一种复合导热凝胶及其制备方法与流程

本技术实施例涉及功能材料与电子器件热管理，特别涉及一种兼具高热导率、高稳定性和良好工艺性的复合导热凝胶以及用于制备该复合导热凝胶的制备方法。

背景技术：

1、随着5g通信、高性能计算芯片以及新能源汽车动力电池等高端电子器件的快速发展，电子器件的功率密度和热通量急剧上升。为降低发热器件与散热器之间的接触热阻，通常需要在发热器件与散热器之间设置导热凝胶等热界面材料，以填充接触界面处的微观间隙，提高热量由发热器件向散热器传递的效率；同时，人们对热界面材料（thermalinterface material, tim）的热导率、界面接触性能及长期可靠性提出了更高的要求。

2、现有导热凝胶通常以有机硅等聚合物材料作为基体，并在聚合物基体中加入陶瓷导热填料，以提高材料的导热性能。然而，聚合物基体自身的热导率较低，仅依靠陶瓷导热填料提高导热性能时，通常需要提高陶瓷导热填料的添加量。陶瓷导热填料添加量增加后，容易造成体系黏度升高、填料分散困难以及混合和脱泡难度增大，从而影响导热凝胶的加工性能和界面填充能力。因此，传统聚合物基导热凝胶难以同时兼顾较高的导热性能和良好的工艺性能。

3、液态金属兼具金属材料的导热性能和液体材料的流动性，将液态金属作为导热填料加入聚合物基体中，有利于提高导热凝胶的热传导能力。然而，液态金属通常具有较高的密度和表面张力，且液态金属表面容易形成氧化层。液态金属与聚合物基体之间的界面相容性不足时，液态金属难以在聚合物基体中形成尺寸和分布状态稳定的液态金属液滴，容易出现液态金属液滴尺寸不均匀、局部聚集以及分布不均匀等问题。随着液态金属填料添加量的增加，上述问题更加明显，因而限制了液态金属在高填充复合导热凝胶中的应用。

4、液态金属液滴具有流动性。当相邻液态金属液滴直接接触时，液态金属液滴容易发生聚并（碰撞合并或二次融合），从而影响复合导热凝胶在制备、储存和使用过程中的结构稳定性。虽然现有技术中可以将液态金属填料与陶瓷导热填料共同加入聚合物基体中，但采用常规混合方式时，陶瓷导热填料通常呈随机分布状态，难以有效维持相邻液态金属液滴之间的间隔。同时，现有界面调控方式对液态金属的暴露金属表面及其表面氧化层的作用不足，难以在较高液态金属填充量下长期维持液态金属液滴的界面稳定性。

5、因此，现有复合导热凝胶仍难以同时解决聚合物基体导热能力有限、液态金属液滴界面稳定性不足以及相邻液态金属液滴容易接触聚并的问题，难以兼顾较高的导热性能、稳定性和工艺性能。

6、因此，如何在提高液态金属填料含量的同时，稳定液态金属液滴的界面状态，并利用陶瓷导热填料维持相邻液态金属液滴之间的间隔，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本技术实施例提供的复合导热凝胶及其制备方法，旨在解决现有复合导热凝胶的至少一部分缺陷。

2、第一方面，本技术实施例提供了一种复合材料。所述复合导热凝胶，按质量份数计，包括如下组分：

3、聚合物基体1份至10份；

4、液态金属填料50份至99份；

5、界面功能性修饰剂0.2份至2份；

6、陶瓷导热填料1份至20份；

7、所述液态金属填料包括液态金属液滴，所述界面功能性修饰剂吸附于所述液态金属液滴的暴露金属表面和/或表面氧化层；

8、所述陶瓷导热填料分布于相邻的所述液态金属液滴之间，并使相邻的所述液态金属液滴彼此间隔。

9、在一些实施例中，所述聚合物基体为加成型有机硅体系，所述液态金属填料为共晶镓铟合金或镓铟锡合金，所述陶瓷导热填料为表面经疏水改性的球形或类球形陶瓷粉体。

10、在一些实施例中，所述加成型有机硅体系包括：

11、端乙烯基硅油和含氢硅油交联剂，所述端乙烯基硅油和所述含氢硅油交联剂被配置为能够通过硅氢加成反应交联固化；

12、其中，所述端乙烯基硅油的粘度为100 cp至100000 cp。

13、在一些实施例中，所述球形或类球形陶瓷粉体为氧化锌粉体、氧化铝粉体或氮化铝粉体，所述球形或类球形陶瓷粉体的中位粒径为1 μm至10 μm。

14、在一些实施例中，所述界面功能性修饰剂为碳链骨架型硅烷偶联剂和硅氧烷主链型偶联剂中的至少一种；

15、所述碳链骨架型硅烷偶联剂的亲基体端含有乙烯基或长链烷基，所述碳链骨架型硅烷偶联剂的亲金属端含有能够与所述液态金属的暴露金属表面和/或表面氧化层发生配位作用和/或吸附作用的活性官能团；

