一种低填充量高导热石墨烯/硅脂复合材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种低填充量高导热石墨烯/硅脂复合材料及其制备方法，该种导热硅脂是由功能化还原氧化石墨烯片填充硅油所制成的；所述复合材料的制备方法包括以下步骤：制备功能化还原氧化石墨烯片作为导热填料；将改性后的导热填料与二甲基硅油基体在双辊开炼机上充分混合，使得功能化还原氧化石墨烯片能够均匀地分散在硅油基体中；本发明提供的导热硅脂，能有效地避免高功率电子元器件发热体与散热装置之间的接触间隙，降低界面接触热阻，形成高效散热通道，加速热量传递；这对高功率电子元器件的封装散热具有很大益处，继而提高电子元器件产品的可靠性及其使用寿命，同时制备工艺简单。

说明书

技术领域

本发明涉及用于高功率电子元器件封装散热的一种低填充量高导热石墨烯/硅脂复合材料及其制备方法。 

背景技术

导热硅脂，也称导热膏，是一种高导热有机硅材料，可在-50℃～300℃温度下长期保持使用时的膏脂状态。在散热与导热应用中，即使是表面非常光洁的两个平面，在相互接触时都会有空隙存在，而空隙中的空气是热的不良导体，会阻碍发热体散发的热量向散热装置的传导。使用导热硅脂填充高功率电子元器件发热体（LED芯片、电脑CPU、大功率电源等）和散热基座（散热翅片、金属壳体等）之间的接触界面，帮助消除接触的空气间隙，增加热流通道，起导热媒介作用和防潮、防尘、防震、防腐蚀、耐辐射老化等性能，是极佳的热界面材料。 

目前，导热硅脂大多是由气相法制备的白炭黑、Al₂O₃、SiC、BN等填料与甲基硅油或者二甲基硅油机械混合而成。该方法制备的导热硅脂热导率相对较低，一般只有0.6～0.9W/(m·K)，产品性能相对较差。另一方面，由于金属氧化物的导热系数相对较低，使得制备的硅脂中，填料的填充量较大（100～1000份），这影响了硅脂的流动性，最终影响了其用于封装时的实际散热效果。此外，金属氧化物与硅油的相容性较差，使得导热硅脂中基体与填料间产生较大的热阻，最终影响导热硅脂的导热系数。 

纳米碳材料是具有高导热、高化学稳定性、低热膨胀系数、低密度、大比表面积等多项综合性能优异的导热填料。在众多纳米碳材料中，石墨烯具有高导热、 耐腐蚀、变形能力优异等特点，而被广泛应用于传导性热界面材料的制备。其中，石墨烯在热力学上结构稳定，且拥有突出的导热性能，可达金刚石的3倍。在常温下，石墨烯的热导率为5000W/(m·K)，是Cu热导率的十倍多，导热性能超过所有已知材料。自2004年发现及2010年获得诺贝尔奖以来，石墨烯引起了众多研究者的研究兴趣，其也因此广泛应用于导热材料的制备。 

基于上述原因，该发明采用真空低温热膨胀法制备还原氧化石墨烯，并利用硅烷偶联剂对其进行功能化改性，将改性后的填料在低填充量下填充二甲基硅油制备出新型导热硅脂。大幅度的减少了填料的填充量，进一步提升了导热硅脂的导热性能。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于高功率电子元器件封装散热的低填充量高导热石墨烯/硅脂复合材料及其制备方法。 

本发明所采用的技术方案是： 

本发明提供的一种低填充量高导热石墨烯/硅脂复合材料，该种导热硅脂是由功能化还原氧化石墨烯片填充硅油所制成的；其质量份数组成为：二甲基硅油100份，功能化还原氧化石墨烯片0.1～1.5份，硅烷偶联剂0.01～0.05份。 

所述二甲基硅油在温度为25℃时的粘度为100～1000cps。 

所述二甲基硅油在温度为25℃时的粘度优选为500±25cps。粘度太大，导热硅脂的加工性能变差。 

所述的硅烷偶联剂选自γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH-550）。导热填料与硅油基体的界面性质不同，其相容性差，本发明通过添加硅烷偶联剂对导热填料表面进行改性，增强其与硅油的相容性，提高分散性。 

本发明还提供一种所述的低填充量高导热石墨烯/硅脂复合材料的制备方法， 包括以下步骤： 

（1）还原氧化石墨烯片的制备：将5g天然鳞片石墨加入115ml浓硫酸中，搅拌均匀后加入15gKMnO₄，在3～5℃的低温恒温水浴中低速搅拌2.5小时，然后在30～35℃的恒温水浴中继续搅拌2小时，之后将恒温水浴温度升高到80℃继续搅拌；在60～70℃范围内，待样品颜色为棕红色时，匀速滴加250ml去离子水，此时样品颜色变为亮红色，然后匀速滴加50mlH₂O₂直至样品颜色完全变为金黄色为止；最后将获得的产物进行抽滤，用去离子水清洗至中性，然后超声振荡30分钟，于45℃下干燥72小时后，获得氧化石墨烯样品；将获得的氧化石墨烯样品研磨成粉末，在200℃条件下真空加热10分钟，即可获得还原氧化石墨烯片； 

