一种用于铝合金散热器表面的高效散热涂层及其制备方法与流程

本发明涉及涂料技术领域，特别涉及一种用于铝合金散热器表面的高效散热涂层及其制备方法。

背景技术：

高功率铝合金散热器，广泛运用于轨道交通、智能电网、新能源等领域。随着电力电子模块功率密度不断增大，对其热管理的要求也日益苛刻。以高铁用功率模块为例，要求在其功率密度达100～150w/cm2时，不增加散热器体积和能耗的前提下,大幅度提升散热器换热效率。根据稳态热流理论分析，要显著强化翅片与外部空间之间的被动辐射热交换，其关键在于降低从铝合金散热器到环境热传输过程中的总热阻，包括传导热阻和辐射热阻。

现有的散热涂料一般采用纯石墨烯粉体为辐射冷却填料，由于石墨烯是在全波段具有接近理论黑体(ε＝1)红外发射率的材料，例如专利cn108003725a采用石墨烯浆料作为辐射冷却填料，与环氧、丙烯酸树脂复合制备辐射冷却涂料，但这种单纯采用作为填料的方式石墨烯易团聚，而使得辐射冷却效能快速衰减。此外，现有辐射冷却涂料还存在因石墨烯的团聚造成涂层热导率降低，使其服役时热阻增大，影响辐射冷却效能。

考虑到克服目前现有工艺的制备程序复杂、制备周期长、分散不均匀以及难以规模化制备的系列问题，同时提高散热器冷却效率。需要设计、构筑兼具高红外发射率和热导率的双功能涂层，大幅度强化辐射冷却并实现对“辐射、对流、传导”三种传热方式技术集成，从而满足高功率电力电子模块热管理的需求。

技术实现要素：

为了解决背景技术提出的技术问题，本发明提供一种用于铝合金散热器表面的高效散热涂层及其制备方法，该辐射冷却涂层具有兼具高红外发射率和热导率的双功能涂层，大幅度强化辐射冷却并实现对“辐射、对流、传导”三种传热方式技术集成，克服目前纯石墨烯涂料存在的石墨烯易团聚和辐射冷却效能不高等问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种用于铝合金散热器表面的高效散热涂层，所述涂层包括如下原料：辐射冷却纳米复合材料；所述的辐射冷却纳米复合材料由石墨烯和h-bn组成，由所述的辐射冷却纳米复合材料获得辐射冷却功能。

进一步地，所述辐射冷却纳米复合材料由下述重量份数的原料在真空或惰性气体保护状态下以300～600rpm的速度进行机械球磨12～48h得到：

石墨类材料100份；

h-bn20～150份。

进一步地，所述的石墨类材料为高定向石墨类材料，选自鳞片石墨、高纯石墨块、高定向热解石墨、膨胀石墨中的一种。

进一步地，所述的h-bn为纳米片状、棒状、球状中的一种，其尺寸为100nm～1μm。

进一步地，所述的涂层的制备方法为：

将原料石墨类材料和h-bn放置于密封罐中，密封罐内保持真空或惰性气体状态，进行球磨12～48h，球磨物料和球重量比为1：20，球磨速度为300～600rpm，球直径为4～8mm，密封罐的容积为0.1～2l。

进一步地，所述涂层的原料还包括：有机树脂、固化剂、抗沉剂、溶剂；与辐射冷却纳米复合材料按如下份数组成辐射冷却涂层的原料：

进一步地，所述的有机树脂选自环氧树脂、有机硅树脂、丙烯酸树脂中的一种；所述的固化剂选自聚酰胺、酚醛胺、聚醚胺、异氰酸酯中的一种；所述的抗沉剂选自有机膨润土、酰胺蜡、氢化蓖麻油中的一种或者以上组份；所述的溶剂选自二甲苯、正丁醇、丙酮、环己酮中的一种或一种以上组份。

