[发明专利]一种含金刚石和液态金属的导热凝胶及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种含金刚石和液态金属的导热凝胶及其制备方法和应用，属于新材料及其应用技术领域。本发明利用简单的工艺，以金刚石、液态金属和常规填料配合使用作为导热填料，以乙烯基硅油为基体，制备了金刚石‑液态金属复合导热凝胶材料。复合材料中金刚石、液态金属和常规填料均匀分散，金刚石具有极高的本征导热系数，液态金属具有一定的流动性，可有效连接金刚石和常规填料形成相互连通的导热网络，并降低复合材料体系的粘度和硬度，制备的金刚石‑液态金属复合导热凝胶材料导热率可达10W/mK。此种金刚石‑液态金属复合导热凝胶材料制备工艺简单，可大规模工业化生产，可作为新型高效导热界面材料应用于电子设备散热。

技术领域

本发明涉及新材料及其应用技术领域，具体涉及一种含金刚石和液态金属的导热凝胶及其制备与应用。

背景技术

器件的微型化和高集成度在赋予电子产品更多功能、更高效率的同时，也使得电子产品中单位体积的工作功率大幅度提升，由此带来了严重的散热问题。电子元器件的耗散生热会直接导致电子设备温度的升高和热应力的增加，对微电子设备的工作可靠性造成严重威胁。工业界普遍认为未来电子产品发展的瓶颈不是硬件本身和散热设计，而是是否能制备有效的散热材料。在微电子器件和散热器之间存在极细微的凹凸不平的空隙，如果将两者直接安装在一起，它们之间的实际接触面积只有散热器底座面积的10％，其余均为空气间隙。因为空气热导率只有0.024W/mK，是热的不良导体，将导致电子元件与散热器间的接触热阻非常大，严重阻碍了热量的传导，最终造成散热器的效能低下。使用具有高导热性的热界面材料填充满这些间隙，排除其中的空气，在电子元件和散热器间建立有效的热传导通道，可以大幅度低接触热阻，使散热器的作用得到充分地发挥。

导热凝胶是以硅树脂为基材，添加导热填料按一定比例配置而成，并通过特殊工艺加工而成的膏状间隙填充材料，加热固化成高性能弹性体，随结构形状成型，具备最优异的结构适用性和结构件表面贴服特性。导热凝胶这种材料同时具有导热垫片和导热硅脂的某些优点，较好的弥补了二者的弱点，特别适合空间受限的热传导需求。常规的导热凝胶材料一般是将导热颗粒直接混合在有机聚合物基体中制得的复合材料。然后，由于常规导热填料的本征导热率较低以及导热填料之间互连程度有限，因此常规的导热凝胶材料的导热性能并没有得到很大提高。

研究表明，金刚石是一种由碳元素组成的矿物，是石墨的同素异形体。金刚石是自然界中热导率最高的物质，常温下热导率可达2000W/mK，热膨胀系数较低，且室温下绝缘。这表明了金刚石在散热领域具有巨大的应用潜力。然后，金刚石在导热凝胶中的应用面临两个技术瓶颈：(1)微米级金刚石表面光滑，化学官能团极少，与聚合物基体浸润效果差；(2)金刚石硬度较大，在导热凝胶的使用过程中容易划伤电子器件。因此，关于高导热金刚石导热凝胶的报道较少。液态金属指在一定温度下处于液态的低熔点合金。液态金属因其具有一定的流动性，可达到良好的浸润填充效果。此外，液态金属具有良好的本征热导率，可有效帮助电子器件散热。然而，当液态金属作为单一使用的导热界面材料时会出现两个技术问题：(1)液态金属流动性较好、容易泄露，当液态金属流动至其他部分的电子器件，容易造成短路等问题；(2)液态金属对一些常规金属有一定的腐蚀性、发生互溶现象，直接使用液态金属会对电子器件造成一定的损伤。因此，液态金属在界面导热材料领域的应用一直受到限制。

发明内容