一种基于机械拉伸波浪结构的定向热界面材料的制备方法及其装置

本发明涉及导热高分子复合材料及热界面材料，具体涉及一种基于机械拉伸波浪结构的定向热界面材料的制备方法及其装置。

背景技术：

1、随着电子器件、高功率芯片、自适应性电子器件以及可穿戴设备的快速发展，电子元器件在工作过程中产生的热量不断增加。若热量无法及时传递至散热器，将导致器件温度升高，进而影响工作稳定性和使用寿命。因此，热界面材料作为连接热源与散热器之间的重要导热介质，在电子封装和热管理领域具有重要应用价值。聚二甲基硅氧烷，即pdms，具有自适应性好、可拉伸性强、化学稳定性好、易加工等优点，是自适应性热界面材料中常用的高分子基体。然而，纯pdms的本征热导率较低，通常难以满足高效散热需求。因此，常通过添加导热填料来提高其导热性能。氮化硼，尤其是六方氮化硼和氮化硼纳米片，具有较高的热导率、良好的电绝缘性、耐热性和化学稳定性，是制备绝缘导热复合材料的理想填料。但由于氮化硼片层在聚合物中容易发生无规分散或面内取向，其厚度方向导热通路难以有效构建。同时，过高填料含量容易导致复合材料自适应性下降、加工困难和界面缺陷增多。现有技术中，常采用真空抽滤、冷冻取向、磁场取向、电场取向或机械压缩等方式构筑导热网络，但上述方法往往存在工艺复杂、设备要求高、材料结构不易连续调控等问题。因此，亟需提出一种简单、可控、易放大的方法，提高热界面材料的界面贴合能力和导热性能。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于机械拉伸波浪结构的定向热界面材料的制备方法及其装置，本发明提出的制备方法得到的定向热界面材料在保证聚二甲基硅氧烷（pdms）自适应性的基础上，实现氮化硼填料的定向排列和波浪状导热结构构筑，从而提高热界面材料的界面贴合能力和导热性能。

2、本发明的第一个目的是提供一种基于机械拉伸波浪结构的定向热界面材料的制备方法，包括以下步骤：

3、s1、将聚二甲基硅氧烷基体与导热填料混合得到导热复合浆料，经过刮涂制备厚度为300~600 μm的复合薄膜基底；

4、s2、对所述的复合薄膜基底进行错位切割，随后定量预拉伸；

5、s3、在所述的复合薄膜基底保持预拉伸状态下，并将步骤s1得到的导热复合浆料涂覆于预拉伸复合薄膜基底表面，形成导热复合涂层；

6、s4、对所述的导热复合涂层进行加热，使其处于半固化或逐渐固化状态，在加热固化过程中，控制复合薄膜基底以设定速度回弹释放，使所述的复合薄膜基底逐渐回复并对所述的导热复合涂层产生压缩作用，从而诱导所述的导热复合涂层内的导热填料在压力和剪切力的作用下往微型裂缝填充并且形成定向波浪状褶皱结构；

7、s5、继续加热至所述的导热复合涂层完全固化，得到具有机械拉伸波浪结构的定向热界面材料。

8、本发明提出的制备方法首先制备自适应性复合薄膜基底，随后对复合薄膜进行错位切割裂缝，将其固定于具有步进电机驱动功能的机械拉伸装置上，随后对复合薄膜进行定量预拉伸；在保持拉伸状态下将导热复合浆料刮涂于预拉伸复合薄膜表面；然后利用设置于夹持滑块或加热板上的加热模块对复合涂层进行热辅助固化，并在固化过程中通过步进电机控制夹持滑块以设定速度回弹释放，使导热复合层在释放回弹应力作用下形成定向波浪状褶皱结构。本发明提出的制备方法能够诱导氮化硼片层在复合层中产生定向排列、局部倾斜和波浪形搭接结构，提高热界面材料的自适应性、界面贴合性及导热性能。

9、优选地，步骤s1中，所述的聚二甲基硅氧烷基体由乙烯基封端pdms预聚物和固化剂按质量比8~12:1混合得到，固化剂为侧链型甲基氢硅油；导热填料为改性氮化硼，氮化硼在kh-550的酸性环境下，70℃~90℃反应5~7 h得到所述的改性氮化硼，和/或，所述的导热复合浆料中聚二甲基硅氧烷基体与导热填料的质量比为8:2~7:3。

10、进一步优选，改性氮化硼由如下步骤制备得到：氮化硼由kh-550通过酸性环境（ph=5.5）下经水浴锅搅拌6 h得到，kh-550主要成分为γ-氨丙基三乙氧基硅烷（aptes）。本发明提出的乙烯基封端pdms预聚物和固化剂为道康宁dc184中a组分和b组分，道康宁dc184购自深圳爱度科技有限公司，货号为：dc184-19.9kg。

11、进一步优选，所述的复合薄膜具体由如下步骤制备得到：由乙烯基封端pdms预聚物与改性氮化硼混合后在25℃下超声30 min，水浴锅搅拌2 h均匀混合然后加入固化剂（乙烯基封端pdms预聚物与固化剂质量比10:1）混合，然后将混合物料在真空度≤-0.01 mpa下脱泡处理10~30 min，然后采用刮涂、旋涂、流延或模具浇筑方式在基底上成膜，膜厚为500μm，将所得湿膜置于烘箱中，于60℃下热固化2 h。