所述的一种用于铝合金散热器表面的高效散热涂层的制备方法，包括如下步骤：

1)称取辐射冷却纳米复合材料，将其与粘结剂、溶剂、抗沉剂放入容器中进行高速分散20min～1h均匀，得到a组份；

2)将a组份与b组分的固化剂进行高速混合5～10min均匀分散，得到浆料；

3)将浆料用喷涂或浸涂的方法均匀涂覆于金属散热片表面，放置于25～35℃条件下进行固化10～48h，最终得到igbt功率模块辐射冷却涂层。

进一步地，步骤1)和2)中，高速搅拌分散浆料过程使用了行星重力搅拌机并配备聚四氟乙烯罐体和氧化锆球进行搅拌分散，搅拌速率为600～1500rpm，氧化锆球直径为4～10mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明的辐射冷却涂层具有兼具高红外发射率和热导率的双功能涂层，大幅度强化辐射冷却并实现对“辐射、对流、传导”三种传热方式技术集成，克服目前纯石墨烯涂料存在的石墨烯易团聚和辐射冷却效能不高等问题；

2)本发明采用球磨剥离工艺，将高取向石墨和h-bn粉体分别剥离成石墨烯和h-bn纳米片并实现石墨烯和h-bn纳米片的复合和均匀分散，所制备的石墨烯和h-bn纳米片复合粉体，具有高辐射率和导热率的双重作用，其添加在涂料中，可使得功率模块铝翅片最大幅度的散热降温，可以实现散热冷却性能的显著提高。此外，石墨烯和h-bn材料的相互分散能够克服传统纯石墨烯材料在树脂中的团聚和均匀分散等问题。

3)本发明所制得的辐射冷却涂层具有分散均匀、力学性能和散热冷却性能优异等特点。能够满足高功率的功率模块在航天航空、轨道交通、智能电网、新能源等领域的散热冷却要求。

附图说明

图1是本发明的球磨剪切实现石墨烯/h-bn纳米片原位复合图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

一种用于铝合金散热器表面的高效散热涂层，所述涂层包括如下原料：辐射冷却纳米复合材料；所述的辐射冷却纳米复合材料由石墨烯和h-bn组成，由所述的辐射冷却纳米复合材料获得辐射冷却功能。

所述辐射冷却纳米复合材料由下述重量份数的原料放置于聚四氟内衬密封罐中，密封罐内保持真空或惰性气体状态下，进行球磨12～48h，球磨物料和球重量比为1：20，球磨速度为300～600rpm，氧化锆球直径为4～8mm，密封罐的容积为0.1～2l的进行制备得到：

石墨类材料100份；

h-bn20～150份。

图1为球磨剪切实现石墨烯/h-bn纳米片原位复合图。

优选地，所述石墨类材料选自鳞片石墨、高纯石墨块、膨胀石墨中的一种。

优选地，所述h-bn选自纳米片状且尺寸为100nm～1μm。

更优选地，所述辐射冷却纳米复合材料所述的石墨烯材料选用鳞片石墨；所述的h-bn原材料选用h-bn纳米片，尺寸200nm。该优选是为了进一步分析球磨过程中发生在原料之间的物理、化学作用以及球磨后辐射冷却纳米复合材料的成分。鳞片石墨是球磨法制备石墨烯的优选原料，h-bn纳米片与其它形貌的h-bn相比，在沿面内方向具有更大的导热率，在低填充率下提高聚合物基复合材料的导热率，散热效率高。

该辐射冷却纳米复合材料的散热机理如下：通过石墨类材料和h-bn在球磨过程中相互剥离，片层厚度逐渐变薄，而且分散非常均匀，“石墨烯的高红外辐射”与“h-bn的高热导”协同效应，有利于辐射冷却纳米复合材料散热性能的大幅提高。一方面，石墨烯具有量子化的晶格振动与分立的能级特征，受到激发态的石墨烯从高能量激发态向低能量跃迁，通过红外辐射方式完成能量释放，实现辐射冷却；另一方面，h-bn的高导热性帮助石墨烯更好完成能量释放，大幅提高散热冷却速率。

