[发明专利]改性石墨基功能填料、热界面材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种改性石墨基功能填料、热界面材料及其制备方法，其中，改性石墨基功能填料包括蠕虫状膨胀石墨，所述蠕虫状膨胀石墨表面具有化学活性镀层；所述化学活性镀层，用于引入活性基团以提高所述蠕虫状膨胀石墨的极性；所述热界面材料包括所述的改性石墨基功能填料及液态橡胶；解决现有热界面材料因无法达成柔性特征、导热性能及电磁屏蔽效能的多重耦合平衡以致其应用受限的问题。

技术领域

本公开涉及热管理功能材料，具体的是一种功能填料、应用该功能填料的热界面材料及其制备方法。

背景技术

由于5G移动通信技术与集成电路制造工艺进一步发展，现代化电子设备正朝着高工作频率与小型化趋势发展。但是高集成度伴随着高功率密度会加速核心电子设备的老化过程，并引发一系列热管理领域的严重问题。此外，部分射频芯片工作产生的复杂电磁波不仅会影响相邻电子模块的工作也会对人体健康产生危害，且因为目前多数电磁屏蔽材料通过将电磁波吸收反射并转化为热能的方式以达成电磁屏蔽目的，然而这类电磁屏蔽材料忽视了电磁能转化过程中产生的大量积热问题。即使能够达成电磁屏蔽要求，但转化而成的热能大量积聚，仍会对电子器件造成严重危害。所以，在考虑电磁屏蔽效能的同时亦需兼顾到材料的热管理性能，为此要求具体应用的材料具有高的热导率及抗电磁屏蔽性能。

相比于传统金属基电磁屏蔽材料和热管理材料，聚合物材料因其可加工性、轻质量、抗腐蚀性而吸引了大量关注。然而，聚合物的低本征热导率(0.1~0.5 W m^-1 K^-1)及低电磁屏蔽效能(10~20%)仍然从很大程度上限制了其在热管理及电磁屏蔽耦合领域的广泛应用。

第一方面，现有热管理材料在热管理方面存在的问题是，在材料的装配过程中因为材料特性而引发的装配热阻也是影响材料实际效果的一大重要因素。在实际应用中，当散热槽与热源设备直接接触时，由于不充分的粘接界面会产生大量微区空隙，由于空气热导率极低(约0.023 W m^-1 K^-1)，从而会产生不可忽略的界面热阻。

当前许多研究采用的树脂基材并不具有柔韧性与应用界面粘接性能，因此即使获得一定程度上导热的增强但仍未解决实际应用中由于装配产生界面热阻的核心问题。例如，环氧树脂类导热材料成型后不具有柔性特征，那么在装配过程中将无法保证散热槽与热源的充分接触，导致大量微区空隙无法有效填充，最终会极大程度影响实际热管理性能。因此，开发能够填充微区空隙的柔性热界面材料是解决这一问题较为实际的方案。

第二方面，现有热管理材料在抗电磁屏蔽方面， 较为通用的方法是采用在聚合物基质内引入功能填料从而提升导热性能与电磁屏蔽效能，但由于普通的混合熔融成型无法有效解决高界面热阻问题，且很难构建取向发达的层状填料网络用以提升热量传输效率与电磁屏蔽效能。因此，亟需开发兼具卓越导热性能与电磁屏蔽效能的柔性热界面材料用以高效解决集成电路元件积热耗散、高频电磁波污染及实际热界面应用粘接的多重耦合问题。

第三方面，当前热管理材料中使用的功能填料，部分研究采用化学气相沉积法、等离子体气相沉积法、冰模板法等工艺制备功能填料，但这些工艺技术由于成本高昂且工艺复杂因而无法大规模实际应用。尽管目前有一些研究尝试采用过渡金属碳氮化物(MXENE)用作功能填料以提升热界面材料的电磁屏蔽性能，但高纯度的过渡金属碳氮化物合成过程繁杂且成本极高，无法大量应用以协同增强热界面材料的导热性能。利用上述方法所得热界面材料大部分热导率低于20 W m^-1 K^-1同时缺乏理想的电磁屏蔽能力，因此很难满足当前对热界面材料轻质、高导热、高电磁屏蔽的多重需求。

第四方面，传统的机械搅拌混合很难将高粘度的高分子基体与功能填料均匀混合，实际操作过程中往往造成填料聚集且分布不均的问题，这在成型过程中将会造成纳微结构中存在大量空隙，引发微区界面缺陷从而导致材料整体力学性能的下降。

因此，上述各种技术难题导致了无法在热界面材料中获得柔性特征、导热性能及电磁屏蔽效能的多重耦合平衡。

发明内容