本發(fā)明涉及聚合物基導(dǎo)熱界面材料，更具體的涉及一種取向碳纖維填充有機(jī)硅復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、隨著現(xiàn)代微型設(shè)備、微處理器、led等電子產(chǎn)品封裝功率密度的不斷增加，散熱方法和散熱效率越來(lái)越引起人們的關(guān)注。隨著芯片功率的不斷增加，最大限度的減少器件熱阻，提高散熱效率對(duì)于保證微型電子器件的高性能和穩(wěn)定性具有非常重要的意義。導(dǎo)熱界面材料用于在整個(gè)熱流路徑中連接兩種不同材料，可以有效改善兩個(gè)固體界面間的熱傳導(dǎo)，提高電子元器件的熱管理水平，在熱封裝領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。導(dǎo)熱界面材料通常是以高分子材料作為基體，填充一定量的導(dǎo)熱填料而形成的復(fù)合材料。一般來(lái)說(shuō)，導(dǎo)熱填料主要包括金屬、陶瓷和碳材料三種類型，而高分子基體材料通常是有機(jī)硅、橡膠和樹(shù)脂材料居多。

2、高分子基體材料主要影響導(dǎo)熱界面材料的制備工藝和機(jī)械性能，而導(dǎo)熱填料則是決定導(dǎo)熱界面材料導(dǎo)熱性能的主要因素。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)向聚合物基體中填充適當(dāng)粒徑和填充量的導(dǎo)熱填料，使其達(dá)到導(dǎo)熱界面材料的滲濾閾值，聚合物基體和導(dǎo)熱填料之間可以形成較為完成的導(dǎo)熱通路，從而大幅提高導(dǎo)熱界面材料的導(dǎo)熱性能。這種直接向聚合物基體中添加導(dǎo)熱填料的方法，不涉及復(fù)雜的物理過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)，整體工藝流程安全簡(jiǎn)單。然而，為了獲得具有理想導(dǎo)熱性能的導(dǎo)熱界面材料，研究人員主要是通過(guò)向有機(jī)硅、環(huán)氧樹(shù)脂聚合物基體材料中添加導(dǎo)熱填料如銅、鋁、氧化鋁、氮化硼、石墨烯等來(lái)提高聚合物基復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，通過(guò)簡(jiǎn)單的物理共混將無(wú)機(jī)導(dǎo)熱填料分散在聚合物基體中，從而獲得具備一定導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能的聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料。但是向聚合物基體中添加高填充量的導(dǎo)熱填料，這會(huì)降低導(dǎo)熱界面材料的變形能力，并使導(dǎo)熱復(fù)合材料出現(xiàn)容易發(fā)生開(kāi)裂等問(wèn)題。此外，高填充量的導(dǎo)熱填料在聚合物基體中的無(wú)規(guī)分布，會(huì)加劇復(fù)合材料中的聲子散射和界面熱阻，難以形成高效的導(dǎo)熱通路，不利于提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)以上問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種取向碳纖維填充有機(jī)硅復(fù)合材料及其制備方法，本發(fā)明制備的取向碳纖維填充有機(jī)硅復(fù)合材料引入了植酸和四氧化三鐵，使得碳纖維在低填充量的情況仍具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能。

2、本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種取向碳纖維填充有機(jī)硅復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：在有機(jī)溶劑中，對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理去除有機(jī)雜質(zhì)，然后進(jìn)行氧化處理得到氧化碳纖維。將氧化碳纖維和植酸加入到水中，在30℃~50℃發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，得到植酸改性碳纖維；將植酸改性碳纖維加入到水中，在50℃~70℃下加入氯化鐵和硫酸亞鐵，通過(guò)植酸與鐵離子的螯合作用將鐵離子固定在植酸改性碳纖維表面，加入氫氧化鈉，發(fā)生共沉淀反應(yīng)，得到植酸-四氧化三鐵改性碳纖維；例如，絡(luò)合反應(yīng)的反應(yīng)溫度為30℃、35℃、40℃、45℃、50℃等。加入氯化鐵和硫酸亞鐵的溫度為50℃、55℃、60℃、65℃、70℃等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，上述數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

3、將乙烯基硅油、含氫硅油和催化劑混合均勻后，加入植酸-四氧化三鐵改性碳纖維，進(jìn)行均質(zhì)處理和脫泡處理后，在外加磁場(chǎng)中使植酸-四氧化三鐵改性碳纖維沿磁場(chǎng)方向定向取向排布，然后固化得到取向碳纖維填充有機(jī)硅復(fù)合材料。