一种用于铝合金散热器表面的高效散热涂层，所述涂层由如下重量份数的原料组成：

此优选原料组成可获得分散均匀、力学性能、耐热性能以及辐射冷却性能优异的涂层材料。

优选地，所述的有机树脂为环氧树脂、丙烯酸树脂中的一种，如上优选的有机树脂易得、成本低、更易混合均匀，获得理想的涂层材料。

优选地，所述的固化剂为聚酰胺、酚醛胺、聚醚胺、异氰酸酯中的一种，此优选地固化剂可以提高涂层材料的固化程度以及缩短成型所需的时间。

优选地，所述的抗沉剂是有机膨润土、酰胺蜡中的一种或两种，此优选地抗沉剂可以提高涂料的低剪切粘度，降低塑变值，防止填料发生沉降。

优选地，所述的溶剂是二甲苯、正丁醇、丙酮、环己酮中的一种或两种，选择如上优选极性溶剂有利于单体和助剂更好地分散。

本发明还提供了一种用于铝合金散热器表面的高效散热涂层的制备方法。

如上所述的一种用于铝合金散热器表面的高效散热涂层的制备方法，包括如下步骤：

1)称取辐射冷却纳米复合材料，将其与粘结剂、溶剂、抗沉剂放入容器中进行高速分散20～40min混合均匀，得到a组份；

2)将a组份与b组分的固化剂进行高速混合5～10min均匀分散，得到浆料；

3)将浆料用喷涂或浸涂的方法均匀涂覆于金属散热片表面，放置于25～35℃条件下进行固化10～30h，最终得到igbt功率模块辐射冷却涂层。

本发明的制备机理为：将去有机树脂、辐射冷却纳米复合材料、抗沉剂在溶剂中分散均匀，并得到均匀的悬浮液；将固化剂快速添加到悬浮液中并高速搅拌均匀，将最终获得的浆料用喷涂或浸涂的方法均匀涂覆于金属散热片表面，最后固化，最终得到功率模块辐射冷却涂层。

本发明产品使用的辐射冷却纳米复合材料为由石墨与h-bn制备的高效散热冷却复合材料。石墨选择鳞片石墨(325目，纯度大于99.5％)；h-bn选择纳米片(200nm，纯度大于99.5％)；有机树脂选择环氧树脂；固化剂选择异氰酸酯；抗沉剂选择有机膨润土；溶剂选择正丁醇和环己酮体积比1：1；辐射冷却纳米复合材料制备过程所使用的球磨速率为500rpm，罐体体积为0.5l，氧化锆球直径为6mm；辐射冷却涂层浆料制备过程使用的球磨速率为1200rpm；罐体体积为0.5l，氧化锆球直径为6mm，涂层固化温度为室温25℃。

实施例1：

(1)石墨与h-bn纳米片以重量比5：1制备辐射冷却纳米复合材料，具体的制备过程如下：

41.67g鳞状石墨、8.33gh-bn纳米片和1000g直径为6mm的氧化锆球放入0.5l的钢密封罐里，将密封罐内抽真空，以500rpm的球磨速度进行球磨48h后，得到的黑色粉末即为辐射冷却纳米复合材料；

(2)将100份辐射冷却纳米复合材料、100份丙烯酸树脂、抗沉剂有机膨润土1.5份、溶剂体积比1:1的正丁醇和环己酮15份在1200rpm高速混合25min，得到a组分；

(3)将b组分固化剂异氰酸酯5份加入a组分中后，1200rpm高速混合5min，得到散热涂层浆料；

(4)将浆料用喷涂的方法均匀涂覆于igbt功率模块金属散热片表面，放置于25℃条件下进行固化24h，得到功率模块辐射冷却涂层。

(5)对制得的igbt功率模块辐射冷却涂层的厚度、平衡温度、降温幅度、热辐射系数进行测试。测得结果列于表1中。

实施例2：

(1)石墨与h-bn纳米片以重量比3：1制备辐射冷却纳米复合材料，具体的制备过程如下：

37.5g鳞状石墨、12.5gh-bn纳米片和1000g直径为6mm的氧化锆球放入0.5l的钢密封罐里，将密封罐内抽真空，以500rpm的球磨速度进行球磨36h后，得到的黑色粉末即为辐射冷却纳米复合材料；

(2)将200份辐射冷却纳米复合材料、100份环氧树脂、抗沉剂2份、溶剂体积比1:1的正丁醇和环己酮20份在1200rpm高速混合35min，得到a组分；

(3)将b组分固化剂聚酰胺6份加入a组分中后，1200rpm高速混合5min，得到散热涂层浆料；

(4)将浆料用喷涂的方法均匀涂覆于功率模块金属散热片表面，放置于25℃条件下进行固化36h，得到功率模块辐射冷却涂层。

(5)对制得的功率模块辐射冷却涂层的厚度、平衡温度、降温幅度、热辐射系数进行测试。测得结果列于表1中。

实施例3：

(1)石墨与h-bn纳米片以重量比2：3制备辐射冷却纳米复合材料，具体的制备过程如下：

20.0g鳞状石墨、30.0gh-bn纳米片和1000g直径为6mm的氧化锆球放入0.5l的钢密封罐里，将密封罐内抽真空，以500rpm的球磨速度进行球磨24h后，得到的黑色粉末即为辐射冷却纳米复合材料；

