[发明专利]基于多尺度结构控制的高分子导热复合材料成型方法及装置

说明书

本发明涉及一种基于多尺度结构控制的高分子导热复合材料的成型方法和装置，其方法是将加热至高弹态的聚合物/磁化填料复合材料坯料置于磁场中，通过外磁场诱导作用实现填料定向排列，形成填料通路，同时利用具有有序微结构的模具对坯料进行模压，将有序微结构压印到坯料表面，随后对制品进行冷却脱模，最终成型具有内部填料通路和表面有序结构的导热复合材料制品。其装置包括在同一轴线上下布置的上压头和下压头，上压头内部设有上线圈，底面与模具相连；下压头内设有下线圈，顶面与模具相连；上线圈和下线圈为共轴布置，且线圈大小相同，匝数相同，缠绕方向相同，串联于同一电路中；上压头和下压头通过上导柱和下导柱分别与上油缸和下油缸相连；机架上还布置有红外加热器。本发明原理及设备结构简单，成型效率高，无需使用高含量的导热填料即可获得较高的导热性能。

技术领域

本发明涉及高分子材料加工成型技术领域，特别涉及一种基于多尺度结构控制的高分子导热复合材料成型方法和装置。

背景技术

目前导热材料多为金属材料，如铜、铝等，具有加工成本高、加工效率低、加工周期长且密度相对较大等问题，而高分子材料具有耐化学腐蚀、质量轻便、易加工成形等特性，在代替金属材料应用于通讯设备散热和微电子系统热交换等领域起到越来越重要的作用。

提高复合材料导热性能最便捷最常用的方法就是添加更多导热填料，增加填料与填料相互搭接的可能性，从而在复合材料内部形成填料通路。在传统制造方法中通常需要50vol％或60-70wt％以上的填料用量才能使聚合物材料获得较高的导热系数，但是使用过高的填料也会造成聚合物材料性能的降低，例如拉伸强度、韧性和可加工性等，复合材料的力学性能不足以满足使用要求。

聚合物复合材料的性能取决于多尺度结构，例如外表面结构、填料分散分布及取向结构等。研究表明，表面有序结构会使复合材料制品具有更大的比表面积，在同等体积下，能够增大换热面积，使热量在散热器表面的热传递过程更加快速和高效。现有常用于聚合物表面有序结构成型方式主要有微挤出、微注塑、微注压、微铸造及微压印技术等。其中，微压印技术是将聚合物基板加热到玻璃化转变温度(T_g)或结晶型聚合物熔点(T_m)以上，通过对具有有序结构的模具施加垂直指向聚合物基板的压力使模具有序结构特征印刻到聚合物基板表面的过程。另一方面，现有技术通常采用调节物料特征和控制加工流场等方式来调控内部聚集态结构，例如对填料表面进行改性、调节共混过程的工艺参数、在加工过程引入外场等。但以上方式都只能实现聚合物散热材料单一尺度结构控制。微压印过程只能改变制品表面结构，而不能改变内部填料分布取向等聚集态结构。能够实现内部聚集态结构变化的加工方式也无法实现制品表面结构的成型，导致现有导热复合材料的成型方法功能单一，无法一次制备具有内部填料通路和表面有序结构的高性能导热功能材料。

针对目前聚合物导热功能材料制备方法存在的原理复杂、填料含量高、力学性能低以及无法实现内部填料结构和表面结构的多尺度结构控制等问题，开发一种新型的基于多尺度结构控制的高分子导热复合材料成型方法和装置具有重大意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、成型效率高的基于多尺度结构控制的高分子导热复合材料成型方法。

本发明的另一目的在于提供一种用于实现上述方法的基于多尺度结构控制的高分子导热复合材料成型装置。

本发明的技术方案为：一种基于多尺度结构控制的高分子导热复合材料成型方法，首先对填料进行磁化改性，使其具备顺磁性，并通过熔融共混或溶液共混等方式制备复合材料坯料，随后将复合材料坯料加热至高弹态，并置于磁场中，通过改变外加磁场强度、磁场类型和磁场作用时间等工艺条件实现对聚合物内部填料的可控定向排列，同时利用具有有序结构的模具对坯料进行模压，将模具表面的有序结构压印到复合材料表面，最后对复合材料制品进行冷却脱模，一步成型具有内部填料通路和表面有序结构的聚合物导热功能材料。