一种新型非金属高导热复合材料

技术领域

本发明涉及以碳单质为功能填充的非金属导热散热材料及该材料的成型工艺；具体为采用一种材料复合预制技术，将碳单质、酚醛树脂充分混合并预制蓬松颗粒或料块，并通过一定外形的模具，在模具模腔中施加高温与高压，将预制颗粒/料块单独或结合其它结构材料，压缩固化成型。预制材料在高温高压状态下，进行化学反应的同时，质地由蓬松向致密转化，并形成高导热能力。

背景技术

现有铝合金材料被广泛设计与应用于导热散热体当中。金属通过其自由电子的运动，能将热量迅速通过电子运动传递传导，相较于普通的高分子有机材料，金属具备有更优良的导热性能，更好的延展加工性能。然而铝作为导热散热基础材料，在其加工的过程及使用中具有加工过程耗能巨大、加工环境差、污染严重、易爆炸等缺点，此外铝材的耐腐蚀性能差，需要经过表面处理才能长久使用，导致了高成本及高额的环保成本。目前绝大部分的表面处理，都存在环保隐患，需要集中管理，集中排放与环保处理。因此极大的增加了制作工艺的复杂性、工序成本、环保成本和管理成本。且铝的密度高达2.7g/cm3，在一些需要考虑轻量化的场合中，铝合金散热器的使用受到了限制，同时增加了运输成本和工程维护的成本。

发明内容

本发明提供了一种新型非金属高导热复合材料，以至少解决现有技术中普通高分子有机材料导热散热性能差的问题。

本发明提供了一种新型非金属高导热复合材料，所述高导热复合材料由下列重量份的原料组成：5~20重量份的碳单质纳米材料、30~45重量份的石墨微粉、50~80重量份的高分子树脂组成，所述碳单质纳米材料与石墨粉末的总量之和不超过高导热复合材料的50%。

进一步地，所述碳单质纳米材料为碳单质，所述碳单质在其最小单元的三维结构中，其中至少一维的尺度为0.1~100nm。

进一步地，所述石墨微粉的粒径为0.1um~10um。

进一步地，所述高分子树脂为酚醛树脂。

更进一步地，所述酚醛树脂的粒径为0.1~10um。

本发明还公开了上述高导热复合材料的制备方法，包括步骤如下：

步骤1：将酚醛树脂、碳单质纳米材料、石墨微粉混合均匀；

步骤2：将步骤1所得混合物加热至70~90℃，并进行高速搅拌混合；

步骤3：对步骤2所得混合物研磨，使混合物的颗粒粒径为3~10mm。

本发明还公开了应用上述高导热复合材料制备的散热器及其制备方法，包括步骤如下：

步骤1：选用散热器模具，并预热至130~180℃；

步骤2：将高导热复合材料放入模腔，模具合模，在高温高压下固化成型。

本发明相对于现有技术，通过采用碳单质纳米材料和石墨微粉，有效提高有机材料本身的导热性能，本比于传统的铝材质，应用本发明材料制作的散热器产品，其产品密度在1.4~1.85g/cm

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

本发明实施例的高导热复合材料由下列重量份的原料组成：5重量份的碳单质纳米材料、45重量份的石墨微粉、50重量份的酚醛树脂组成，其中，所述碳单质纳米材料为碳纳米管，所述石墨微粉的粒径为0.1um~10um，所述酚醛树脂的粒径为0.1~10um。

实施例2

本发明实施例的高导热复合材料由下列重量份的原料组成：20重量份的纳米碳粉、30重量份的石墨微粉、50重量份的酚醛树脂组成，其中，所述石墨微粉的粒径为0.1um~10um，所述酚醛树脂的粒径为0.1~10um。

实施例3

本发明实施例的高导热复合材料由下列重量份的原料组成：5重量份的碳纳米管、30重量份的石墨微粉、50重量份的酚醛树脂、15重量份的玻璃纤维组成，所述碳单质纳米材料为碳单质，所述石墨微粉的粒径为0.1um~10um，所述酚醛树脂的粒径为0.1~10um。

对照例1

本发明对照例的高导热复合材料由下列重量份的原料组成：5重量份的碳单质纳米材料、45重量份的石墨微粉、40重量份的高分子树脂组成，其中，所述碳单质纳米材料为碳纳米管，所述石墨微粉的粒径为0.1um~10um，所述酚醛树脂的粒径为0.1~10um。

对照例2

本发明对照例的高导热复合材料由下列重量份的原料组成：5重量份的碳单质纳米材料、20重量份的石墨微粉、80重量份的高分子树脂组成，其中，所述碳单质纳米材料为碳纳米管，所述石墨微粉的粒径为0.1um~10um，所述酚醛树脂的粒径为0.1~10um。

本发明实施例及对照例复合材料及其散热片的制备方法如下：

步骤1：将酚醛树脂、碳单质纳米材料、石墨微粉混合均匀；

步骤2：将步骤1所得混合物加热至70~90℃，并进行高速搅拌混合；

步骤3：对步骤2所得混合物研磨，使混合物的颗粒粒径为3~10mm；

步骤4：选用散热器模具，并预热至170~180℃；

步骤5：将高导热复合材料放入模腔，模具合模，在15MPa、170~180℃的条件下高温高压2小时固化成型。

对本发明实施例及对照例制备的散热器进行性能检测，具体结果如下表所示

本发明实施例1-3通过采用碳单质纳米材料和石墨微粉，有效提高有机材料本身的导热性能，极大的降低了产品的质量。同时，本发明实施例1-3应用的碳单质纳米材料和石墨微粉具有较好的耐腐蚀性能，大大提升了散热器在户外的适应性，并且不需要额外表面防腐处理，降低了生产成本。此外，本发明散热器的工艺条件，其温度方式都是在200℃以下，远远小于铝工业的高温，且材料本身都是惰性与稳定，几不容易被氧化，不存在安全隐患。

如上表所示，本发明实施例1-3相比于对照例2，具有良好的导热性能，能够有效实现散热器的散热功能。对照例1虽具有良好的导热率，但其由于碳单质纳米材料和石墨微粉添加量过高，导致散热器本身的稳定下下降，其抗折强度明显下降，无法进行长久使用。而本发明实施例3中通过添加玻璃纤维，在不明显降低导热率的前提下，有效提高其抗折强度，提升耐用性。且本发明所采用的酚醛树脂、碳单质纳米材料、石墨微粉均具有良好抗酸、碱、盐腐蚀性的能力，确保制成的散热器在恶劣环境下仍能正常使用。

本发明通过采用碳单质纳米材料和石墨微粉，研制一种非金属的高导热复合材料替换铝及其合金，并开发相应的成型工艺来替换原有铝制散热器的加工，从而提升散热器耐腐蚀能力、减轻散热器重量、降低散热器制造能耗、减少环保风险。本发明通过给模具施加极高的合模压力，使高导热复合材料形变按所设计模腔形状流动，并在流动过程中使预制颗粒/料块由蓬松的结构变为紧致构造，预制材料在高温高压下固化成型，实现高密度高导热的非金属散热器生产制备。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，技术人员阅读本申请说明书后依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均未脱离本发明申请待批权利要求保护范围之内。