一种相变导热复合材料及其制备方法和应用

1.本发明涉及热管理材料技术领域，尤其涉及一种相变导热复合材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.研究表明，电子元器件的合适工作温度大多在-5～45℃之间，超出合理的温度范围，温度过高或过低都会导致电子元器件的运行效率降低或失效。例如，电动汽车动力电池必须在15～35℃的温度环境下才能发挥出最佳性能，温度高于35℃或低于15℃时，电池组的容量和能量会产生剧烈衰减，并可能发生短路等危险。集成电路芯片的合适工作温度大多是10～40℃，超过或低于这个温度范围都会造成芯片的效率降低、失效，甚至造成损毁。因此，电子元器件的热管理设计不仅仅是解决散热问题，还要考虑低温环境下的保温。然而，目前所用的热管理材料(如芯片封装用的热界面材料、电池封装用的灌封胶等)主要起到高温环境下的散热作用，并不能兼具低温环境下的保温作用。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种相变导热复合材料及其制备方法和应用，本发明提供的相变导热复合材料能够兼具高温散热和低温保温作用。
4.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
5.本发明提供了一种相变导热复合材料，包括增粘溶液和分散在所述增粘溶液中的导热填料；所述增粘溶液包括低共熔溶剂和增粘剂；所述低共熔溶剂的熔点为10～40℃；所述增粘溶液的粘度为500～5000mpa
·
s。
6.优选的，所述增粘剂包括凝胶剂或树脂。
7.优选的，所述凝胶剂包括烷基三甲基溴化铵；所述树脂包括环氧树脂或有机硅树脂。
8.优选的，所述导热填料包括石墨烯、碳纳米管、氮化硼、二氧化硅、碳化硅和氧化铝中的一种或多种；所述导热填料的质量为低共熔溶剂的2～30wt％。
9.优选的，所述相变导热复合材料还包括助剂；所述助剂包括阻燃剂和/或偶联剂。
10.优选的，所述阻燃剂包括氢氧化铝和/或氢氧化镁；所述阻燃剂的质量为低共熔溶剂的3～10wt％。
11.优选的，所述偶联剂包括硅烷偶联剂；所述偶联剂的质量为低共熔溶剂的5wt％以下。
12.本发明提供了上述方案所述相变导热复合材料的制备方法，包括以下步骤：
13.将低共熔溶剂与增粘剂进行第一混合，得到增粘溶液；所述低共熔溶剂的熔点在40℃以下；所述增粘溶液的浓度为500～5000mpa
·
s；
14.将所述增粘溶液与导热填料进行第二混合，得到相变导热复合材料。
15.优选的，所述相变导热复合材料包括助剂时，所述第二混合还加入助剂。
16.本发明提供了上述方案所述相变导热复合材料或上述方案所述制备方法制备得到的相变导热复合材料作为芯片封装的热界面材料或电池封装的灌封材料的应用。
17.本发明提供了一种相变导热复合材料，包括增粘溶液和分散在所述增粘溶液中的导热填料；所述增粘溶液包括低共熔溶剂和增粘剂；所述低共熔溶剂的熔点为10～40℃；所述增粘溶液的粘度为500～5000mpa
·
s。
18.本发明利用低共熔溶剂作为基体，通过增粘和导热改性，获得符合封装要求的相变导热复合材料；由于低共熔溶剂的相变温度可以调控在10～40℃之间，与电子元器件的合理使用温度范围相近，因此，可以通过低共熔溶剂的相变来控制相变导热复合材料与器件之间的接触热阻，进而控制热量的传递，达到高温散热与低温保温的效果，具体表现在：(1)当温度升高到发生固-液相变后，相变导热复合材料处于液态，其与器件之间的接触界面为液-固接触，接触热阻小，器件的热量可以通过相变导热复合材料传递出去，从而达到高温散热的目的；(2)当温度降低到发生液-固相变后，相变复合材料处于固态，其与器件之间的接触为固-固接触，固-固接触的界面会有空隙，导致接触热阻大，热量不能有效地传递，进而起到低温保温的作用。
