[发明专利]一种具有三明治结构柔性导热薄膜/聚合物复合材料制备方法

说明书

本发明公开了一种具有三明治结构柔性导热薄膜/聚合物复合材料制备方法。利用折纸技术将柔性导热薄膜设计三明治结构界面，灌入导热基体材料后得到一种高效热界面材料。该制备方法的关键利用致密结构降片层堆叠产生的界面热阻，三明治结构水平界面的设计可以改善点热源处热量聚集起到良好的均温效果。本发明制备的复合材料具有上下水平宏观界面，竖直方向具有垂直柔性导热薄膜的特殊定向结构，可以充分发挥柔性导热薄膜在平面方向的优异性能，解决界面处局部热点与热传导问题，可作为热界面材料应用于热管理领域。

技术领域

本发明属于热界面材料领域，涉及一种高性能热界面材料的构筑方法，具体涉及一种具有三明治结构柔性导热薄膜/聚合物复合材料制备方法。

背景技术

目前，全球78个国家182家运营商都已经启动了5G建设或者正在进行5G网络测试，有些国家甚至已经实现了5G在部分地区的试商用。5G时代的大幕已经徐徐打开，而对于5G时代来说最显著的特点是高功率下发热量显著增加。目前华为5G芯片消耗的功率将是4G调制解调器的2.5倍，需要更好的散热模块以防过热。为实现散热管理，通常对芯片等器件加装高性能的散热部件，常用散热器件包括：高导热基板、翅片及换热器等，基本上，所有热管理技术都是基于固-固界面接触进行设计。由于材料本身或后期加工等不可避免因素造成的发热部件与散热器件表面的不平整性，大大的影响了发热部件与散热器件直接的接触，当界面无填充的情况下，两个界面以点接触的方式相互接触，根据形貌学方面的研究，这些接触点的总面积不足表观接触面积的0.01～0.1％，剩余部分为空气填充间隙。空气的热导率极低(约为0.026Wm^-1K^-1)，当热量传递时，界面位置的热量只能依靠界面处微接触点进行传导，由于导热通道截面先后经历急剧缩小和急剧扩大两个过程，会发生热流线收缩现象，在交界面产生明显的温度降，会对热量传输产生较大的附加阻值，即接触热阻。早在1822年，开始了对界面位置传热的研究，傅里叶(Fourier)发现固体材料能够通过表面向周围空气等传递热量，1835年，泊松(Poisson)等人开展了界面处热流的研究，发现两种材料界面位置处存在一定的温度降，并提出了泊松长度的概念，即现在人们熟知的卡皮查(Kapitza)长度。此前大部分界面研究只关注到了界面处温度降低的现象，并未提及界面热阻问题，直到1936年，基萨母(Keesom)认为界面位置处存在界面热阻并且接触界面的热阻有可能会非常大，不可忽略。1941年，当时Kapitza对液氮和铜表面之间的接触热阻进行了研究，测量了靠近液氮与固体界面位置处的温度降，这种温度降低由材料界面间的热阻产生，称为Kapitza热阻。当界面位置存在较大的接触热阻时，热流传输受阻，发生严重堆积，粗糙界面只能通过空气或热辐射的形式传递到散热器件，十分影响器件稳定性。接触热阻的问题在科学研究与工程实践中，越来越得到重视，除电子技术外，宇航、航空、核反应工程、化工、机电、传热设备等工程上都需要减少热阻来增大热通量，建立良好的导热，因此解决界面间空隙问题产生的热阻，加强散热是十分必要的。

石墨烯具有超高面内热导率，但这些二维材料的特殊形态结构，使其具有高度各向异性，因此如何高效的利用这些材料优异的性能，是目前研究与应用的难点。一般，碳纳米管或碳纤维由于缺少相互作用，需要引入粘结剂来制备预制体，粘结剂的引入降低了导热填料的增强效果；作为石墨烯的衍生物——氧化石墨烯具有良好的分散性，可实现三维预制体的组装及液相-固相的转变。为了充分利用二维石墨烯材料的沿片层方向优异的性能，取向排布是实现其应用的有效途径。因此石墨烯在TIM中应用通常将其垂直定向排布。取向结构虽然可以很大程度提升复合材料热导率，但加工过程中聚合物裸漏，粗糙表面接触点直接接触不良热导体的聚合物会很大程度影响界面传热强化效果，因此水平界面设计，实现接触面良好的均温效果，避免接触点直接接触聚合物，通过折纸技术，设计特殊的三明治结构，制备觉有连续水平-垂直取向柔性导热薄膜框架，与聚合物复合后实现高导热-均热复合材料应用于热界面领域。

发明内容