一种导热绝缘垫的制备方法与流程

1.本发明涉及航天器热控制领域，具体涉及一种导热绝缘垫的制备方法。


背景技术：

2.现在电子元器件的集成度越来越高，单个器件的热耗越来越大，需要在器件与散热面之间填充一些导热填料，以降低接触热阻，某些器件也需要绝缘要求。
3.常用的是直接用导热硅橡胶，或者通过掺杂球形金属颗粒形成导热绝缘垫，现有导热垫在长期使用的其抗力学性能有待提高，编织结构一定程度改变了抗力学性能，但一般的编织材料采用的玻璃纤维材料进行编织，其导热性能差，使用金属化的螺旋结构相对编织结构在抗力学拉伸性能上更具有潜力，而且在导热性能上也优于玻璃纤维，在兼顾抗力学性能的提高和导热性能上具有潜在优势。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提出了一种制作加入螺旋形微生物细胞的导热绝缘垫的制备方法，该方法制备的导热绝缘垫的弹性、抗拉伸性能和抗撕裂性能更好。
5.为实现上述目的，本发明提出了一种导热绝缘垫的制备方法，所述方法包括：
6.制作多个螺旋形磁性金属颗粒；
7.将多个螺旋形金属颗粒通过外部磁场操作形成横向排列、纵向排列或者横纵向交错排列的螺旋形网状结构；
8.将多个螺旋形磁性金属颗粒混合入导热硅橡胶并搅拌均匀，将搅拌均匀的溶液倒入螺旋形网状结构；
9.固化后形成一层导热绝缘基体；
10.将多层导热绝缘基体叠加形成导热绝缘垫。
11.作为上述方法的一种改进，所述螺旋形磁性金属颗粒内到外依次为：热导层，磁性层和电绝缘层，所述热导层为纯铜或纯银，所述磁性层为co
‑
ni
‑
p、ni
‑
fe
‑
p、fe3o4或纳米铁粉复合镀层；所述电绝缘层为sio2或p。
12.作为上述方法的一种改进，所述螺旋形磁性金属颗粒通过螺旋形微生物细胞制作的过程为：
13.在螺旋形微生物细胞的表面化学沉积一层纯铜或纯银，在纯铜或纯银的表面沉积一层磁性层；在磁性层表面再沉积一层电绝缘层，形成螺旋形磁性金属颗粒；当所述磁性层为co
‑
ni
‑
p或ni
‑
fe
‑
p时，在纯铜或纯银的表面沉积一层磁性层时，当微生物细胞加入到前驱溶液后，进行搅拌，在搅拌过程中施加同方向旋转的磁场。
14.作为上述方法的一种改进，当所述磁性层为纳米铁粉复合镀层时，所述螺旋形磁性金属颗粒的制备过程为：
15.采用平均粒径为25nm
±
5nm、含铁量大于99.9％的纳米铁粉；将0.5g纳米铁粉超声10min使其分散开，然后加入到0.5g镀银或铜的螺旋形微生物细胞加入去离子水中形成的
溶液中，充分混合，形成100ml螺旋形颗粒与纳米铁粉的混合溶液，放入水域中预热，然后在不断搅拌的情况下加入到200ml磁性前驱溶液中，并且施加与搅拌同方向旋转的磁场，反应时间超过半小时，待反应结束后进行过滤清洗、脱水、烘干。
16.作为上述方法的一种改进，利用温度调控提高微生物细胞表面沉积层厚度并降低过程中杂质的方法使螺旋形磁性金属颗粒的磁性层加厚，具体过程为：
17.镀液和活化细胞溶液在较高温度下先预热，然后在不断搅拌的情况下将活化微生物细胞液混入镀液中，较高的温度下，镀液可与活化微生物细胞溶液迅速混合均匀，使微生物细胞周围的镀液浓度基本保持一致；
18.co
