[发明专利]一种聚合物基导热复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种聚合物基导热复合材料及其制备方法。以热塑性聚合物为基体、导热粒子和微球为填料，采用溶液混合法将热塑性聚合物和填料混合均匀，利用热压成型得到聚合物‑导热粒子‑微球三元导热绝缘复合材料。其优势在于微球紧密堆积于热塑性聚合物基体中、使得聚合物基体中的导热粒子形成三维有序的导热网络，该结构可降低导热粒子的填充量且能有效增加复合材料的热导率。本发明得到的聚合物基导热复合材料的热导率可达2.46W/(m·K)。该复合材料具有热导率高、电绝缘、密度低、成型方便等优点。

技术领域

本发明属于功能复合材料技术领域，具体涉及一种聚合物基绝缘导热复合材料及其制备方法。

背景技术

电子器件、光电子器件和医疗器件等在运行时会产生大量的热量(>5W/cm²)。不能及时散失的热量会发生累积，会严重影响器件的运行速度、效率和可靠性、甚至会发生器件烧坏的情况。目前，使用风扇或热沉(heat sink)等手段解决上述散热问题。但是随着器件的进一步小型化、高度集成、高性能化和集成电路3D组装等的技术发展，传统方法已经无法有效解决散热问题。必须将器件封装在导热聚合物基材料中或使用绝缘高导热的热管理材料。这类材料不仅要求具有高导热性能，保证有效地完成器件的散热，维持其稳定、高效运行；而且电绝缘，否则会发生漏电、甚至短路。

一般来说，电子封装用绝缘聚合物材料的热导率都不高[<0.5W/(m·K)]。提高绝缘聚合物材料的导热性能的途径有：1)提高树脂基体的本征导热性能；2)添加高含量的导热填料；3)减小界面热阻和4)构建连通导热网络。通过高倍拉伸或增强树脂的微观有序结构(结晶和晶粒大小)等途径等可提高导热性能，但其制备方法比较苛刻，无法在实际生产中大规模使用。通常需要添加大量导热填料(填充量为50vol％-80vol％)来获取热导率较高的树脂基复合材料。添加大量导热填料会严重影响复合材料的密度、流动性能、成型加工、力学性能和稳定性等，甚至无法成型加工。从实际应用来看，可通过构建连通导热网络等途径来进一步提高热导率。

吴宏等人(一种高分子基绝缘导热复合材料，吴宏，张晓朦，郭少云，张佳佳，徐昉等，CN107573564和一种兼具高效导热性和优异力学性能的高分子基绝缘导热复合材料，吴宏，张晓朦，郭少云，CN105175842)相继采用特殊的双向拉伸取向技术制备出导热粒子有序排列的聚合物基导热复合材料。因此，采用简单工艺制备出具有特殊结构的高导热聚合物基复合材料仍然是该领域急需解决的重要问题。

发明内容

本发明旨在解决的上述问题，提供一种聚合物基导热复合材料，本发明的另一目的是提供上述材料的制备方法。

本发明的技术方案为：以热塑性聚合物为基体、导热粒子和微球为填料，采用溶液混合法将热塑性聚合物和填料混合均匀，利用热压成型得到聚合物-导热粒子-微球三元导热绝缘复合材料。其优势在于微球紧密堆积于热塑性聚合物基体中、使得聚合物基体中的导热粒子形成三维有序的导热网络结构，该结构可降低导热粒子的填充量且能有效增加复合材料的热导率。本发明专利公开的聚合物基导热复合材料的热导率可达2.46W/(m·K)。该复合材料具有热导率高、电绝缘、密度低、成型方便等优点。

本发明的具体技术方案为：一种聚合物基导热复合材料，其特征在于所述的聚合物基导热复合材料由导热粒子、微球和热塑性聚合物三种组元构成，并且导热粒子有序分散于热塑性聚合物基体中，导热粒子/热塑性聚合物混合物分布于紧密堆积的微球间隙处，构建三维有序导热网络。

优选所述聚合物基导热复合材料中微球的质量含量为40％-60％，导热粒子的质量含量为20％-40wt％，热塑性聚合物基体的质量含量为10％-40％。

优选所述的热塑性聚合物为聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯或聚氨酯中的一种或两种。

优选所述的导热粒子为石墨、碳粉、石墨烯、碳纳米管、氮化硼、碳化硅、氧化钛、氧化铝、氧化锌或氮化铝中的一种或多种，其中至少含有一种线状或片状粒子。