Полимерный теплопроводящий композиционный материал

Изобретение относится к области теплопроводящих диэлектрических материалов и может найти применение при изготовлении теплоотводящих прокладок, лент, герметиков, заливочных компаундов для чипов компьютерной памяти, изделий силовой электроники, портативных устройств, блоков электропитания и силовых преобразователей, в которых необходимо обеспечить теплоотвод от теплонагруженных элементов и узлов.

Известна полимерная композиция для радиаторов охлаждения светоизлучающих диодов [Патент РФ Полимерная композиция для радиаторов охлаждения светоизлучающих диодов (СИД) и способ ее получения RU 2522573, МПК В82В 3/00, C08L 23/12, C08K 3/04, H05K 7/20, 20.07.2014 г. Авторы: Кузнецов Д.В., Ильиных И.А., Мазов И.Н., Степашкин А.А., Бурмистров И.Н., Муратов Д.С., Чердынцев В.В.].

Недостатком данной композиции является низкое значение коэффициента теплопроводности, а также значительная трудоемкость технологического процесса за счет применения ультразвуковой кавитационной обработки и осаждения полученного золя в ледяном ацетоне.

Известна электроизоляционная теплопроводящая композиция [Патент РФ Электроизоляционная теплопроводящая композиция RU 2194323, Н01В 3/10, 10.12.2002 г. Авторы: Родова Л.В., Березинец Н.И.. Рыбалко Б.Е., Украинский Ю.М., Короткой В.И.].

Недостатком данной композиции является сложность технологического процесса, в котором требуется применение высокого давления (270-300 кг/см²) и высокой температуры (180±5°C) для прессования композиции. Другим недостатком можно считать относительно низкий коэффициент теплопроводности композиции при применении ее для особо теплонагруженных элементов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является эластичная теплопроводящая композиция [Патент Республики Беларусь Эластичная теплопроводящая композиция BY 2400, C09K 5/00, 30.09.1998 г. Авторы: Козырко В.А., Сенченко Г.М., Голубцова Е.С., Головач С.И.], включающая силоксановый каучук и теплопроводящий компонент, содержащий порошок нитрида алюминия, при этом теплопроводящий компонент дополнительно содержит порошок оксида иттрия, взятый в количестве 0,1-6,0% от массы нитрида алюминия, и обработанный взрывом с давлением во фронте ударной волны, равном 4,0-6,5 ГПа, а соотношение компонентов композиции составляет, мас. %: теплопроводящий компонент 20-80, силоксановый каучук 20-80.

Недостатком данной композиции является сложность подготовки теплопроводящего компонента, требующего обработки взрывом с давлением 4,0-6,5 ГПа, а также относительно низкий коэффициент теплопроводности композиции, при применении ее для особо теплонагруженных элементов.

Техническая задача, которую решает предлагаемое изобретение, заключается в повышении теплопроводности теплопроводящего композиционного материала.

Технический результат достигается путем введения в матрицу на основе кремнийорганического каучука или эпоксидного наполнителя, при этом наполнитель выполнен как в виде частиц оксида алюминия размером от 1 до 200 мкм в количестве 0,1-80% от общей массы полимерного теплопроводящего композиционного материала в сочетании с нановолокнами оксида алюминия диаметром до 100 нм в количестве 0,1-50% от общей массы теплопроводящего композиционного материала, так и в виде только нановолокон оксида алюминия в количестве до 80% от общей массы вышеуказанного материала, при этом нановолокна могут располагаться в матрице хаотично или быть ориентированными вдоль направления теплового потока от теплонагруженной поверхности.

В случае применения наполнителей в виде теплопроводящих частиц оксида алюминия в сочетании с хаотически расположенными нановолокнами оксида алюминия оба наполнителя перемешиваются, образуя порошково-волокнистую структуру, которая в дальнейшем вмешивается в матрицу, которая изначально находится в жидком состоянии.

После введения в жидкую матрицу наполнителей производился процесс отверждения, который протекает в нормальных условиях с участием отвердителей или в результате взаимодействия реакционноспособных групп олигомеров между собой.

Теплопроводность композиции увеличивается за счет того, что теплопроводящие нановолокна оксида алюминия, распределяясь в матрице, образуют каналы проводимости тепла в виде отдельных нановолокон и (или) пучков нановолокон, а теплопроводящие частицы оксида алюминия обеспечивают более плотную упаковку в матрице. При этом для обеспечения более высокой плотности упаковки применяются частицы с разбросом размера частиц от 1 до 200 мкм. Полученные значительные величины коэффициента теплопроводности обусловлены низкой концентрацией или полным отсутствием дефектов в нановолокнах.

Технологичность изготовленного полимерного теплопроводящего композиционного материала достигается путем применения стандартных (общеприменяемых) технологических операций (смешивание, измельчение, полимеризация) в нормальных условиях.

При этом числовые значения коэффициента теплопроводности не зависят от типа матрицы на основе кремнийорганического каучука или эпоксидной матрицы при заданной концентрации наполнителя.

Пример 1.

Изготавливали полимерный теплопроводящий композиционный материал, имеющий в качестве матрицы кремнийорганический каучук или эпоксидный материал, в которую, при нахождении ее в изначальном жидком состоянии, добавляли нановолокна оксида алюминия в количестве 1-20% от общей массы нанокомпозита. Полученная композиция отверждалась при помощи отвердителя в нормальных условиях. В результате значение коэффициента теплопроводности данного композиционного материала составляло величины от 0,6 до 12 Вт/м*K (при температуре 24°C).

Пример 2.

Изготавливали полимерный теплопроводящий композиционный материал, имеющий в качестве матрицы кремнийорганический каучук или эпоксидный материал, в которую, при нахождении ее в изначальном жидком состоянии, добавляли частицы оксида алюминия размером частиц от 1 до 200 мкм в количестве 0,1-80% от общей массы нанокомпозита в сочетании с нановолокнами оксида алюминия диаметром до 100 нм в количестве 0,1-50% от общей массы нанокомпозита. Полученная композиция отверждалась при помощи отвердителя в нормальных условиях. В результате значение коэффициента теплопроводности данного композиционного материала составляло величины от 0,8 до 34 Вт/м*K (при температуре 24°C).

Пример 3.

Изготавливали полимерный теплопроводящий композиционный материал, состоящий из сплошной массы нановолокон оксида алюминия диаметром до 100 нм, ориентированных вдоль направления теплового потока от теплонагруженной поверхности и сформованных в виде подложки со множеством параллельно расположенных каналов, имеющий в качестве матрицы кремнийорганический каучук или эпоксидный материал, залитый в каналы между нановолокнами. Материал матрицы, при нахождении его в изначальном жидком состоянии, заливался в каналы подложки из нановолокон и в последующем, после их заполнения отверждался при помощи отвердителя в нормальных условиях. Содержание нановолокон в полученном теплопроводящем композиционном материале составляло значение до 80% от общей массы нанокомпозита. В результате значение коэффициента теплопроводности данного композиционного материала составляло 42 Вт/м*K (при температуре 24°C).