‑
ni
‑
p镀层化学沉积过程中，常规温度为80度，对活化后微生物细胞进行化学沉积的时候，初始抬高温度至90度，不断搅拌下加入到90度的镀液中，在混合5分钟之内迅速将溶液容器转移至70度水域，并不断搅拌，镀液温度降下来后不断搅拌至反应结束。
19.作为上述方法的一种改进，利用荷电性能对微生物细胞内部进行填充的方法使所述螺旋形磁性金属颗粒的导热性增强，具体过程为：
20.判断微螺旋藻细胞的荷电性能；
21.根据荷电性能调整溶胶凝胶的溶液配比，如果微螺旋藻细胞荷负电荷，将溶胶凝胶溶液的前驱溶液之一的带金属正价阳离子的溶液浓度提高一倍；
22.测出微生物细胞荷电为负电后，将feso4溶液的摩尔浓度提高一倍，提至4
×
10
‑4，由此制作出实心的螺旋形磁性金属颗粒。
23.作为上述方法的一种改进，螺旋形金属颗粒通过外部磁场操作形成横向排列的螺旋形网状结构；具体实现过程包括：
24.将纯酒精下浸泡的螺旋形磁性金属颗粒混合液搅拌均匀后点滴铺平在带有若干平行槽的第一模板上，在外部施加磁场，其中磁场方向平行第一模板上平行槽的方向，晃动磁场，螺旋形金属颗粒形成若干首尾相连的螺旋形微束，在第一模板上方覆盖盖板，夹紧盖板，进行热处理焊接，焊接时盖板始终施加压力，热处理焊接后取下盖板；撤去第一模板，形成横向排列的螺旋形网状结构。
25.作为上述方法的一种改进，螺旋形金属颗粒通过外部磁场操作形成纵向排列的螺旋形网状结构；具体实现过程包括：
26.将纯酒精下浸泡的螺旋形磁性金属颗粒混合液搅拌均匀后点滴铺平在带有若干平行槽的第二模板上，第二模板的平行槽与第一模板的平行槽垂直；在外部施加磁场，其中磁场方向平行第二模板上平行槽的方向，晃动磁场，螺旋形金属颗粒形成若干首尾相连的螺旋形微束，在第二模板上方覆盖盖板，夹紧盖板，进行热处理焊接，焊接时盖板始终施加压力，热处理焊接后取下盖板；撤去第二模板，形成纵向排列的螺旋形网状结构。
27.作为上述方法的一种改进，螺旋形金属颗粒通过外部磁场操作形成横纵向交错排列的螺旋形网状结构；具体实现过程包括：
28.将纯酒精下浸泡的螺旋形磁性金属颗粒混合液搅拌均匀后点滴铺平在带有若干平行槽的第一模板上，在外部施加磁场，其中磁场方向平行第一模板上平行槽的方向，晃动磁场，螺旋形磁性金属颗粒形成若干首尾相连的螺旋形微束，在第一模板上方覆盖第一盖板，夹紧第一盖板，进行热处理焊接，焊接时第一盖板始终施加压力，热处理焊接后取下第一盖板的中心部分；放置第二模板中心部位，取下第一盖板的边框部分，放置第二模板的边
框部分，第二模板的平行槽与第一模板的平行槽垂直，将纯酒精下浸泡的螺旋形磁性金属颗粒混合液搅拌均匀后点滴铺平在带有若干平行槽的第二模板上，在外部施加磁场，其中磁场方向平行第二模板上平行槽的方向，晃动磁场，螺旋形磁性金属颗粒形成若干首尾相连的螺旋形微束，压紧第二盖板，进行二次热处理焊接后，热处理时第二盖板始终施加压力，待焊接完毕取下第二盖板，撤去第一模板和第二模板，形成横纵向交错排列的螺旋形网状结构。
29.本发明的优势在于：
30.1、本发明的方法制备的具有微螺旋结构的导热垫在抗拉伸性能方面具有优势；螺旋形微生物细胞的加入有利于增加导热垫的弹性和抗拉伸性能，抗撕裂性能好；
