[发明专利]一种低热阻高导热石墨烯硅橡胶复合材料及其制备方法

说明书

本发明提出一种低热阻高导热石墨烯硅橡胶复合材料及其制备方法，由以下质量份的原料组分制备而成：(1)天然鳞片石墨粉2质量份；(2)还原剂10～50质量份；(3)酯类偶联剂40～100质量份；(4)硅橡胶100质量份；(5)固化剂2质量份；(6)氮化硼30质量份。该复合材料的界面热阻显著降低，导热性能显著提高，力学性能也明显改善。该复合材料生产工艺简单高效，成本低，适合大规模生产。

技术领域

本发明属于聚合物材料技术领域，具体涉及一种低热阻高导热石墨烯硅橡胶复合材料。

背景技术

随着对新一代电子器件和设备小型化、集成化和高速化要求的不断提高，热管理成为现代微电子制造领域的一个重要方面。热界面材料(TIMs)能有效地传导和散热，降低电子器件的工作温度，保证器件的最佳运行效率和使用寿命，因而对其需求很大。目前对聚合物导热复合材料的研究主要集中在高导热填料的挖掘上。单层石墨烯的导热系数高达5000W/(m·K)。石墨烯作为一种新型碳基纳米材料，因其优异的性能(如极高的导电性和机械强度、超高的比表面积等)而备受关注。微米级石墨烯薄片的超高比表面积可以实现与硅橡胶的大接触面积。但由于石墨烯薄片之间的强π-π堆积和范德华相互作用，使其总倾向于形成不可逆的团聚或重新堆积，因此，很难在硅橡胶中以规则有序的状态分散。当热流穿过填料与硅橡胶两者间的界面时，因界面处晶格周期中断，声子不能全部穿过界面，在界面两侧形成温度差，界面温度差与热流密度的比值称为接触界面热阻。石墨烯薄片的不可逆和重新堆积导致石墨烯与硅橡胶的接触比表面积较小，不规则的团聚也会造成两者间的界面热阻过大。片状氮化硼(h-BN)是一种导热系数较高的无机填料，因为其不具备游离电子，无法形成载流子作定向运动，所以片状氮化硼是高温绝缘材料，可与石墨烯气凝胶形成协同效应。

目前，在硅橡胶中建立三维互连石墨烯网络为制备高导热石墨烯基复合材料提供了新的策略。石墨烯薄片作为主要的砌块和交联在一起形成石墨烯的三维网络，具有相互连通的多孔结构、高比表面积、高孔容、导热以及对环境友好的特性。然而，目前市场上制备的立体三维结构存在冻干后体积收缩、三维网络坍塌等种种缺陷，与聚合物结合时也仍会存在较强的界面热阻。

为解决这一问题，采用酯类偶联剂对石墨烯气凝胶进行表面改性，使用片状氮化硼与硅橡胶(PDMS)进行共混从而构成“逾渗”网络，将其真空浸渍入经酯类偶联剂改性的石墨烯气凝胶中，酯类偶联剂能显著降低石墨烯和硅橡胶之间的界面热阻及声子散射，在降低界面热阻的同时石墨烯与氮化硼/硅橡胶体系可形成双“逾渗”网络，由此提高石墨烯硅橡胶复合材料的热导率。同时，酯类偶联剂在塑料加工过程中可降低合成树脂熔体的粘度，长链的缠绕还具有应力传递作用，产生自润滑作用，使粘度显着降低，改进加工工艺，提高产品的拉伸伸长性能。其用量一般为填充剂用量的0.5～2wt％。酯类偶联剂一般由两部分组成：一部分是亲无机基团，可与无机填充剂或增强材料作用；另一部分是亲有机基团，可与合成树脂作用。由于其亲有机部分是长链缠结基团，许多长链碳原子的存在将提高填料三维石墨烯与硅橡胶基体的相容性。通过EMT模型计算，酯类偶联剂的存在也可以降低石墨烯气凝胶与硅橡胶基体间的界面热阻。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种低热阻高导热石墨烯硅橡胶复合材料及其制备方法。本发明的目的是克服硅橡胶导热性能差的缺陷，改善石墨烯导热存在的纳米片团聚问题；改善三维石墨烯硅橡胶复合材料的成型工艺性能及界面热阻问题，使成型的制件具有良好的力学性能、耐热性能和导热性能；以天然鳞片石墨粉为原料，可成型有导热要求的工件；生产工艺简单，生产成本低，生产效率高，适合大规模生产。

为了达到上述目的，本发明将聚合物真空浸渍技术与酯类偶联剂改性三维石墨烯技术结合起来，制备一种以酯类偶联剂改性后的三维石墨烯结构作为填料的复合材料。本发明通过以下技术方案来实现：一种低热阻高导热石墨烯硅橡胶复合材料，由以下质量份的原料组分制备而成：

(1)天然鳞片石墨粉2质量份；

(2)还原剂10～50质量份；优选15～45质量份，更优选20～30质量份；