(2)将150份辐射冷却纳米复合材料、100份丙烯酸树脂、抗沉剂1份、溶剂体积比1:1的正丁醇和环己酮10份在1200rpm高速混合30min，得到a组分；

(3)将b组分固化剂异氰酸酯4份加入a组分中后，1200rpm高速混合10min，得到散热涂层浆料；

(4)将浆料用喷涂的方法均匀涂覆于igbt功率模块金属散热片表面，放置于25℃条件下进行固化32h，得到igbt功率模块辐射冷却涂层。

(5)对制得的igbt功率模块辐射冷却涂层的厚度、平衡温度、降温幅度、热辐射系数进行测试。测得结果列于表1中。

对比例1：

(1)将100份丙烯酸树脂、抗沉剂有机膨润土1.5份、溶剂体积比1:1的正丁醇和环己酮15份在1200rpm高速混合25min，得到a组分；

(2)将b组分固化剂异氰酸酯5份加入a组分中后，1200rpm高速混合5min，得到散热涂层浆料；

(3)将浆料用喷涂的方法均匀涂覆于igbt功率模块金属散热片表面，放置于25℃条件下进行固化24h，得到igbt功率模块辐射冷却涂层。

(4)对制得的igbt功率模块辐射冷却涂层的厚度、平衡温度、降温幅度、热辐射系数进行测试。测得结果列于表1中。

对比例2：

(1)纯石墨制备辐射冷却纳米材料，具体的制备过程如下：

50.0g鳞状石墨和1000g直径为6mm的氧化锆球放入0.5l的钢密封罐里，将密封罐内抽真空，以500rpm的球磨速度进行球磨24h后，得到的黑色粉末即为石墨辐射冷却纳米材料；

(2)将150份石墨辐射冷却纳米材料、100份环氧树脂、抗沉剂有机膨润土1.5份、溶剂体积比1:1的正丁醇和环己酮15份在1200rpm高速混合25min，得到a组分；

(3)将b组分固化剂酚醛胺5份加入a组分中后，1200rpm高速混合5min，得到散热涂层浆料；

(4)将浆料用喷涂的方法均匀涂覆于igbt功率模块金属散热片表面，放置于25℃条件下进行固化24h，得到igbt功率模块辐射冷却涂层。

(5)对制得的igbt功率模块辐射冷却涂层的厚度、平衡温度、降温幅度、热辐射系数进行测试。测得结果列于表1中。

对比例3：

(1)纯h-bn纳米片制备辐射冷却纳米材料，具体的制备过程如下：

50.0gh-bn纳米片和1000g直径为6mm的氧化锆球放入0.5l的钢密封罐里，将密封罐内抽真空，以500rpm的球磨速度进行球磨24h后，得到的白色粉末即为h-bn辐射冷却纳米材料；

(2)将150份h-bn辐射冷却纳米材料、100份丙烯酸树脂、抗沉剂有机膨润土1.5份、溶剂体积比1:1的正丁醇和环己酮15份在1200rpm高速混合25min，得到a组分；

(3)将b组分固化剂异氰酸酯5份加入a组分中后，1200rpm高速混合5min，得到散热涂层浆料；

(4)将浆料用喷涂的方法均匀涂覆于igbt功率模块金属散热片表面，放置于25℃条件下进行固化24h，得到igbt功率模块辐射冷却涂层。

(5)对制得的igbt功率模块辐射冷却涂层的厚度、平衡温度、降温幅度、热辐射系数进行测试。测得结果列于表1中。

表1实施例和对比例的辐射散热涂层性能参数表

通过实施例和对比例测得本发明平衡温度、降温温度及热辐射系数，相比较于现有产品产生的团聚和热辐射系数偏低等现象，从表1可以看出，所述的石墨烯/h-bn纳米片复合材料填充的辐射散热涂层的辐射散热性能非常优异。

以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。