31.2、本发明的表面导电性能较差的金属层的覆盖有利于确保导热垫良好的电绝缘性能；
32.3、本发明的掺杂了微生物细胞金属颗粒的导热垫比直接用硅橡胶的导热率提高一个到两个数量级。
附图说明
33.图1为本发明的导热绝缘垫的制备方法的流程图；
34.图2为磁场作用下首尾相接的螺旋颗粒示意图；(图中箭头为磁场方向，圆圈处为细胞首尾相连处)；
35.图3为随磁场方向改变而旋转的首尾相接的细胞；(图中箭头为磁场方向，圆圈处为细胞首尾相连处，磁场方向依次顺时针旋转90
°
)
36.图4为不施加磁力搅拌的螺旋藻颗粒的磁场操作示意图；(图中箭头为磁场方向，磁场方向依次逆时针旋转90
°
)
37.图5为本发明的微生物细胞的荷电性能测试装置的示意图。
具体实施方式
38.下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。
39.如图1所示，本发明提出了一种导热绝缘垫的制备方法，所述方法包括：
40.步骤1)制作多个螺旋形磁性金属颗粒；
41.螺旋形磁性金属颗粒内到外依次为：热导层，磁性层和电绝缘层，所述热导层为纯铜或纯银，所述磁性层为co
‑
ni
‑
p、ni
‑
fe
‑
p、fe3o4或纳米铁粉复合镀层；所述电绝缘层为sio2或p。
42.形成磁性颗粒的搅拌过程中，施加同方向的磁场有利于磁性层沉积过程中按照一定方向排列，而纳米铁粉的添加更有利于磁性的增强，在后期磁场操作的过程中，方便磁性微颗粒首尾相接，如图2、图3所示为施加了磁场后形成的磁性颗粒，而图4为沉积过程中未施加同方向磁场时磁场与微螺旋的排列状况，
43.第一种制备方法：通过螺旋形微生物细胞制作螺旋形磁性金属颗粒的过程为：
44.在螺旋形微生物细胞的表面化学沉积一层纯铜或纯银，在纯铜或纯银的表面沉积一层磁性层；在磁性层表面再沉积一层电绝缘层，形成螺旋形磁性金属颗粒；当所述磁性层为co
‑
ni
‑
p或ni
‑
fe
‑
p时，在纯铜或纯银的表面沉积一层磁性层时，当微生物细胞加入到前
驱溶液后，进行搅拌，在搅拌过程中施加同方向旋转的磁场。
45.当所述磁性层为纳米铁粉复合镀层时，所述螺旋形磁性金属颗粒的制备过程为：
46.采用平均粒径为25nm
±
5nm、含铁量大于99.9％的纳米铁粉；将0.5g纳米铁粉超声10min使其分散开，然后加入到0.5g镀银或铜的螺旋形微生物细胞加入去离子水中形成的溶液中，充分混合，形成100ml螺旋形颗粒与纳米铁粉的混合溶液，放入水域中预热，然后在不断搅拌的情况下加入到200ml磁性前驱溶液中，并且施加与搅拌同方向旋转的磁场，反应时间超过半小时，待反应结束后进行过滤清洗、脱水、烘干。
47.第二种制备方法：利用荷电性能对微生物细胞内部进行填充并成形微颗粒，可以得到接近实心的颗粒。
48.除了化学沉积(化学镀)、电镀法方法，有的磁性材料(如fe3o4)可以通过溶胶
‑
凝胶法制备，本技术利用微生物细胞的荷电性能，不仅增强了微生物细胞的溶胶
‑
凝胶法包覆效果，而且可以在微生物细胞内部也填充进金属，具体方法如下：
49.首先，判断微生物细胞的荷电性能
50.为了判断微生物细胞的荷电性能，建立微生物细胞的荷电性能测试装置和方法，搭建图5所示的简易实验装置，采用wy10a
