[发明专利]含有纳米金刚石的热塑性热复合材料

说明书

发明领域

本发明涉及含有纳米金刚石的热塑性热复合材料。本发明还涉及制造含有纳米金刚石的热塑性热复合材料的方法，和含有纳米金刚石的热塑性热复合材料的用途。

背景技术

例如由电子器件和电路产生的热必须进行消散，以改进可靠性和阻止过早损坏。用于散热的技术可以包括散热器和用于空气冷却的风扇，和其他形式的冷却如液体冷却。取决于应用，散热器可以由金属或陶瓷材料制成，但是有时也由聚合材料制成。后者典型地构成像硅酮的导热油脂和环氧化物热界面材料，典型地用来将电路粘附到装置结构本身中。当在例如这种装置的外壳的情况中，还使用热塑性热复合材料用于遍及装置的整体热管理。聚合物材料不断增长的应用基于减少装置重量及其成本的简单事实。此外，热导率性塑料典型地以比例如铝更低的热膨胀系数(CTE)为特征，并且因而能够减少由于胀差引起的应力，这是因为塑料更紧密地匹配它们接触的硅或陶瓷的CTE。聚合物复合材料也提供对嵌入模内的功能性和部件整合的设计自由；并且它们能够消除昂贵的成品加工操作。但是，聚合材料的应用受到它们原本的热导率性能的限制，其典型地达到仅约0.2W/mK的热导率值。

例如，电子芯片的微型化已经变成集成电路研发的重要课题。因为电子元件的尺寸变得更小，并且它们的操作速度变得更快，在操作期间如何消散由电子元件产生的热从而保持其工作性能和稳定性已经成为研究重点之一。

在现有技术中，提供了用于改进热塑性聚合物热导率性能的几种方法。这些方法包括使用氮化硼、氧化铝、石墨、碳化硼和其他陶瓷材料作为用于改进热塑性聚合物热导率的添加剂。

典型地，热导率在材料的平面内和穿过平面测量，平面内传导率特征在于通常比穿过平面传导率具有更高的热导率。

热复合材料的电子性能可以通过选择介电或导电性填料添加剂来调节。典型地，添加剂总浓度开始于20％，并且可以大于80％。一些最先进的热复合材料可以含有上述填料中的几种。

现有的热塑性热导率存在上限，并且由于已经极高的填料含量，因而难以进一步提高这些上限。过多的填料含量对聚合物复合材料其他重要性能不利，其他重要性能例如机械性能。

因此，需要提高热塑性热导率而不增加填料的量。

纳米金刚石(ND)也称作超纳米晶体金刚石或超分散金刚石(UDD)，是一种独特的纳米材料，其可以通过爆轰合成来成百千克地生产。

爆轰纳米金刚石(ND)首先由来自USSR的研究者于1963年通过在非氧化性介质中具有负氧平衡的高爆炸性混合物的爆炸性分解来合成。典型的爆炸性混合物是三硝基甲苯(TNT)和黑索金(RDX)的混合物，并且优选的TNT/RDX重量比为40/60。

作为爆轰合成的结果，获得含金刚石的烟灰，也称作爆轰共混物。该共混物包含纳米金刚石颗粒，其典型地具有约2-8nm的平均粒度，和不同种类的非金刚石碳，其受到来自爆轰室的材料的金属和金属氧化物颗粒的污染。爆轰共混物中纳米金刚石的含量典型地为30-75wt％。

金刚石碳包含sp³碳，非金刚石碳主要包含sp²碳类，例如洋葱碳、碳富勒烯壳、无定形碳、石墨碳或其任意组合。

为了分离最终的含金刚石产物，应用由一系列复杂的化学操作组成，这些化学操作目的在于溶解或气化材料中存在的杂质。杂质通常为两种：非碳(金属氧化物、盐等)和非金刚石形式的碳(石墨、炭黑、无定形碳)。

目前，纳米金刚石在任何种类的聚合物中用于热管理应用的用途非常有限，仅限于某种硅酮材料。文献US2010/022423A1公开了纳米金刚石用于在聚合型油脂中增大热导率的用途。纳米金刚石导热油脂包含纳米金刚石粉末、热粉末和基质。纳米金刚石粉末具有5％-30％的体积百分比，热粉末具有40％-90％的体积百分比，基质具有5％-30％的体积百分比。纳米金刚石粉末和热粉末均匀分散在基质中，以形成纳米金刚石导热油脂。

基于上述，还急需提高所有热塑性聚合物材料的热导率，每当它们用于生成热的应用中时。