（2）将0.01～0.05质量份数的硅烷偶联剂用95wt%的乙醇溶液溶解配置成25wt%的溶液，持续搅拌，待完全溶解后，加入0.1～1.5质量份数的还原氧化石墨烯，置于65℃水浴中，超声搅拌4小时；待溶剂蒸发完毕，置于蒸发皿中，放入干燥箱，在80℃下烘干12h，后在120℃下烘干2小时后，获得功能化还原氧化石墨烯片待用； 

（3）将100质量份数，25℃下粘度为100～1000cps的二甲基硅油置于双辊开炼机中，待硅油包辊后，加入0.1～1.5质量份数功能化还原氧化石墨烯片，在25℃下开炼30min，充分混合，最后收集混合物，陈化24h，最终获得低填充量高导热石墨烯/硅脂复合材料。 

步骤（1）中所述真空加热条件的真空度为-0.2～-0.6mPa， 

所述真空加热条件的真空度优选为-0.6mPa。 

本发明的有益效果： 

本发明制备的一种低填充量高导热石墨烯/硅脂复合材料选择新型碳纳米材料石墨烯作为导热填料，在低填充量（0.1～1.5wt%）条件下，并通过硅烷偶联剂对填料表面进行了改性，提高了导热填料与基体硅油的相容性及填料在硅油中的 分散性，提高了导热硅脂的导热性能，导热系数可达2.7W/(m·K)，降低了界面接触热阻，热阻值仅为0.68K/W，形成了有效的散热通道。本发明对于高功率电子元器件的封装散热有很大益处，能够提高电子元器件的可靠性和使用寿命，且本发明制备工艺简单，成本低廉，重复性好，非常适用于高功率电子元器件的封装散热材料。 

附图说明

附图1为本发明适用对象（以大功率LED灯具为例）的结构示意图。 

其中：1.LED灯具透镜，2.LED芯片模组，3.LED芯片基板，4.散热界面材料，5.LED散热装置，6.散热翅片。 

具体实施方式

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施如下： 

本发明的具体工艺步骤为： 

（1）还原氧化石墨烯片的制备：将5g天然鳞片石墨加入115ml浓硫酸中，搅拌均匀后加入15gKMnO₄，在3～5℃的低温恒温水浴中低速搅拌2.5小时，然后在30～35℃的恒温水浴中继续搅拌2小时，之后将恒温水浴温度升高到80℃继续搅拌；在60～70℃范围内，待样品颜色为棕红色时，匀速滴加250ml去离子水，此时样品颜色变为亮红色，然后匀速滴加50mlH₂O₂直至样品颜色完全变为金黄色为止；最后将获得的产物进行抽滤，用去离子水清洗至中性，然后超声振荡30分钟，于45℃下干燥72小时后，获得氧化石墨烯样品；将获得的氧化石墨烯样品研磨成粉末，在200℃条件下真空加热10分钟，即可获得还原氧化石墨烯片； 

（2）将0.01～0.05质量份数的硅烷偶联剂用95wt%的乙醇溶液溶解配置成 25wt%的溶液，持续搅拌，待完全溶解后，加入0.1～1.5质量份数的还原氧化石墨烯，置于65℃水浴中，超声搅拌4小时。待溶剂蒸发完毕，置于蒸发皿中，放入干燥箱，在80℃下烘干12h，后在120℃下烘干2小时后，获得功能化还原氧化石墨烯片待用。 

（3）将100质量份数，25℃下粘度为500±25cps的二甲基硅油置于双辊开炼机中，待硅油包辊后，加入0.1～1.5质量份数功能化还原氧化石墨烯片，在25℃下开炼30min，充分混合，最后收集混合物，陈化24h，最终获得功能化还原氧化石墨烯片填充硅油的导热硅脂复合材料。 

（4）以大功率LED灯具为例，测试本发明所制备导热硅脂实际使用情况。结合附图1，将上述导热硅脂均匀的涂抹于LED芯片基板3与散热装置5之间的间隙处。 

（5）通过测量LED芯片基板3与散热装置5的实时温度，计算两者之间的温度差来评估制备的导热硅脂在高功率电子元器件封装散热上的传热能力及热阻。 

实施例1～5导热硅脂按质量份数组成及制备过程中的工艺参数如表1所示。 

表1导热硅脂组成及制备工艺参数 

  实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 二甲基硅油 100 100 100 100 100 功能化还原氧化石墨烯片 0.1 0.3 0.5 1.0 1.5 硅烷偶联剂KH550 0.01 0.01 0.02 0.03 0.05 混合时间（分钟） 30 30 30 30 30 混合温度（℃） 25 25 25 25 25

按照实施例1～5所述配方，在如上所述的工艺条件下，制备得到实施例1～5所述膏状导热硅脂。并对实施例1～5导热硅脂进行性能测试，结果如表2所示。 

表2导热硅脂性能测试 

通过Hotdisk热常数分析仪对导热硅脂热导率进行测定，通过大功率LED灯具实测说明实际运用效果。最终结果表明，功能化还原氧化石墨烯片填充二甲基硅油制备的导热硅脂能够具有较高的热导率和很好的热传导性能，非常适用于高功率电子元器件封装散热。