一種各向異性導(dǎo)熱材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于導(dǎo)熱材料領(lǐng)域，具體涉及一種各向異性導(dǎo)熱材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]伴隨著近年來電子電器領(lǐng)域裝置的高集成度以及產(chǎn)品的小型化和多功能化，其產(chǎn)熱密度也增大，電子設(shè)備和電子部件的熱釋放已成為嚴(yán)重的問題，更高熱導(dǎo)率的材料隨著集成電路的快速發(fā)展變得越來越重要。特別是，在高速發(fā)展的移動(dòng)信息終端中出現(xiàn)了一個(gè)問題，即元件產(chǎn)生的熱足以引起低溫燃燒。因此，要求材料不僅能夠直接將熱傳遞至底盤，還要能控制電子設(shè)備和電子部件的材料中，除了現(xiàn)有的樹脂、陶瓷或金屬所具有的固有性能之外，還需要具有優(yōu)良導(dǎo)熱性能的新材料。而利用高分子聚合物材料和其它高導(dǎo)熱率材料制作復(fù)合材料是當(dāng)前研究的重點(diǎn)方向。
[0003]由于高分子聚合物材料是熱的不良導(dǎo)體，熱導(dǎo)率普遍較低，因此制備高散熱性的導(dǎo)熱絕緣材料顯得尤為重要。由于熱量需要電子、聲子和光子進(jìn)行傳遞，而高分子材料大部分是非導(dǎo)電了，且結(jié)晶度不高，晶格不完善，所以熱導(dǎo)率普遍較低，是熱的不良導(dǎo)體。目前，提高高分子材料的熱導(dǎo)率主要以下有兩種方法:一種本征型，即我們所熟知的導(dǎo)電高分子，這類高分子材料共同的特點(diǎn)是主鏈含有共軛結(jié)構(gòu)，通過電子迀移攜帶大量的能量實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞。另一種是填充型，將導(dǎo)熱填料如金屬、碳纖維與高分子基體進(jìn)行共混，熱量通過導(dǎo)入填料實(shí)現(xiàn)在材料中的傳遞。但是在將高導(dǎo)熱率材料添加到高分子材料中的過程中，存在很多問題，例如添加物發(fā)生凝聚、分散不均勻等。這種制作方法的得到的新型材料的熱導(dǎo)率并不是嚴(yán)格各向異性的，甚至很難保證得到的材料導(dǎo)熱性的方向性。以碳纖維添加入樹脂中為例，作為填料應(yīng)用的細(xì)碳纖維具有極易發(fā)生凝集的特點(diǎn)，因此難以使碳纖維分散到樹脂當(dāng)中，從而造成這樣的問題，即只有在大量添加纖維的情況下才能得到導(dǎo)熱性改善的效果。作為一大的混合比進(jìn)行碳纖維混合所造成的問題是，樹脂的熔體粘度顯著增大，因此無法進(jìn)行廣泛應(yīng)用于熱塑性樹脂的注射成形。只有用特定的成形方法才能進(jìn)行成形的事實(shí)構(gòu)成了使高熱導(dǎo)率樹脂的實(shí)用性和適用性低下的一個(gè)因素。因此，對于在高分子聚合物中添加高導(dǎo)熱率材料的多種研究就顯得尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004](一 )要解決的技術(shù)問題
[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:針對現(xiàn)有的通過在聚合物中添加高導(dǎo)熱率材料制作各向異性導(dǎo)熱材料的制作方法存在的不足，以及制作得到的導(dǎo)熱材料在進(jìn)行熱量的定向傳遞方面存在的問題，提供一種各向異性導(dǎo)熱復(fù)合材料。
[0006]本發(fā)明的另一目的是提供一種各向異性導(dǎo)熱材料的制備方法。
[0007]( 二)技術(shù)方案
[0008]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案為:
[0009]—種各向異性導(dǎo)熱材料，為液態(tài)金屬材料和高分子聚合物的復(fù)合材料，所述高分子聚合物具有內(nèi)嵌的流道，所述液態(tài)金屬材料填充在流道中。
