一种高导热电绝缘硅橡胶垫片及其制备方法

1.本发明涉及导热材料技术领域，具体涉及一种高导热电绝缘硅橡胶垫片及其制备方法。


背景技术：

2.随着5g技术应用的普及，人们对于数据的计算、链接和传送等的要求越来越高，电子器件热管理已提升到决定芯片算力和处理能力的高度。简单来说，芯片的功耗越高，其算力性能也就越好，但同时其热流密度、发热量也就越大，也就需要得到更好的散热。
3.导热垫片是用于填充在电子元件与散热器之间，将电子元件发出的热量迅速传递到散热器的垫片。对于高性能芯片来说，导热垫片需要具有较高的导热率才能满足高性能芯片的散热需求。
4.目前，国内在导热垫片方面的研究颇多，如：《复合材料学报》，2022，39(07)报道了以冰模板法制备取向氮化硼@聚多巴胺/纳米银导热网络及其硅橡胶复合导热垫片，其横向热导率达到3.23w/m
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k，但随着5g技术应用的普及，其热导率已不足以满足高性能芯片的散热需求。
5.因此，亟需提供一种导热性更高的硅橡胶垫片，以作为电子器件的散热材料。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种导热性更高的硅橡胶垫片及其制备方法。
7.为了达到上述目的，本发明提供了一种高导热电绝缘硅橡胶垫片的制备方法，包括以下步骤：
8.步骤1，使用硅烷偶联剂对导热填料进行表面处理，再将表面处理后的导热填料加入硅橡胶基体中，混合均匀后得到导热硅橡胶混合物；
9.步骤2，将所述导热硅橡胶混合物涂覆在柔性衬底(如玻璃纤维布)两侧，120-140℃压延硫化成型得到所述高导热电绝缘硅橡胶垫片。
10.可选的，所述导热填料包括：多种不同粒径大小的导热填料颗粒，且导热填料颗粒的形状至少包括球状和片状。
11.可选的，上述导热填料颗粒包括：氧化铝颗粒及氮化铝颗粒，所述氧化铝颗粒呈球状，所述氮化铝颗粒呈球状和/或片状。
12.可选的，上述球形氧化铝颗粒的粒径为20-70μm，所述球形氮化铝颗粒的粒径为40μm，所述片状氮化铝颗粒的长度为2-5μm。
13.可选的，本发明提供的高导热电绝缘硅橡胶垫片的制备方法中，导热填料、硅橡胶基体、及硅烷偶联剂的质量比为(90-110):(9-11):1。
14.可选的，所述硅橡胶基体为聚二甲基硅氧烷，所述硅烷偶联剂为kh550和/或kh570。
15.可选的，步骤1中，导热填料与硅橡胶基体的混合方法为：按导热填料粒径由大到
小的顺序依次将导热填料加入硅橡胶基体中。
16.可选的，本发明提供的高导热电绝缘硅橡胶垫片的制备方法在步骤2后还包括对所述高导热电绝缘硅橡胶垫片进行二次硫化的步骤。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
18.(1)本发明解决了现有导热垫片热导率低的技术问题。本发明发明人发现常规导热垫片的制备方法(仅使用单一粒径导热填料颗粒与硅橡胶基体掺杂进行制备)，导热填料的填充量达到60-70wt％就已经饱和，即使再向其中加入导热填料，导热填料也无法填充进硅橡胶基体中。而导热填料无法进一步填充将直接导致导热垫片的热导率无法继续提高。
19.本发明通过在硅橡胶基体中添加不同粒径尺寸的导热填料，使大粒径填料占据填料的主要部分，剩余缝隙由小粒径填料进行填充，提高了导热填料的填充量，从而提高了硅橡胶垫片整体的导热能力，解决了现有导热垫片热导率较低的技术问题。
20.(2)现有导热垫片通常采用球状导热填料颗粒进行制备，由于球状填料颗粒横纵方向粒径相同，导热垫片在制备完成后，横纵单位长度上导热填料颗粒的含量几乎相同，因而导热垫片横向及纵向的热导率也几乎一致。
21.本发明通过在常规球状导热填料颗粒中引入了片状导热填料颗粒，在后续垫片压延成型时，片状导热填料颗粒会顺着压延方向延伸(即使是混料时片状填料颗粒是斜向的，压延时仍会逐步将片状填料颗粒压成顺压延方向延伸排列)，增加了压延方向(纵向)单位长度上导热填料颗粒的含量，因而制备完成的导热垫片纵向热导率将进一步提升，进一步提高了硅橡胶垫片整体的热传输速率。
