[发明专利]一种基于石墨/聚合物复合结构的导热连接材料及制备方法

说明书

一种基于石墨/聚合物复合结构的导热连接材料，其特征在于它是由聚合物和石墨薄膜两部分组成，其体积百分比为石墨薄膜65～80%，聚合物20～35%。其中石墨相与聚合物呈平行关系。所制得的导热连接材料平面方向上热导率可达860.2 W/mK，而体积密度则可低至1.84 g/cm³。本发明具有密度小、导热系数高的优点。

技术领域

本发明涉及一种基于石墨/聚合物复合结构的导热连接材料及制备方法。

背景技术

随着大功率电子器件和集成电路的蓬勃发展发展，热管理成为电子行业中的一个共性问题。以发光二极管(LED)灯具为例，芯片处的温度与灯具的使用寿命直接相关。芯片处的温度每升高10℃，则LED灯具的使用寿命下降50％。再以航天飞行器所搭载的CCD相机为例，温度的升高不仅会影响CCD相机的处理速度，还会产生热应力畸变严重影响成像质量和精度。从热管理的角度来看，一个完整的电子器件可以分为三部分：即功率器件(热源)、封装层、热沉(散热器)。所谓热管理，则是要用各种有效的工程技术手段将功率器件产生的热量转移至散热器之外。在这个过程中，性能优异的热管理材料是实现有效热管理的物质基础。在形态众多、功能各异的热管理材料中，高导热材料占据着重要的地位。从功率的器件的封装、热沉到散热器，都希望材料具有较高的热导率，形成一个连续的导热路径。进而将热量从功率器件通过热传导的方式转移到散热器上。

封装层到热沉(散热器)之间的连接方式可以分为两种。一种是机械装配，这种方式的特点是热沉与散热器之间的距离很近，用螺栓等机械方式即可将封装层与散热器紧密装配。LED、消费电子产品(手机、平板电脑)等体积紧凑的电子产品多用这种连接方式。另一种是用导热连接材料，这种方式往往用于热沉与散热器距离较远，或者热沉与散热器有相对运动的情况。仍以空间飞行器搭载的CCD相机为例，功率器件CCD相机镜头与散热器之间的距离有月10厘米的距离。与此同时，CCD相机镜头在工作过程中会不断转动，这种情况需要用柔性导热连接材料将封装层与热沉连接起来。这种导热连接材料又被称为导热索。

导热连接材料必须同时具备高导热和高柔韧性的特点。传统的导热连接材料主要采用金属导热索。其材质多为纯铜或者铜合金，而形态主要是以金属细丝二维编织成的薄带。这种金属索的特点是导热率高(～400W/m·K)，也有一定的柔韧性，但是铜/铜合金密度较大(8.9g/cm³)，对于重量比较敏感的领域(如空间飞行器)，应用难度较大。同时金属材料容易发生氧化、腐蚀等现象，稳定性较差。因此研究者不断尝试将改性环氧树脂或其复合材料作为导热连接材料。主要采用在聚合物基体中加入导热填料提高其导热性能。由于炭/石墨材料或石墨材料具有质量轻、导热系数高的优点。常被用作导热材料的增强体，将其与高分子材料复合即可得到柔性的导热复合材料。L,Monica Veca等人采用纳米石墨来改善环氧树脂的导热性能，由于纳米石墨呈片状，导热填充物在复合材料有一定取向性，因此复合材料的热导率可达8W/mK。总体来看，这些复合材料导热系数相对比较低，与传统金属导热索相比差距还较大。另外其柔韧性也比较差。不具备实际应用的能力。

发明内容

本发明目的在于克服传统金属导热连接材料缺点，提供一种密度小、导热系数高的基于石墨/聚合物复合结构的导热连接材料及制备方法

碳石墨材料热导率可高达1000W/m·K以上，体积密度则仅为2.2g/cm³以下。缺点是力学性能较差，而聚合物虽然热导率不高，但是力学性能好，柔韧性高。本发明是将石墨材料与聚合物基体复合，达到取长补短的作用，制备出一种轻质、高导热、高柔韧性的导热连接材料。在石墨/聚合物复合材料中，石墨材料的热导率远高于聚合物，因此复合材料的整体热导率主要由石墨相来承担。增加石墨相的体积分数，改进石墨相的连续性，尽可能让石墨相规整排列都有利于提高石墨/聚合物复合材料的整体热导率。从材料设计的角度来看，要实现这一目标关键是要在复合材料中构筑中连续、平行的石墨导热通道，同时保证石墨与聚合物良好的界面结合。