19.本发明提供的相变导热复合材料可应用于芯片封装的热界面材料和电池封装的灌封材料等。
附图说明
20.图1为本发明的相变导热复合材料用于芯片封装的热界面材料结构示意图；
21.图2为本发明的相变导热复合材料用于电池封装的灌封材料结构示意图。
具体实施方式
22.本发明提供了一种相变导热复合材料，包括增粘溶液和分散在所述增粘溶液中的导热填料；所述增粘溶液包括低共熔溶剂和增粘剂；所述低共熔溶剂的熔点为10～40℃；所述增粘溶液的粘度为500～5000mpa
·
s。
23.在本发明中，所述低共熔溶剂优选通过氢键供体与氢键受体制备得到。本发明对所述氢键供体和氢键受体的具体种类和配比以及其他制备条件不做特殊要求，满足得到的低共熔溶剂的熔点为10～40℃即可。在本发明的实施例中，具体的：将氯化胆碱(氢键受体)和尿素(氢键供体)按照摩尔比为1:2进行混合，80℃下加热搅拌熔融，至得到均匀的溶液，即可得到满足要求的低共熔溶剂；或者将甜菜碱(氢键受体)和甲基脲(氢键供体)按照摩尔比为1:2进行混合，80℃下加热搅拌熔融，至得到均匀的溶液，即可得到满足要求的低共熔溶剂；或者将薄荷醇(氢键受体)和月桂酸(氢键供体)按照摩尔比为1:2进行混合，80℃下加热搅拌熔融，至得到均匀的溶液，即可得到满足要求的低共熔溶剂；或者，将四乙基氯化铵(氢键受体)和木糖醇(氢键供体)按照摩尔比为3:1进行混合，80℃下加热搅拌熔融，至得到均匀的溶液，即可得到满足要求的低共熔溶剂。
24.本发明通过控制低共熔溶剂的熔点在10～40℃，使相变导热复合材料在10～40℃范围内可以发生相变，与电子元器件的合理使用温度相匹配；当高于相变温度时，相变导热复合材料由固态转变为液态，避免温度的进一步升高，达到保护的作用；当温度降低到发生液-固相变后，相变复合材料处于固态，其与器件之间的接触热阻变大，热量不能有效地传
递，进而起到低温保温的作用。
25.在本发明中，所述增粘剂优选包括凝胶剂或树脂。所述凝胶剂优选包括烷基三甲基溴化铵；所述烷基三甲基溴化铵优选包括十二烷基三甲基溴化铵或十六烷基三甲基溴化铵。所述树脂优选包括环氧树脂或有机硅树脂；所述环氧树脂优选为双酚a型环氧树脂，更优选为e51；所述有机硅树脂的主要成分优选为聚二甲基硅氧烷。在本发明中，所述低共熔溶剂的粘度较低，无法满足封装要求，本发明利用增粘剂增加低共熔溶剂的粘度。本发明对所述增粘剂的用量没有特殊要求，满足增粘溶液的粘度为500～5000mpa
·
s即可。在本发明中，所述增粘溶液的粘度优选为1000～4500mpa
·
s，更优选为1500～4000mpa
·
s。在本发明中，当增粘溶液的粘度在上述范围时，增粘剂的用量为低共熔溶剂的5～15wt％。
26.在本发明中，所述导热填料优选包括石墨烯、碳纳米管、氮化硼、二氧化硅、碳化硅和氧化铝中的一种或多种；当所述导热填料包括上述物质中的多种时，本发明对各导热填料的配比没有特殊要求，任意配比均可。
27.在本发明中，所述导热填料的质量优选为低共熔溶剂的2～30wt％，更优选为5～25wt％，进一步优选为10～20wt％。本发明利用导热填料提升低共熔溶剂的导热性能。
28.在本发明中，所述相变导热复合材料的导热系数优选大于3w/mk。
29.在本发明中，所述相变导热复合材料中优选还包括助剂；所述助剂优选包括阻燃剂和/或偶联剂。在本发明中，所述阻燃剂优选包括氢氧化铝和/或氢氧化镁；所述阻燃剂的质量优选为低共熔溶剂的3～10wt％，更优选为4～9wt％，进一步优选为5～8wt％。在本发明中，所述偶联剂优选包括硅烷偶联剂，所述偶联剂的质量优选为低共熔溶剂的5wt％以下，更优选为1～5wt％，进一步优选为2～4wt％。在本发明中，所述偶联剂的作用是提升相变导热复合材料中各组分的相容性。
30.本发明提供了上述方案所述相变导热复合材料的制备方法，包括以下步骤：