22.(3)本发明的高导热电绝缘硅橡胶垫片通过在垫片内部添加柔性衬底玻纤布层，进一步提高硅橡胶垫片整体的力学性能。
23.(4)本发明高导热电绝缘硅橡胶垫片制备过程中，通过硅烷偶联剂对导热填料进行表面处理，具有以下优点：
24.①
氮化铝作为导热填料之一，其本身具有较高的热导率，但易发生水解，我们通过硅烷偶联剂改性技术，使氮化铝表面的羧基基团与硅烷偶联剂的x基团发生反应，在硅烷与氮化铝基体之间形成al-si共价键，在氮化铝颗粒表面形成保护层，有效地改善了氮化铝的抗水解性能，从而防止其水解引起硅橡胶垫片导热能力下降的问题；
25.②
本发明通过硅烷偶联剂对导热填料进行表面处理，使导热填料由亲水性表面转变成亲有机表面，使填料与有机硅基体的相容性更好，避免硅橡胶基体随填料的增加而急剧粘稠化，同时减少填料之间的相互团聚。
26.(5)本发明详细探究了填料之间最佳级配，并优化成型工艺条件，制备了低厚度和低界面热阻的导热垫片，在导热填料为90wt％时，导热率可以达到5.2w/m
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k，能满足5g时代下高性能芯片的散热需求。
附图说明
27.图1为球形氧化铝sem图。
28.图2为球形氮化铝sem图。
29.图3为片状氮化铝sem图。
30.图4为实施例1的高导热电绝缘硅橡胶垫片的实物图。图4的a图为实施例1的高导
热电绝缘硅橡胶垫片折叠状态下的实物图，图4的b图为实施例1的高导热电绝缘硅橡胶垫片展开状态下的实物图。
31.图5为实施例1的高导热电绝缘硅橡胶垫片的sem图。图5的a图为实施例1的高导热电绝缘硅橡胶垫片表面sem图，图5的b图为实施例1的高导热电绝缘硅橡胶垫片横截面sem图。
32.图6为实施例2的高导热电绝缘硅橡胶垫片热导率与作业温度的关系图。
33.图7为实施例2的高导热电绝缘硅橡胶垫片冷热循环一定时间后热导率变化图。
具体实施方式
34.以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
35.随着5g技术应用的普及，人们对于数据的计算、链接和传送等的要求越来越高，电子器件热管理已提升到决定芯片算力和处理能力的高度。导热垫片作为一种散热垫片，填充在电子元件与散热器之间，起到将电子元件发出的热量迅速传递到散热器的作用。导热垫片以硅橡胶基体作为主要制备原料，通过向硅橡胶基体中掺杂导热填料，制成具有较优导热性能的导热垫片。
36.现有导热垫片的热导率仅能达到3.23w/m
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k，已不能满足高性能芯片的散热需求，因而亟需提供一种导热性更高的硅橡胶垫片。为了解决此技术问题，本发明提供了一种高导热电绝缘硅橡胶垫片的制备方法，所述“高导热”指热导率大于4.9w/m
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k。本发明提供的高导热电绝缘硅橡胶垫片的制备方法具体包括以下步骤：
37.步骤1，使用硅烷偶联剂对导热填料进行表面处理；所述导热填料包括：多种不同粒径大小的导热填料颗粒，该导热填料颗粒包括：氧化铝颗粒及氮化铝颗粒；
38.现有导热垫片以单一粒径作为导热填料进行制备，导热填料的掺杂量达到60-70wt％就已经饱和，即使再向其中加入导热填料，导热填料也无法掺杂进硅橡胶基体中。而，导热填料无法进一步掺杂将直接导致导热垫片的热导率也无法提高。本发明通过在硅橡胶的基体中添加不同粒径尺寸的导热填料，使大粒径填料占据填料的主要部分，剩余缝隙由小粒径填料进行填充，提高了导热填料的掺杂量，从而提高了硅橡胶垫片整体的导热能力，解决了现有导热垫片热导率较低的技术问题。
39.步骤2，将步骤1表面处理后的导热填料加入硅橡胶基体中，混合均匀后得到导热硅橡胶混合物；
40.本发明先通过步骤1使硅烷偶联剂对导热填料进行表面处理，再将处理后的导热填料与有机硅橡胶基体混合，使得导热填料由亲水性表面转变成亲有机表面，填料与有机硅基体的相容性更好，避免硅橡胶基体随填料的增加而急剧粘稠化，同时减少填料之间的相互团聚。