‑
1型直流电源提供电压，用烧杯作为溶液池，将微生物细胞悬浊液搅拌均匀后，打开电源给导线两端施加一定的电压，根据正负电极上微生物细胞的吸附情况判断微生物细胞表面所带电荷。
51.对螺旋藻细胞进行上述实验，将ph＝7的螺旋藻细胞溶液搅拌均匀后打开电源，并调整电压至29v，通电10min，可明显观察到，与电源正极相连接的导线上有很多螺旋藻细胞聚集吸附。将导线的电极反过来并进行相同的操作，可观察到螺旋藻细胞仍然会吸附在连接电源正极的导线上。该试验表明固定并清洗后的螺旋藻细胞在电中性的去离子水溶液中表面荷负电。
52.对小球藻细胞进行同样试验，也可以观察到类似现象，小球藻细胞在电中性的去离子水溶液中明显荷负电荷。
53.其次，判断完荷电性能后，根据荷电性能调整溶胶凝胶的溶液配比，如果微生物细胞荷负电荷，将溶胶凝胶溶液的前驱溶液之一的带金属正价阳离子的溶液浓度提高一倍，后续过程与一般溶胶凝胶法一致。以包覆四氧化三铁为例，将适量的螺旋藻加入到100ml一定浓度的feso4溶液中，搅拌，浸泡，形成a液；200ml一定浓度的koh溶液倒入烧瓶中搅拌，再将200ml一定浓度的kno3溶液加入到溶液中，充分搅拌，形成b液；然后将a液缓慢加入到准备好的koh与kno3混合溶液中，形成墨绿色凝胶溶液，移入90℃的水浴中放置足够时间。
54.表1：溶液配比表
[0055] koh(mol/l)kno3(mol/l)feso4(mol/l)配比2.5
×
10
‑112
×
10
‑1[0056]
测出微生物细胞荷电为负电后，将上表中的feso4(mol/l)溶液的摩尔浓度提高一倍，提至4
×
10
‑4，然后进行后续的操作。可得到内部也得到磁性颗粒填充的微螺旋体。
[0057]
第三种制备方法：利用温度调控提高微生物细胞表面沉积层厚度并降低过程中杂质，可以得到表面镀层较厚的磁性颗粒
[0058]
采用化学沉积方法沉积磁性层的过程中，由于微生物细胞微小的尺寸，大比表面积，大批量进行磁性颗粒生产的时候容易产生杂质，一方面造成溶液的浪费，另一方面还有
部分微生物细胞始终难以起镀。本发明采取了温度调控的方法使得大批量化学沉积金属层时，杂质降低且施镀率大幅提升，减少浪费、降低成本并且提升了微颗粒磁性层厚度的调控性。
[0059]
改进工艺采取的手段是：在反应开始，使温度高于镀液的规范施镀温度，反应开始后，将温度降低。工艺改进前后的区别主要是温度的变化。
[0060]
具体方法如下：
[0061]
镀液和活化细胞溶液在较高温度下先预热，然后在不断搅拌的情况下将活化细胞液混入镀液中，较高的温度下，镀液可与活化细胞溶液迅速混合均匀，使微生物细胞周围的镀液浓度基本保持一致，而且从化学镀的热力学角度，在较高温度下，化学沉积易启动，因此，溶液中活化微生物细胞几乎同时被沉积，而因为自催化性，已经被镀上的细胞在之后的反应中会继续沉积镀层。
[0062]
在反应初始抬高温度10度，反应开始5分钟内观察到大量气泡产生的时候迅速转入低温水域，不断搅拌，最终在低于常规温度10度的温度下持续反应完毕。比如co
‑
ni
‑