[0010]其中，所述高分子聚合物為聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯PC、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA等可快速固化聚合物中的一種或多種；所述液態(tài)金屬材料為鎵、銦、汞、鈉、鉀、銫中的一種，或鎵、銦、汞、鈉、鉀、銫、錫中二種或多種組成的二元或多元合金中的一種。
[0011]液態(tài)金屬鎵銦合金、鎵銦錫合金及其它鎵基合金具有熔點(diǎn)低、熱導(dǎo)率高以及流動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)，特別是其導(dǎo)熱率更是遠(yuǎn)高出常規(guī)材料。而聚二甲基硅氧烷是一種廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)療、生物化學(xué)、芯片制作等的高分子材料，具有良好的流動(dòng)性、可塑性、可折疊性，是一種十分理想的基體材料。本發(fā)明用特殊的操作辦法將液態(tài)金屬添加到聚二甲基硅氧烷中得到一種各向異性導(dǎo)熱的復(fù)合材料。
[0012]其中，所述高分子聚合物具有多條內(nèi)嵌的流道，所述多條流道以平行直線、從一點(diǎn)輻射出的多條直線、同心圓、波紋狀曲線形狀中的一種或多種方式分布。
[0013]本發(fā)明提出的材料最大的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)熱量的定向傳遞，也就是說可以人為控制熱量的傳遞方向，并且按照熱量所需傳遞的方向進(jìn)行任意設(shè)計(jì)。
[0014]進(jìn)一步地，所述高分子聚合物具有的流道的高度為10ym-5mm，寬度為10 μ m-5mm，包圍流道的壁的厚度為10ym-5mm。
[0015]本發(fā)明所述各向異性導(dǎo)熱材料的制備方法，包括步驟:
[0016]步驟I)，選擇金屬鎵、銦、萊、鈉、鉀、銫、錫中的一種或多種，或其二元、多元合金，做為室溫液態(tài)金屬材料；
[0017]步驟2)，利用繪圖軟件設(shè)計(jì)所需流道結(jié)構(gòu)，所述流道的結(jié)構(gòu)以平行直線、從一點(diǎn)輻射出的多條直線、同心圓、波紋狀曲線形狀中的一種或多種方式布置；
[0018]步驟3)，將步驟2)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)打印得到膠片；
[0019]步驟4)，以步驟3)得到的膠片為掩膜，利用軟光刻(soft-1 ithography)的方法制作得到一面有步驟2)所設(shè)計(jì)的流道結(jié)構(gòu)圖形的片狀高分子聚合物；
[0020]步驟5)，將步驟4)得到的片狀高分子聚合物有流道結(jié)構(gòu)圖形的一面與另一片普通的片狀高分子聚合物通過鍵合，得到具有內(nèi)嵌流道的高分子聚合物，將步驟I)所得液態(tài)金屬材料灌注到流道中。
[0021]室溫下為液態(tài)的金屬材料也可以是共晶合金，采用室溫液態(tài)合金作為液態(tài)金屬材料，則所述步驟I)中，選擇金屬鎵、銦、汞、鈉、鉀、銫、錫中的二種以上，加熱至80_240°C，配制為室溫液態(tài)合金。
[0022]步驟2)設(shè)計(jì)得到的流道結(jié)構(gòu)中充填高導(dǎo)熱率的液態(tài)金屬，所以可以按照導(dǎo)熱量沿不同方向傳遞的預(yù)想來進(jìn)行設(shè)計(jì)。
[0023]進(jìn)一步地，所述步驟4)中，以膠片為掩膜，用光刻法制作帶有所設(shè)計(jì)流道結(jié)構(gòu)的硅片，將硅片帶有流道的一側(cè)的朝上，將液態(tài)高分子聚合物聚二甲基硅氧烷澆灌到硅片上，固化之后，即得到一面有流道結(jié)構(gòu)圖形的片狀高分子聚合物。