41.步骤3，将所述导热硅橡胶混合物涂覆在柔性衬底(如玻璃纤维布)两侧，压延成型得到所述高导热电绝缘硅橡胶垫片。
42.本发明通过添加玻纤布层，利用玻纤布柔顺性能好的优点，以其作为补强材料，进一步提高了硅橡胶垫片整体的力学性能。
43.以下结合具体实施例说明。
44.实施例1
45.本实施例提供了一种高导热电绝缘硅橡胶垫片，制备原料包括以下组分：按质量份数计，道康宁184液体硅橡胶10份、偶联剂1份、球形氧化铝50份、球形氮化铝10份、片状氮化铝20份。
46.其中，道康宁184液体硅橡胶为双组份聚二甲基硅氧烷，a组分聚二甲基硅氧烷：b组分聚二甲基硅氧烷质量比为10:1，偶联剂为kh570，偶联剂官能团为甲基。
47.导热填料由d50为70μm的球形氧化铝、d50为20μm的球形氧化铝、d50为40μm的球形氮化铝，及d50长度为5μm的片状氮化铝组成。其中，70μm球形氧化铝：20μm球形氧化铝：40μm球形氮化铝：5μm片状氮化铝的添加质量比为8:2:3:6，导热填料为制备原料总质量的90％。
48.球形氧化铝sem图如图1所示，球形氮化铝sem图如图2所示，片状氮化铝sem图如图3所示。
49.本实施例高导热电绝缘硅橡胶垫片的制备方法如下：
50.(1)基体混合：按质量比为8:1的配比要求将ab双组份聚二甲基硅氧烷放入高速混料机中，抽真空5min，完全脱去气泡，以800r
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min-1
的速度搅拌5min至混合均匀，获得硅橡胶基体；
51.(2)填料混合搅拌：将导热填料与偶联剂混合进行表面处理，再将表面处理后的导热填料按粒径从大到小的顺序放入上述硅橡胶基体中，每次加入后按1200r
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min-1
的速度搅拌10min，搅拌过程同时抽真空。混合完成后得到混合均匀的导热硅橡胶混合物；
52.(3)压延一次硫化：将上述步骤(2)中得到的导热硅橡胶混合物涂覆在玻纤布两侧，再在外侧叠加离型膜，设置一定压强和时间进行压延，压延完成后得到样品。
53.(4)二次硫化：将上述样品置于鼓风干燥箱中，于50℃30min，100℃30min，150℃30min，200℃30min，共计2h进行二次硫化。
54.(5)裁切：将上述二次硫化后的样品根据需求裁切成指定的形状与尺寸，得到本实施例的高导热电绝缘硅橡胶垫片。该垫片的实物图如图4所示，sem图如图5所示。从图4可以看出，本实施例的高导热电绝缘硅橡胶垫片柔性较好，具有良好力学性能。
55.实施例2
56.本实施例提供了一种高导热电绝缘硅橡胶垫片，该垫片与实施例1的区别在于：原料中，聚二甲基硅氧烷的质量份数为8份。
57.如图6所示，本技术对本实施例制备的高导热电绝缘硅橡胶垫片的热导率与作业温度之间的关系进行探究，当作业温度在20-80℃时，本实施例硅橡胶垫片的热导率都可以达到3.5w/m
·
k以上。
58.如图7所示，本技术还对本实施例制备的高导热电绝缘硅橡胶垫片的热导率与作业冷热循环次数之间的关系进行探究，本实施例硅橡胶垫片分别在冷热循环-50℃与200℃下20次后，热导率仍能达到4.9w/m
·
k以上。
59.实施例3：
60.本实施例提供了一种高导热电绝缘硅橡胶垫片，该垫片与实施例1的区别在于：
61.制备原料中，球形氧化铝的质量份数为60份，球形氮化铝的质量份数为15份，片状氮化铝的质量份数为25份。
62.70μm球形氧化铝：20μm球形氧化铝：40μm球形氮化铝：5μm片状氮化铝的添加质量比为48:12:15:25。
63.本实施例使用的偶联剂官能团基团为氨基，偶联剂具体为kh550。
64.实施例4：
65.本实施例提供了一种高导热电绝缘硅橡胶垫片，该垫片与实施例1的区别在于：本实施例中，道康宁184液体硅橡胶的a组分聚二甲基硅氧烷：b组分聚二甲基硅氧烷质量比为12:1。
