流淌型高导热绝缘硅脂的制备与性能研究

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随着电子设备日益密集化、微型化和精密化,尤其是电子设备中微处理器芯片随着设备尺寸的更新有不断变小的趋势,导致了电子电路中的热量聚集问题急剧增加。电子设备在使用期间产生大量热量,若不及时散发出去,将直接影响电子设备的可靠性和使用寿命。界面导热材料涂覆在发热体与散热设备之间的接触面上,对解决电子电路和电气设备中的热量聚集问题起到举足轻重的作用。目前界面导热材料的主要类型有导热硅脂、相变材料、聚合物填充材料、碳基复合材料。因导热硅脂具有优异的导热性能,良好的绝缘性、稳定性及可靠性,同时易于加工涂抹,后期容易清理,可在工作温度-50℃~250℃下长期使用并保持脂膏状态,对不同的热界面适应性良好,成为了界面导热材料的理想选择。导热硅脂在应用过程中,为满足其能在较低压力条件下充分接触表面空隙,使得接触面间的热阻最小,并在保证填满接触界面空隙的前提下用量越少的需求,期望导热硅脂具有尽可能好的流动性。因此,制备一款流淌型高导热绝缘导热硅脂具有很高的实用价值。本文以二甲基硅油为聚合物基体,γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷KH-570对粉体进行表面处理,研究了不同填料品种、用量及复配关系对导热硅脂性能的影响,综合分析测试结果,找到配方和硅脂性能的关系,制备了一款兼具高导热和绝缘性能的流淌型导热硅脂。本文的主要内容有:(1)研究了偶联剂处理导热填料对导热硅脂性能的影响。结果表明:使用质量分数1%的偶联剂KH-570(γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷)对导热填料处理效果最好,能够有效改善导热硅脂的渗油状况。(2)研究了填料的粒径、形貌对导热硅脂性能的影响。结果表明:在任一相同添加量的时候,角形Al2O3制备硅脂的导热系数均高于球形Al2O3,但角型Al2O3难以达到高填充量;球形比非球形颗粒具有更好的流动性,低表面积颗粒流动性比高表面积的颗粒更好;大粒径的填料比小粒径的填料所制备硅脂的导热系数更高。(3)研究了Al2O3与不同填料复配对导热硅脂性能的影响,包括不同粒径球形Al2O3之间的复配、球形Al2O3与Al N、BN、Si C、石墨烯、Al粉、Cu粉之间的复配。得到结论:球形Al2O3之间最佳的复配比例为6:3:1,当m(30μm):m(5μm):m(2μm)=6:3:1,油粉质量比为1:8时,制得硅脂导热率达到2.21 W/(m·k),粘度为30900m Pa·s;添加填料总量20%的Al N可以提高硅脂的导热系数同时降低硅脂的粘度;Zn O的添加对硅脂的渗油性起到极大改善;添加填料总量3%的Al可以降低硅脂粘度,使硅脂流动性变好;石墨烯和Al2O3具有协同效应,添加填料总量1%的石墨烯可显著增加硅脂导热系数。通过以上研究,最终按质量比配方二甲基硅油:2μm Zn O:5μm Al2O3:40μm Al2O3:2μm Al N:2μm Al:石墨烯=10.33%:7.23%:21.69%:43.39%:14.46%:2.17%:0.73%制备出一款流淌型高导热绝缘导热硅脂,其导热系数为3.46 W/(m·k),粘度为36700m Pa·s,体积电阻率为1.67×1014Ω·m,绝缘性优异。该硅脂流动性极好,满足丝网印刷的涂敷工艺,从而能够有效控制导热硅脂的厚度均匀度,达到更均匀更有效的散热效果。
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