一种高导热低热阻的硅基复合凝胶垫片及其制备方法与流程

本发明涉及化工新材料，更具体地说，本发明涉及一种高导热低热阻的硅基复合凝胶垫片及其制备方法。

背景技术：

1、随着电子元器件功率密度不断提高，发热量与日俱增，对热管理系统中导热垫片的导热系数和界面热阻提出了更高要求；凝胶垫片是一种具有粘弹性的片状导热界面材料，主要用于填充电子元器件与散热器之间的微观空隙，排出界面空气，建立高效热传导通路；与传统导热硅胶片相比，凝胶垫片具有模量低、应力小、可压缩量大的特点，能够在较低的装配压力下充分贴合粗糙表面，减少因界面接触不充分而产生的热阻；因此，开发一种新型复合凝胶垫片，具有重要的应用价值。

2、目前，相关技术中的硅基凝胶垫片通常包括丙烯酸酯单体、丙烯酸酯交联剂、自由基引发剂、非反应性增塑剂以及导热填料；其中丙烯酸酯单体作为可聚合的基础组分，提供固化后的柔性网络骨架；丙烯酸酯交联剂用于在聚合物链间引入化学交联点，赋予垫片形状稳定性和一定的弹性；自由基引发剂用以引发单体聚合与交联反应；非反应性增塑剂用于降低基体模量、提高柔软性；导热填料赋予材料导热能力。

3、但是其在实际使用时，仍旧存在一些缺点，如导热性差，传统凝胶垫片的丙烯酸酯或聚氨酯主链由碳-碳或碳-氧单键构成，分子链间仅有较弱的范德华力而无如硅氧烷主链般的低内旋转位垒，声子输运过程中散射严重；热阻低，传统凝胶垫片的聚合物基体模量偏大、柔顺性不足，在低装配压力下无法充分产生弹性或塑性变形以顺应界面处微米级粗糙峰谷，导致实际接触面积小，大量微纳气隙残留于界面之间；力学性能差，传统凝胶垫片交联网络密度偏低且分子链间物理缠结作用弱，拉伸强度与抗撕裂性能不足，长期循环压缩工况下易产生永久变形与应力松弛，密封面贴合度持续衰减，最终引发密封失效与介质泄漏。

技术实现思路

1、为了改善上述问题，减少相关技术中凝胶垫片导热性差、热阻低、力学性能差的问题，本发明特提供一种高导热低热阻的硅基复合凝胶垫片及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种高导热低热阻的硅基复合凝胶垫片及其制备方法，包括以下步骤：

4、s1、将含氢聚二甲基硅氧烷、含氟含氢聚硅氧烷、二甲硅油、基础胶投入搅拌釜，加入的1-乙炔基环己醇抑制剂，于常温、转速70-110r/min条件下搅拌20-30min，然后于-0.09mpa真空度脱泡10min，得到固化剂组分；

5、s2、将基胶组分与s1所得固化剂组分通入混合器，流速5l/min条件下充分混合，经涂布机涂覆于微孔隙氟素离型膜表面，控制涂布背压≤0.2mpa，涂层厚度1.0mm，胶面覆以相同微孔隙氟素离型膜；随离型膜连续进入隧道式烘道，烘道第一段温度95℃，停留时间10min，完成胶料初步定型；烘道第二段温度125℃，停留时间15min，完成主体交联反应，出烘道后自然冷却至室温，收卷，得到预固化凝胶片材；

6、s3、将s2所得预固化凝胶片材剥离上下离型膜，平铺于透气网带之上，转入充氮鼓风干燥箱，控制箱内氧含量低于500ppm，于150-160℃条件下进行二段硫化处理2-3h，自然冷却至室温后转入温度20-30℃、相对湿度45-55%的恒温恒湿环境静置熟化8-16h，裁切修边，得到高导热低热阻硅基复合凝胶垫片。

7、优选的，所述高导热低热阻的硅基复合凝胶垫片的制备原料包括：含氢聚二甲基硅氧烷9-15份、含氟含氢聚硅氧烷3-7份、二甲硅油59-73份、基础胶15-25份、1-乙炔基环己醇抑制剂0.15-0.2份、基胶组分1000份。

8、优选的，所述基胶组分的制备方法包括以下步骤：

9、c1、将平均粒径5μm的球形氧化铝与平均40μm的球形氧化铝混合并投入高速混合机，加入1.5倍体积的乙醇水混合液，于转速200r/min条件下搅拌形成均匀悬浮液；用冰醋酸调节体系ph至4.5-5.0，接着滴加硅烷偶联剂水解液1h，于温度60-70℃、转速300-500r/min条件下搅拌2.5-3.5h，反应结束后离心分离，用无水乙醇洗涤2次，于105℃鼓风干燥箱中干燥2h，得到改性导热填料；

10、c2、将羟基化六方氮化硼纳米片与碳化硅晶须投入高速分散釜，加入硅烷偶联剂水解液、二甲硅油以及甲基苯基硅油，于转速3000r/min条件下高速剪切分散20min；转入真空脱泡釜，于常温、压力-0.095mpa条件下减压15min；再将浆料转入三辊研磨机，控制辊速比为1：1.2：1.5，辊间距由40μm逐步降至20μm，采用轻碾工艺反复研磨2遍，得到导热填料膏体；