66.将上述实施例1-4制备的高导热电绝缘硅橡胶垫片使用激光热导仪lfa467测试热扩散系数，用dsc蓝宝石闪射法测试其比热容，用真密度仪测试其密度，根据公式λ＝a*ρ*c(其中λ为热导率、a为热扩散系数、ρ为密度、c为比热容)得到其导热率；用邵氏硬度计测量其硬度，用万能试验机测试断裂伸长率。具体测试结果详见表1。
67.表1实施例1-4得到产品的性能测试结果
[0068][0069]
由表1可知，本发明制备的高导热电绝缘硅橡胶垫片能够同时兼顾良好的导热性能和柔韧性能，热导率均在4.935w/m
·
k以上，硬度均低于78，可广泛应用于航空航天及电子设备热管理等领域。
[0070]
综上所述，本发明通过在硅橡胶的基体中添加不同粒径尺寸的导热填料，使大粒径填料占据填料的主要部分，剩余缝隙由小粒径填料进行填充，提高了导热填料的掺杂量。同时，本发明还在常规球状导热填料颗粒中引入片状导热填料颗粒，增加了垫片的纵向热导率，进一步提高了硅橡胶垫片整体的导热能力，解决了现有导热垫片热导率较低的技术问题。
[0071]
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

技术特征：
1.一种高导热电绝缘硅橡胶垫片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，使用硅烷偶联剂对导热填料进行表面处理，再将表面处理后的导热填料加入硅橡胶基体中，混合均匀后得到导热硅橡胶混合物；步骤2，将所述导热硅橡胶混合物涂覆在柔性衬底两侧，120-140℃压延硫化成型得到所述高导热电绝缘硅橡胶垫片。2.如权利要求1所述的高导热电绝缘硅橡胶垫片的制备方法，其特征在于，所述导热填料包括：多种不同粒径大小的导热填料颗粒，且导热填料颗粒的形状至少包括球状和片状。3.如权利要求2所述的高导热电绝缘硅橡胶垫片的制备方法，其特征在于，所述导热填料颗粒包括：氧化铝颗粒及氮化铝颗粒，所述氧化铝颗粒为球形氧化铝颗粒，所述氮化铝颗粒为球形氮化铝颗粒和/或片状氮化铝颗粒。4.如权利要求3所述的高导热电绝缘硅橡胶垫片的制备方法，其特征在于，所述球形氧化铝颗粒的粒径为20-70μm，所述球形氮化铝颗粒的粒径为40μm，所述片状氮化铝颗粒的长度为2-5μm。5.如权利要求1所述的高导热电绝缘硅橡胶垫片的制备方法，其特征在于，所述导热填料、硅橡胶基体、及硅烷偶联剂的质量比为(90-110):(9-11):1。6.如权利要求1所述的高导热电绝缘硅橡胶垫片的制备方法，其特征在于，所述硅橡胶基体为聚二甲基硅氧烷，所述硅烷偶联剂为kh550和/或kh570。7.如权利要求1所述的高导热电绝缘硅橡胶垫片的制备方法，其特征在于，所述柔性衬底为玻璃纤维布。8.如权利要求1所述的高导热电绝缘硅橡胶垫片的制备方法，其特征在于，步骤1中，导热填料与硅橡胶基体的混合方法为：按导热填料粒径由大到小的顺序依次将导热填料加入硅橡胶基体中。9.如权利要求1所述的高导热电绝缘硅橡胶垫片的制备方法，其特征在于，该制备方法还包括:在步骤2之后，对所述高导热电绝缘硅橡胶垫片进行二次硫化的步骤。10.一种高导热电绝缘硅橡胶垫片，其特征在于，采用权利要求1-9任意一项所述的高导热电绝缘硅橡胶垫片的制备方法制备得到。

技术总结
本发明公开了一种高导热电绝缘硅橡胶垫片及其制备方法，该制备方法包括以下步骤：步骤1，使用硅烷偶联剂对导热填料进行表面处理，再将表面处理后的导热填料加入硅橡胶基体中，混合均匀后得到导热硅橡胶混合物；步骤2，将所述导热硅橡胶混合物涂覆在柔性衬底两侧，120-140℃压延硫化成型得到所述高导热电绝缘硅橡胶垫片。本发明先通过硅烷偶联剂对导热填料进行表面处理，再将处理后的导热填料与有机硅橡胶基体混合，使得导热填料由亲水性表面转变成亲有机表面，填料与有机硅基体的相容性更好，避免硅橡胶基体随填料的增加而急剧粘稠化，同时减少填料之间的相互团聚。时减少填料之间的相互团聚。


技术研发人员：李奕怀 何志远 王元元 吴子华 谢华清
受保护的技术使用者：上海第二工业大学
技术研发日：2023.02.24
技术公布日：2023/7/25