31.将低共熔溶剂与增粘剂进行第一混合，得到增粘溶液；所述低共熔溶剂的熔点在40℃以下；所述增粘溶液的浓度为500～5000mpa
·
s；
32.将所述增粘溶液与导热填料进行第二混合，得到相变导热复合材料。
33.本发明将低共熔溶剂与增粘剂进行第一混合，得到增粘溶液。本发明优选将增粘剂加入到低共熔溶剂中。本发明对所述第一混合的过程没有特殊要求，能够将增粘剂均匀分散到低共熔溶剂中即可。
34.得到增粘溶液后，本发明将所述增粘溶液与导热填料进行第二混合，得到相变导热复合材料。本发明对所述第二混合的过程没有特殊要求，能够将填料均匀分散在增粘溶液中即可。
35.在本发明中，当所述相变导热复合材料还包括助剂时，本发明优选在第二混合时加入助剂。
36.本发明利用低共熔溶剂作为基体，通过增粘和导热改性，获得符合封装要求的相变导热复合材料；由于低共熔溶剂的相变温度可以调控在10～40℃之间，与电子元器件的合理使用温度范围相近，因此，可以通过低共熔溶剂的相变来控制相变导热复合材料与器件之间的接触热阻，进而控制热量的传递，达到高温散热与低温保温的效果，具体表现在：(1)当温度升高到发生固-液相变后，相变导热复合材料处于液态，其与器件之间的接触界面为液-固接触，接触热阻小，器件的热量可以通过相变导热复合材料传递出去，从而达到
高温散热的目的；(2)当温度降低到发生液-固相变后，相变复合材料处于固态，其与器件之间的接触为固-固接触，固-固接触的界面会有空隙，导致接触热阻大，热量不能有效地传递，进而起到低温保温的作用。
37.本发明提供了上述方案所述相变导热复合材料或上述方案所述制备方法制备得到的相变导热复合材料作为芯片封装的热界面材料或电池封装的灌封材料的应用。
38.下面结合实施例对本发明提供的相变导热复合材料及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
39.实施例1
40.(1)将氯化胆碱和尿素按照摩尔比为1:2进行混合，80℃下加热搅拌熔融，反应3小时后获得均一溶液，即低共熔溶剂，经测试，获得低共熔溶剂的熔点；(2)向低共熔溶剂中添加5wt％的环氧树脂，经充分分散后，得增粘溶液，并测试溶液的粘度；(3)向增粘溶液中添加占低共熔溶剂10wt％的氮化硼和3wt％的氢氧化铝，经充分分散后，得到相变导热复合材料；(4)按照如图1和图2所示的结构进行封装，并测试在不同环境温度下，器件的运行温度情况。
41.实施例2
42.(1)将甜菜碱和甲基脲按照摩尔比为1:2进行混合，80℃下加热搅拌熔融，反应3小时后获得均一溶液，即低共熔溶剂，经测试，获得低共熔溶剂的熔点；(2)向低共熔溶剂中添加10wt％的环氧树脂，经充分分散后，得增粘溶液，并测试溶液的粘度；(3)向增粘溶液中添加占低共熔溶剂2wt％的石墨烯与碳纳米管的复配体和5wt％的氢氧化铝，经充分分散后，得到相变导热复合材料；(4)按照如图1和图2所示的结构进行封装，并测试在不同环境温度下，器件的运行温度情况。
43.实施例3
44.(1)将薄荷醇和月桂酸按照摩尔比为1:2进行混合，80℃下加热搅拌熔融，反应2小时后获得均一溶液，即低共熔溶剂，经测试，获得低共熔溶剂的熔点；(2)向低共熔溶剂中添加15wt％的有机硅树脂，经充分分散后，得增粘溶液，并测试溶液的粘度；(3)向增粘溶液中添加占低共熔溶剂30wt％的氮化硼与二氧化硅的复配体和10wt％的氢氧化镁以及5wt％的硅烷偶联剂，经充分分散后，得到相变导热复合材料；(4)按照如图1和图2所示的结构进行封装，并测试在不同环境温度下，器件的运行温度情况。
45.实施例4