11、c3、将八甲基环四硅氧烷、二甲基环硅氧烷、三氟丙基甲基环三硅氧烷投入聚合反应釜，通入氮气置换釜内空气，加入四甲基氢氧化铵硅醇盐催化剂与四甲基二乙烯基二硅氧烷封端剂，于温度105-115℃、转速70-90r/min条件下搅拌反应3.5-4.5h至开环平衡；先以2℃/min速率梯度升温至130℃，保温1h分解催化剂，再继续升温至150℃；先在-0.05mpa真空度下预脱除低沸物30min，再逐步提升真空度至-0.095mpa维持2h，全程通入微量氮气；脱挥完成后停止加热，然后冷却至室温出料，得到基础胶；

12、c4、将甲基乙烯基硅橡胶生胶、平均粒径5μm的球形氧化铝投入开炼机，控制辊温≤40℃，混炼至粉体完全包胶，出料冷却至室温；将冷却后的母胶重新投入开炼机，加入含氢硅油，薄通2次混匀后，加入预稀释络合物，继续薄通2次至体系均匀，立即出料置于平板硫化机中，于温度95-105℃热压硫化3-8min，制成厚度0.5mm的薄片；然后经液氮冷冻脆化后投入粉碎机粉碎，经气流筛分选取平均粒径20μm的微粉，得到预分散导热微粉；

13、c5、将c3所得基础胶、乙烯基mq硅树脂、甲基苯基硅油、液体氟硅橡胶、c4所得预分散导热微粉、乙烯基氟硅油投入捏合机，常温下转速60r/min预混30min；分3次加入c2所得导热填料膏体，每次加入后升温至100℃，转速80r/min捏合20min；再分4次加入c1所得改性导热填料，每次加入后于真空度-0.095mpa条件下捏合25min；捏合完成后冷却至室温，加入铂金催化剂，低速搅拌15min，真空脱泡至无气泡溢出，得到基胶组分。

14、优选的，所述基胶组分的制备原料各组分以及重量份数如下：基础胶100份、乙烯基mq硅树脂8-18份、甲基苯基硅油10-22份、液体氟硅橡胶5-12份、预分散导热微粉6-15份、乙烯基氟硅油4-9份、导热填料膏体45-72份、改性导热填料190-232份、铂金催化剂0.8-1份。

15、优选的，所述硅烷偶联剂水解液由乙烯基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三甲氧基硅烷、无水乙醇、去离子水按质量比6：2：1.5：0.5混合得到。

16、优选的，所述改性导热填料由平均粒径5μm的球形氧化铝、平均40μm的球形氧化铝、硅烷偶联剂水解液按质量比2-4：6-8：0.18-2.25制备。

17、优选的，所述导热填料膏体由羟基化六方氮化硼纳米片、碳化硅晶须、硅烷偶联剂水解液、二甲硅油以及甲基苯基硅油按质量比28.8-31.5：4.5-7.2：0.9-1.08：12.6-16.2：2.89-4.32制备。

18、优选的，所述基础胶由八甲基环四硅氧烷、二甲基环硅氧烷、三氟丙基甲基环三硅氧烷、四甲基氢氧化铵硅醇盐催化剂以及四甲基二乙烯基二硅氧烷封端剂按质量比65-72：22-24：4-13：0.05：0.6-0.75制备。

19、优选的，所述预分散导热微粉由甲基乙烯基硅橡胶生胶、平均粒径5μm的球形氧化铝、含氢硅油、预稀释络合物按质量比100：40-90：1.2-1.7：0.06-0.1制备。

20、优选的，所述预稀释络合物由铂-二乙烯基四甲基二硅氧烷络合物与c3所得基础胶按质量比10：1进行稀释得到。

21、本发明的技术效果和优点：

22、1、本发明通过二元粒径球形氧化铝密堆积搭配六方氮化硼纳米片与碳化硅晶须构建多尺度声子传导通路，配合硅烷偶联剂界面改性强化填料与硅氧烷基体的结合强度，减少界面声子散射损耗，得到更高的本征导热系数，提升垫片导热性能；

23、2、本发明通过预分散导热微粉调控体系交联密度与整体柔性形变能力，配合填料分散体系减少内部微孔隙与界面结构缺陷，提升界面贴合度以排除界面间空气间隙，得到更低的界面接触热阻与总热阻；

24、3、本发明通过刚性树脂补强与部分交联微粉协同增韧，构建均匀稳定的三维交联网络，优化应力传递与分散机制，提升垫片拉伸强度与抗压缩永久变形能力，缓解长期循环载荷下的性能衰减，提升力学性能；

25、4、本发明通过三元共聚含氟基体与含氟交联剂协同提供可迁移低能链段，在二段硫化高温下推动氟链段自发向表层富集并锚定在交联网络中，形成稳定的梯度低能结构，得到更低的表面能。