紧密地结合在一起，形成一层氮化硼纳米片绝缘层。

(3)按照上述步骤(2)方法对碳纤维导热硅胶垫片的下表面也涂覆厚度一致的氮化硼纳米绝缘层，然后加热，硫化形成一层状的氮化硼绝缘层，即制得具有高导热绝缘的碳纤维导热硅胶垫片。

实施例5

本实施例是在实施例2的基础上进行的，提供了一种具有绝缘性能的碳纤维导热硅胶垫片，具体制备方法如下:

(1)称取氮化硼纳米片45g，粒径为60nm；异丙醇320ml，含氢硅油0.85g，含氢量为0.17％，乙烯基三甲氧基硅烷偶联剂0.6g；乙炔基环己醇0.05g，将以上原材料加入到烧杯在常温下进行搅拌，搅拌机转速为1150rpm，搅拌时间为13min。随后再加入铂金催化剂0.5g，继续搅拌5min，制得氮化硼分散液。

(2)将实施例2制备的2mm碳纤维导热硅胶垫片作为衬底，利用自动涂布机将上述步骤所述的氮化硼分散液涂覆在碳纤维导热硅胶垫片上表面，涂覆厚度为0.45μm，加热110℃，使得异丙醇全部挥发完全，氮化硼纳米分散液沿着刮涂的方向平行地排列在碳纤维导热硅胶垫片的表面，氮化硼纳米分散液中的乙烯基三甲氧基硅烷会和高导热碳纤维导热硅胶垫片表面存在的不饱和基团以及含氢硅油发生交联反应，从而使得氮化硼纳米层和碳纤维导热硅胶垫片紧密地结合在一起，形成一层氮化硼纳米片绝缘层。重复该步骤3次，使得表面存在3层氮化硼纳米片。

(3)按照上述步骤(2)方法对碳纤维导热硅胶垫片的下表面也涂覆三层厚度一致的氮化硼纳米绝缘层，即制得具有高导热绝缘的碳纤维导热硅胶垫片。

实施例6

本实施例是在实施例3的基础上进行的，提供了一种具有绝缘性能的碳纤维导热硅胶垫片，具体制备方法如下:

(1)称取氮化硼纳米片63g，粒径为60nm；异丙醇350ml，含氢硅油0.95g，含氢量为0.17％，乙烯基三甲氧基硅烷偶联剂0.8g；乙炔基环己醇0.05g，将以上原材料加入到烧杯在常温下进行搅拌，搅拌机转速为1200rpm，搅拌时间为15min。随后再加入铂金催化剂0.7g，继续搅拌5min，制得氮化硼分散液。

(2)将实施例2制备的2mm碳纤维导热硅胶垫片作为衬底，利用自动涂布机将上述步骤所述的氮化硼分散液涂覆在碳纤维导热硅胶垫片上表面，涂覆厚度为0.55μm，加热110℃，使得异丙醇全部挥发完全，氮化硼纳米分散液沿着刮涂的方向平行地排列在碳纤维导热硅胶垫片的表面，氮化硼纳米分散液中的乙烯基三甲氧基硅烷会和高导热碳纤维导热硅胶垫片表面存在的不饱和基团以及含氢硅油发生交联反应，从而使得氮化硼纳米层和碳纤维导热硅胶垫片紧密地结合在一起，形成一层氮化硼纳米片绝缘层。重复该步骤5次，使得表面存在5层氮化硼纳米片。

(3)同理，按照上述步骤(2)方法对碳纤维导热硅胶垫片的下表面也涂覆5层厚度一致的氮化硼纳米片绝缘层，即制得具有高导热绝缘的碳纤维导热硅胶垫片。

对上述的实施例进行导热测试和耐击穿电压测试，测试结果如下表1。

表1：实施例1-6性能测试结果

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