46.(1)将四乙基氯化铵和木糖醇按照摩尔比为3:1进行混合，80℃下加热搅拌熔融，反应2小时后获得均一溶液，即低共熔溶剂，经测试，获得低共熔溶剂的熔点；(2)向低共熔溶剂中添加5wt％的烷基三甲基溴化铵，经充分分散后，得增粘溶液，并测试溶液的粘度；(3)向增粘溶液中添加占低共熔溶剂20wt％的碳纳米管与氧化铝的复配体和4wt％的氢氧化铝与氢氧化镁的复配体以及2wt％的硅烷偶联剂，经充分分散后，得到相变导热复合材料；(4)按照如图1和图2所示的结构进行封装，并测试在不同环境温度下，器件的运行温度情况。
47.对比例1
48.以市售的导热灌封胶为封装热管理材料，并测试在不同环境温度下，器件的运行温度情况。
49.实施例中相关样品的熔点由差示扫描量热仪(dsc 6000pe)测试获得、样品的粘度由旋转粘度计(msk-sfm-vt8s)测试获得、样品的热导率由热导率测试仪(drl-3)测试获得，实施例和对比例中的器件运行温度由红外热像仪(flir t865)测试获得，相关测试数据列于表1中。
50.表1实施例1～4及对比例1中相关测试结果数据
[0051][0052]
由表1可知，按照本发明提供的制备方法所得到的相变导热复合材料不仅可以在温度较高时对器件起到散热的作用，还能在环境温度较低时，对器件起到保温的作用，使得器件的运行温度保持在相对合适的范围。
[0053]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种相变导热复合材料，其特征在于，包括增粘溶液和分散在所述增粘溶液中的导热填料；所述增粘溶液包括低共熔溶剂和增粘剂；所述低共熔溶剂的熔点为10～40℃；所述增粘溶液的粘度为500～5000mpa
·
s。2.根据权利要求1所述的相变导热复合材料，其特征在于，所述增粘剂包括凝胶剂或树脂。3.根据权利要求2所述的相变导热复合材料，其特征在于，所述凝胶剂包括烷基三甲基溴化铵；所述树脂包括环氧树脂或有机硅树脂。4.根据权利要求1所述的相变导热复合材料，其特征在于，所述导热填料包括石墨烯、碳纳米管、氮化硼、二氧化硅、碳化硅和氧化铝中的一种或多种；所述导热填料的质量为低共熔溶剂的2～30wt％。5.根据权利要求1所述的相变导热复合材料，其特征在于，所述相变导热复合材料还包括助剂；所述助剂包括阻燃剂和/或偶联剂。6.根据权利要求5所述的相变导热复合材料，其特征在于，所述阻燃剂包括氢氧化铝和/或氢氧化镁；所述阻燃剂的质量为低共熔溶剂的3～10wt％。7.根据权利要求5所述的相变导热复合材料，其特征在于，所述偶联剂包括硅烷偶联剂；所述偶联剂的质量为低共熔溶剂的5wt％以下。8.权利要求1～7任一项所述相变导热复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将低共熔溶剂与增粘剂进行第一混合，得到增粘溶液；所述低共熔溶剂的熔点在40℃以下；所述增粘溶液的浓度为500～5000mpa
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s；将所述增粘溶液与导热填料进行第二混合，得到相变导热复合材料。9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述相变导热复合材料包括助剂时，所述第二混合还加入助剂。10.权利要求1～7任一项所述相变导热复合材料或权利要求8或9所述制备方法制备得到的相变导热复合材料作为芯片封装的热界面材料或电池封装的灌封材料的应用。

技术总结
本发明提供了一种相变导热复合材料及其制备方法和应用，涉及热管理材料技术领域。本发明提供的相变导热复合材料包括增粘溶液和分散在所述增粘溶液中的导热填料；所述增粘溶液包括低共熔溶剂和增粘剂；所述低共熔溶剂的熔点为10～40℃；所述增粘溶液的粘度为500～5000mPa


技术研发人员：付绪兵 白树林 康磊
受保护的技术使用者：北京大学
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/8/2