12、优选地，步骤s2中，所述的错位切割的微型裂缝为100*20*20 µm，微型裂缝间隔距离为10~20 mm，定量预拉伸的拉伸率为10%~50%。

13、拉伸率的公式为：（复合薄膜拉伸后长度-复合薄膜原始长度）÷复合薄膜原始长度 × 100%‌。

14、进一步优选，步骤s2中，所述的定量预拉伸的拉伸率为30%~50%。

15、优选地，步骤s3中，所述的导热复合浆料中聚二甲基硅氧烷基体与氮化硼填料的质量比为8:2~7:3；导热复合浆料的涂覆厚度为90~110 μm。氮化硼填料为六方氮化硼。

16、进一步优选，导热复合浆料的涂覆厚度为100 μm。

17、优选地，步骤s3中，所述的导热复合浆料采用刮涂或涂抹方式涂覆于预拉伸复合薄膜基底表面。刮涂或涂抹方向优选与预拉伸方向一致，以利用刮涂或涂抹剪切作用促进氮化硼片层沿拉伸方向排列。

18、优选地，步骤s4中，所述的加热温度为40℃~120℃，回弹释放的速度为0.001~1mm/s。

19、进一步优选，步骤s4中，所述的加热温度为60℃~90℃，回弹释放的速度为0.001~1mm/s。

20、优选地，步骤s4中，所述的导热复合涂层在回弹释放过程中形成沿拉伸方向或垂直于拉伸方向周期分布的波浪状褶皱结构。

21、在导热复合涂层处于加热固化过程中，控制导热复合涂层以设定速度回弹释放，在回弹释放过程中，底层pdms薄膜基底逐渐回缩，而表面pdms/氮化硼复合层因刚度较高受到压缩作用，进而发生屈曲失稳，形成沿特定方向排列的波浪状褶皱结构。

22、优选地，步骤s5中加热固化时间为0.5~1.5 h。

23、本发明的第二个目的是提供一种基于机械拉伸波浪结构的定向热界面材料的制备装置，用于实现上述制备方法，所述的制备装置包括支架，以及设置在所述的支架上的双向移动件，所述的双向移动件的两个移动端均设置有夹持单元，所述的夹持单元用于夹持复合薄膜，所述的双向移动件通过双向往复移动两个夹持单元，以实现对复合薄膜的拉伸；所述的夹持单元和支架分别设置有水平加热模组和垂直加热模组，用于对处于预拉伸状态的复合薄膜进行加热。

24、优选地，所述的双向移动件包括驱动电机、反向丝杆以及两个滑块，所述的驱动电机设置在所述的支架上，所述的反向丝杆的一端通过联轴器与所述的驱动电机的驱动端连接，所述的反向丝杆的另一端与所述的支架转动连接；所述的反向丝杆两侧的螺纹旋向相反，两个所述的滑块分别与所述的反向丝杆两侧的螺纹螺纹配合，所述的夹持单元安装在所述的滑块上。

25、优选地，所述的支架包括条形底座，以及设置在所述的条形底座上的条形盖板，所述的条形底座的两端分别设置有左侧盖和右侧盖，所述的条形底座和条形盖板之间具有容置所述的反向丝杆的容置槽，所述的条形盖板开设有供所述的滑块滑动配合的滑槽，所述的反向丝杆的螺纹为螺纹槽，所述的滑块设置有滚子，所述的滚子与所述的螺纹槽螺纹配合；和/或，所述的夹持单元包括凹型底座、顶板以及虎口夹，所述的凹型底座设置在所述的滑块上，所述的凹型底座的凹型开口朝上，用于安装水平加热模组，所述的顶板设置在所述的凹型底座上，所述的虎口夹设置在所述的顶板上。

26、优选地，所述的制备装置还包括电控系统，所述的电控系统分别与驱动电机、水平加热模组和垂直加热模组电连接，用于分别控制所述的驱动电机的转速以及各加热模组的加热温度。

27、本发明与现有技术相比，具有如下优点：

28、1、利用本发明提出的制备装置实现预拉伸、涂覆、加热、回弹释放及结构定型，不需要复杂的磁场、电场或冷冻取向设备，极大节约了时间和经济成本；

29、2、本发明在不牺牲pdms自适应韧性的情况下以少量填料获得较高的导热率，具体而言，本发明采用机械拉伸方法在20%的导热填料得到的热界面材料面内导热率达到了7.73 w/mk，面外导热率达到了1.89 w/mk，并且拉伸应变达到了140%到150%，强度的应力峰值约为0.9 mpa。

30、3、本发明提出的制备方法在刮涂剪切作用和机械拉伸回弹压缩作用共同作用下，氮化硼片层能够在pdms复合层中发生定向排列、局部倾斜和波浪状搭接。

31、4、本发明提出的制备方法通过定速回弹释放，导热复合层形成波浪状褶皱结构，该结构能够提升材料的自适应性、压缩适应性和界面贴合能力。

32、5、本发明提出的制备方法得到的定向热界面材料兼具pdms的自适应性、氮化硼的导热和绝缘特性以及波浪结构的可压缩特征，适用于自适应性电子、芯片散热、led散热和可穿戴热管理等技术领域。