p镀层化学沉积过程中，常规施镀温度为80度，对活化后微生物细胞进行化学沉积的时候，初始抬高温度至90度，不断搅拌下加入到90度的镀液中，在混合5分钟之内迅速将溶液容器转移至70度水域，并不断搅拌，镀液温度降下来后不断搅拌至反应结束。
[0063]
在初始使温度较高而沉积启动后，将温度降下来会使镀层沉积速度变慢，这样，镀层孔隙率降低、镀层致密、表面与底层结合牢靠，有效地降低杂质的出现。因此工艺改进后能使绝大多数微生物细胞都被金属化的同时有效地抑制杂质。
[0064]
步骤2)将多个螺旋形金属颗粒通过外部磁场操作形成横向排列、纵向排列或者横纵向交错排列的螺旋形网状结构；
[0065]
1、螺旋形金属颗粒通过外部磁场操作形成横向排列的螺旋形网状结构；具体实现过程包括：
[0066]
将纯酒精下浸泡的螺旋形磁性金属颗粒混合液搅拌均匀后点滴铺平在带有若干平行槽的第一模板上，在外部施加磁场，其中磁场方向平行第一模板上平行槽的方向，晃动磁场，螺旋形金属颗粒形成若干首尾相连的螺旋形微束，在第一模板上方覆盖盖板，夹紧盖板，进行热处理焊接，焊接时盖板始终施加压力，热处理焊接后取下盖板；撤去第一模板，形成横向排列的螺旋形网状结构。
[0067]
2、螺旋形金属颗粒通过外部磁场操作形成纵向排列的螺旋形网状结构；具体实现过程包括：
[0068]
将纯酒精下浸泡的螺旋形磁性金属颗粒混合液搅拌均匀后点滴铺平在带有若干平行槽的第二模板上，第二模板的平行槽与第一模板的平行槽垂直；在外部施加磁场，其中磁场方向平行第二模板上平行槽的方向，晃动磁场，螺旋形金属颗粒形成若干首尾相连的螺旋形微束，在第二模板上方覆盖盖板，夹紧盖板，进行热处理焊接，焊接时盖板始终施加压力，热处理焊接后取下盖板；撤去第二模板，形成纵向排列的螺旋形网状结构。
[0069]
3、螺旋形金属颗粒通过外部磁场操作形成横纵向交错排列的螺旋形网状结构；具体实现过程包括：
[0070]
将纯酒精下浸泡的螺旋形磁性金属颗粒混合液搅拌均匀后点滴铺平在带有若干平行槽的第一模板上，在外部施加磁场，其中磁场方向平行第一模板上平行槽的方向，晃动
磁场，螺旋形磁性金属颗粒形成若干首尾相连的螺旋形微束，在第一模板上方覆盖第一盖板，夹紧第一盖板，进行热处理焊接，焊接时第一盖板始终施加压力，热处理焊接后取下第一盖板的中心部分；放置第二模板中心部位，取下第一盖板的边框部分，放置第二模板的边框部分，第二模板的平行槽与第一模板的平行槽垂直，将纯酒精下浸泡的螺旋形磁性金属颗粒混合液搅拌均匀后点滴铺平在带有若干平行槽的第二模板上，在外部施加磁场，其中磁场方向平行第二模板上平行槽的方向，晃动磁场，螺旋形磁性金属颗粒形成若干首尾相连的螺旋形微束，压紧第二盖板，进行二次热处理焊接后，热处理时第二盖板始终施加压力，待焊接完毕取下第二盖板，撤去第一模板和第二模板，形成横纵向交错排列的螺旋形网状结构。
[0071]
步骤3)将多个螺旋形磁性金属颗粒混合入导热硅橡胶并搅拌均匀，将搅拌均匀的溶液倒入螺旋形网状结构；
[0072]
步骤4)固化后形成一层导热绝缘基体；
[0073]
步骤5)将多层导热绝缘基体叠加形成导热绝缘垫。
[0074]
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。