16、所述硅氧烷主链型偶联剂具有硅氧烷骨架以及设于所述硅氧烷骨架一端的三烷氧基端基。

17、在一些实施例中，所述碳链骨架型硅烷偶联剂中的乙烯基能够与所述加成型有机硅体系发生交联反应，所述三烷氧基端基为三甲氧基端基或三乙氧基端基，所述活性官能团为环氧基、巯基和氨基中的至少一种。

18、第二方面，本技术实施例提供了一种复合导热凝胶的制备方法，所述制备方法用于制备上述的复合导热凝。所述制备方法包括如下步骤：

19、步骤1，提供催化剂和抑制剂，并按质量份数计提供：聚合物基体1份至10份、液态金属填料50份至99份、界面功能性修饰剂0.2份至2份以及陶瓷导热填料1份至20份；

20、其中，所述聚合物基体为加成型有机硅体系，所述加成型有机硅体系包括端乙烯基硅油和含氢硅油交联剂，所述端乙烯基硅油包括具有第一粘度的第一端乙烯基硅油和具有第二粘度的第二端乙烯基硅油，所述第一粘度小于所述第二粘度；

21、步骤2，将步骤1提供的全部液态金属填料、全部界面功能性修饰剂和全部第一端乙烯基硅油混合，得到混合物料；

22、步骤3，对步骤2得到的混合物料进行低频声共振分散处理，使所述混合物料中的液态金属填料破碎形成液态金属液滴，同时使所述混合物料中的界面功能性修饰剂吸附于所述液态金属液滴的暴露金属表面和/或表面氧化层，得到预分散前驱体；

23、步骤4，向步骤3得到的预分散前驱体中加入步骤1提供的催化剂、抑制剂、全部陶瓷导热填料、全部含氢硅油交联剂以及全部第二端乙烯基硅油，并在真空条件下进行公自转剪切混合，得到预混复合物；

24、步骤5，将步骤4得到的预混复合物在真空条件和加热条件下进行双行星搅拌和剪切分散处理，以排出所述预混复合物中的气泡，得到所述复合导热凝胶。

25、在一些实施例中，所述低频声共振分散处理包括：

26、在共振频率为60 hz至70 hz以及振荡加速度为50 g（g为重力加速度）至60 g的条件下对所述混合物料分散处理10 min，并冷却至室温；

27、在共振频率为60 hz至70 hz以及振荡加速度为70 g至80 g的条件下对冷却至室温的混合物料分散处理10 min至15 min。

28、在一些实施例中，所述公自转剪切混合的公转转速为500 r/min至1500 r/min，自转转速为100 r/min至500 r/min，混合时间为3 min至15 min；

29、所述公自转剪切混合使所述陶瓷导热填料均匀分布于经界面修饰的所述液态金属液滴之间。

30、在一些实施例中，所述双行星搅拌和剪切分散处理在真空度不超过-0.095 mpa的条件下进行；

31、所述双行星搅拌和剪切分散处理的公转转速为30 r/min至100 r/min，自转转速为800 r/min至1200 r/min，加热处理时间为2 h至3 h。

32、区别于现有技术，本技术实施例提供的复合导热凝胶及其制备方法的至少一个有益效果是：通过在聚合物基体中设置50份至99份的液态金属填料以及1份至20份的陶瓷导热填料，利用液态金属填料的高导热特性和陶瓷导热填料的传热作用，有利于在复合导热凝胶内部形成由液态金属液滴和陶瓷导热填料共同参与的多相传热路径，从而提高复合导热凝胶的热传导性能。同时，液态金属填料以液态金属液滴的形式存在，界面功能性修饰剂吸附于液态金属液滴的暴露金属表面和/或表面氧化层，能够改善液态金属液滴的界面状态，降低液态金属液滴与周围材料之间因界面结合不足而产生界面缺陷的可能性，有利于提高液态金属液滴在复合导热凝胶中的界面稳定性，并减小不同导热组分之间的界面热阻。此外，陶瓷导热填料分布于相邻液态金属液滴之间，并使相邻液态金属液滴彼此间隔，能够减少相邻液态金属液滴直接接触的机会，降低液态金属液滴发生聚并以及由此造成微观结构变化的可能性，从而有利于维持液态金属液滴的分布状态，提高复合导热凝胶在制备、储存和使用过程中的结构稳定性。因此，该复合导热凝胶通过液态金属液滴、界面功能性修饰剂和陶瓷导热填料之间的协同配合，在提高复合导热凝胶导热性能的同时，有利于改善液态金属液滴的界面稳定性并抑制液态金属液滴聚并，使该复合导热凝胶兼具较高的热传导能力和良好的结构稳定性。