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)