[发明专利]铜纳米线/聚丙烯酸酯复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种填充有高长径比铜纳米线的导热复合材料及其制备方法，属于新材料技术以及散热技术领域。

背景技术

随着微电子技术的飞速发展，电子元件尺寸越来越小，运算速度越来越快，热密度越来越大，由散热不良导致的电子设备的故障也越来越多，这都对系统的散热提出更高的要求。热量在元器件内部产生后经过器件封装材料和散热器界面再经散热器传递到外部环境。这要求散热片和热源表面接触良好，否则会因接触表面的不平整而残留部分空气，从而显著降低系统的散热能力（参照文献1）。但即使再光滑的物体表面也会存在微观的不平整。在热源和散热片之间放置一导热率高、柔韧性好的导热界面材料，如导热胶，则可在整个接触界面上形成连续的导热通道，从而提高电子元器件的散热效率（参照文献2）。导热界面材料是通过在低模量的聚合物中添加导热填料实现的，其最重要的特征之一就是高热导率。目前工业上常用的填料有AlN、BN等陶瓷粉，Ag、Al、Cu等金属粒子，CuO、Al₂O₃等金属氧化物粉，及炭黑、石墨等碳材料（参照文献3）。但是这些填料的尺寸多在微米级，往往需要很高的填充分数才能获得较高的热导率，例如，BN的体积填充分数在30%时，材料的热导率才达到2W/mK（参照文献4）。而高的填充分数一方面会使材料的机械性能下降，另一方面会使材料的成本显著上升。因此，如何在较低的填充分数下获得较高的导热系数成为研究的重点。

填充材料的热导率越高，则整个复合体系的导热性能也会显著上升。碳纳米管和石墨烯，均有很高的热导率，其本征热导率分别为3000W/mK和6000W/mK（参照文献5，6）。但由于两者都有很高的界面热阻，复合体系的导热效果并不理想（参照文献7,8）。另外，填料的形貌也会显著影响复合材料的导热性能，长径比较高的填料容易相互接触，形成有效的导热网络，更能有效地提高材料的热导率（参照文献9）。鉴于金属银有着良好的导热能力，且目前银纳米线的制备工艺已较为成熟，这使得银纳米线在用作导热填料时非常具有竞争性。研究发现以Ag纳米粒子、Ag纳米线阵列用做导热填料时，导热效果仍要比普通Ag粉好很多（参照文献10，11）。但由于贵金属银的消耗使得银纳米线导热复合材料面临高成本的问题。金属铜的热导率在388W/mK左右，在金属材料中仅次于Ag（429W/mK），但价格要比Ag便宜，储量要比Ag丰富。因此可考虑以Cu纳米线代替Ag纳米线构筑新型导热材料。但目前该方面的工作尚未见报道。

导热界面材料目前常用的基体材料有硅橡胶（参照文献12）及环氧树脂（参照文献13）。硅橡胶在室温下至少需要24h以上才能聚合，环氧树脂需要8h左右，在长时间固化过程中，纳米线会因为自身大密度的原因而沉降。另外硅橡胶粘度高达在3900厘泊，不利于填充材料的分散，在应用时需要另对其进行稀释或改性。而环氧树脂在聚合的过程中极易产生气泡，需要另对其进行改性或借助硅烷偶联剂。研究发现，低粘度的基体材料可提高复合材料的导热性能（参照文献14）。低粘度的丙烯酸酯单体借助光引发剂在紫外辐照下可完成固化。避免了上述问题。目前金属纳米线-聚丙烯酸酯复合材料尚未见到报道。

现有技术文献：

文献1

Chung,D.D.L.Appl.Therm.Eng.2001,21,(16),1593-1605.

文献2

McNamara,A.J.;Joshi,Y.;Zhang,Z.M.International Journal of Thermal Sciences2012,62,2-11.

文献3

Kochetov,R.;Andritsch,T.;Lafont,U.;Morshuis,P.H.F.;Picken,S.J.;Smit,J.J.;Ieee,Thermal Behaviour of Epoxy Resin Filled with High Thermal Conductivity Nanopowders.Ieee:New York,2009;p524-528.

文献4

Dettlaff-Weglikowska,U.;Skakalova,V.;Graupner,R.;Jhang,S.H.;Kim,B.H.;Lee,H.J.;Ley,L.;Park,Y.W.;Berber,S.;Tomanek,D.,et al.J.Am.Chem.Soc.2005,127,5125-5131.

文献5