4、本發(fā)明在制備過(guò)程中，首先對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理，去除碳纖維制備過(guò)程中殘留于碳纖維表面的有機(jī)雜質(zhì)，然后在進(jìn)行氧化處理得到氧化碳纖維，在氧化碳纖維表面引入植酸，植酸是一種含磷有機(jī)酸，具有多個(gè)磷酸基團(tuán)，這使得它能夠與氧化碳纖維表面發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，得到植酸改性碳纖維；然后以植酸改性碳纖維為原料，利用植酸對(duì)金屬離子的螯合作用將鐵離子固定到碳纖維表面，然后加入氫氧化鈉，通過(guò)鐵離子的共沉淀反應(yīng)將磁性四氧化三鐵納米粒子沉積到瀝青基碳纖維表面。得到植酸-四氧化三鐵改性碳纖維；然后在外加磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，植酸-四氧化三鐵改性碳纖維在有機(jī)硅復(fù)合材料發(fā)生取向，得到取向碳纖維填充有機(jī)硅復(fù)合材料。本發(fā)明使用的碳纖維為瀝青基碳纖維，瀝青基碳纖維具有優(yōu)異的導(dǎo)熱系數(shù)。

5、本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，氧化碳纖維和植酸的比例為1g：7mg~8mg，絡(luò)合反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間為24h~48h。例如，氧化碳纖維和植酸的比例為1g：7mg、1g：7.5mg、1g：8mg等，絡(luò)合反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間為24h、30h、36h、42h、48h等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，上述數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

6、本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，植酸改性碳纖維和氯化鐵的質(zhì)量比為10：3~4.5；例如，植酸改性碳纖維和氯化鐵的質(zhì)量比為10：3、10：3.5、10：4、10：4.5等；植酸改性碳纖維和硫酸亞鐵的質(zhì)量比為10：1.5~4；例如，植酸改性碳纖維和硫酸亞鐵的質(zhì)量比為10：1、10：2、10：3、10：4等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，上述數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

7、本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，植酸改性碳纖維和氫氧化鈉的質(zhì)量比為1：0.2~0.5。例如，植酸改性碳纖維和氫氧化鈉的質(zhì)量比為1：0.2、1：0.3、1：0.4、1：0.5等；共沉淀反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間為1h~3h，例如，共沉淀反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間為1h、2h、3h等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，上述數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

8、本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，乙烯基硅油和含氫硅油的質(zhì)量比為100：2.5~4；例如，乙烯基硅油和含氫硅油的質(zhì)量比為100：2.5、100：3、100：3.5、100：4等；乙烯基硅油和催化劑的質(zhì)量比為100：0.3~0.7，例如，乙烯基硅油和催化劑的質(zhì)量比為100：0.3、100：0.4、100：0.5、100：0.6、100：0.7等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，上述數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

9、本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，植酸-四氧化三鐵改性碳纖維的添加量為乙烯基硅油和含氫硅油總質(zhì)量的10%~20%，例如，植酸-四氧化三鐵改性碳纖維的添加量為乙烯基硅油和含氫硅油總質(zhì)量的10%、12%、14%、16%、18%、20%等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，上述數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

10、本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，外加磁場(chǎng)的時(shí)間為1h~1.5h，例如，外加磁場(chǎng)的時(shí)間為1h、1.1h、1.2h、1.3h、1.4h、1.5h等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，上述數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

11、本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，表面處理是40℃~60℃下處理10h~14h；例如，表面處理的處理溫度為40℃、50℃、60℃等，處理時(shí)間為10h、11h、12h、13h、14h等。氧化處理是以硝酸和硫酸為溶液，40℃~60℃下處理4-6h，例如。氧化處理的處理溫度為40℃、50℃、60℃等，處理時(shí)間為4h、4.5h、5h、5.5h、6h等，但不僅限于所列舉的數(shù)值，上述數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。

12、本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供上述制備方法制備得到的取向碳纖維填充有機(jī)硅復(fù)合材料。

13、本發(fā)明的第三個(gè)目的是提供上述取向碳纖維填充有機(jī)硅復(fù)合材料在制備導(dǎo)熱材料中的應(yīng)用。

14、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

15、在本發(fā)明中，首先通過(guò)植酸的絡(luò)合作用將植酸接枝到瀝青基碳纖維表面，然后利用植酸對(duì)金屬離子的螯合作用和鐵離子共沉淀反應(yīng)將磁性四氧化三鐵納米粒子沉積到瀝青基碳纖維表面。植酸作為連接劑能夠增強(qiáng)磁性四氧化三鐵納米粒子與瀝青基碳纖維的結(jié)合力，并提高磁性四氧化三鐵納米粒子在瀝青基碳纖維表面的穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)植酸和磁性四氧化三鐵納米粒子共同改性的瀝青基碳纖維具有磁響應(yīng)性，在外加磁場(chǎng)作用下誘導(dǎo)改性瀝青基碳纖維在有機(jī)硅基體中垂直取向，在低導(dǎo)熱填料填充量下制備出取向碳纖維填充有機(jī)硅導(dǎo)熱復(fù)合材料。有機(jī)硅導(dǎo)熱復(fù)合材料中的碳纖維取向方向與聲子傳遞方向相一致，形成有效的導(dǎo)熱通路，大幅提高有機(jī)硅復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。本發(fā)明能夠使瀝青基碳纖維在有機(jī)硅基體中定向取向，形成高效的導(dǎo)熱通路，從而在低填充量下獲得高性能導(dǎo)熱復(fù)合材料，并保持有機(jī)硅復(fù)合材料良好的柔韌性和力學(xué)性能。