[0024]步驟4)中，具體可將硅片放在尺寸大小合適的培養(yǎng)皿中，并保持帶有圖案一側(cè)朝上，然后將液態(tài)聚合物澆灌到硅片上。等到液態(tài)聚合物固化之后，將其從硅片上揭下來，這樣就得到了帶有設(shè)計(jì)圖案的液態(tài)聚合物薄膜。然后通過鍵合技術(shù)得到帶有內(nèi)嵌金屬流道的液態(tài)聚合物薄膜，再接著將步驟I得到的液態(tài)金屬順著流道注入該薄膜中，封裝之后就得到了帶有內(nèi)嵌金屬的薄膜材料。
[0025]其中，所述步驟5)中，所述鍵合的方法為等離子處理法或者熱壓法。
[0026]所述步驟5)中，在具有內(nèi)嵌流道的高分子聚合物表面打孔，將步驟I)所得液態(tài)金屬材料通過孔灌注到流道中，最后利用705硅橡膠將灌注口進(jìn)行封裝固化。
[0027]本發(fā)明的有益效果在于:
[0028]本發(fā)明將金屬鎵、銦、汞、鈉、鉀、銫或其二元、多元合金的液態(tài)金屬，與柔性高分子聚合物通過一些操作手段進(jìn)行混合，得到各向異性導(dǎo)熱材料，可對熱量進(jìn)行定向傳遞，可大大提升高分子聚合物添加高導(dǎo)熱率制作復(fù)合材料的導(dǎo)熱方向性，從而較好滿足對于熱量定向傳遞材料的需求，且可以通過改變高分子聚合物的內(nèi)嵌流道布置方式及流道的尺寸得到不同的各向異性導(dǎo)熱率的復(fù)合材料，從而滿足更寬溫度范圍的使用。
[0029]本發(fā)明提出的材料中由于聚二甲基硅氧烷的熱導(dǎo)率與液態(tài)金屬熱導(dǎo)率差異很大，制作得到的薄膜材料的熱導(dǎo)率具有明顯的方向性，并且可以根據(jù)需要進(jìn)行多樣化設(shè)計(jì)，通過設(shè)計(jì)不同流道形狀達(dá)到控制熱量傳遞的目的。由于其方便制作，且容易控制高導(dǎo)熱率添加物與高分子聚合物的混合過程與混合結(jié)果，材料的導(dǎo)熱各向異性率范圍可以人為地在一個(gè)較大范圍調(diào)節(jié)，在微流控芯片、生物醫(yī)療檢測設(shè)備、低溫工程以及電子集成設(shè)備、封裝材料、等領(lǐng)域的電子芯片熱量傳導(dǎo)、熱量控制方面均可望發(fā)揮重要作用。
【附圖說明】
[0030]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的導(dǎo)熱材料結(jié)構(gòu)圖；
[0031]圖2是實(shí)施例1的薄膜材料俯視角度的照片，圖2(a)是將薄膜材料按照熱量沿著垂直于內(nèi)嵌流道方向布置；圖2(b)是將薄膜材沿著平行于內(nèi)嵌流道方向的布置。
[0032]圖3(a)、(b)分別是對應(yīng)于圖2(a)、(b)兩種傳熱方向的溫度分布圖。
[0033]圖4是本發(fā)明實(shí)施例2的導(dǎo)熱材料結(jié)構(gòu)圖；
[0034]圖5是本發(fā)明實(shí)施例3的導(dǎo)熱材料結(jié)構(gòu)圖；
[0035]圖6是本發(fā)明實(shí)施例4的導(dǎo)熱材料結(jié)構(gòu)圖。
[0036]圖中，1:柔性基體材料；2:內(nèi)嵌液態(tài)金屬流道；3:發(fā)熱區(qū)域；4:低溫區(qū)域。
【具體實(shí)施方式】
[0037]下面通過最佳實(shí)施例來說明本發(fā)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員所應(yīng)知的是，實(shí)施例只用來說明本發(fā)明而不是用來限制本發(fā)明的范圍。
[0038]實(shí)施例中，如無特別說明，所用手段均為本領(lǐng)域常規(guī)的手段。
[0039]本發(fā)明各向異性導(dǎo)熱材料的制作方法包括如下步驟:
[0040]步驟I)，選擇金屬鎵、銦、萊、鈉、鉀、銫或其二元、多元合金，通過加熱使金屬或者合金變成液態(tài)。
[0041]步驟2)，利用繪圖軟件設(shè)計(jì)所需定向?qū)岵牧辖Y(jié)構(gòu)，這里設(shè)計(jì)