專利名稱：：導(dǎo)熱復(fù)合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明總體上涉及一種改進(jìn)的復(fù)合材料。更具體地說，本發(fā)明涉及一種易于成型(moldable)或鑄塑(castable)的導(dǎo)熱復(fù)合材料。
背景技術(shù)：
：在散熱工業(yè)中皆知的是使用金屬材料用于導(dǎo)熱用途，例如為冷卻半導(dǎo)體器件組件所需的熱散逸。對(duì)于這些用途如散熱器，一般從塊狀金屬上將金屬材料切削或機(jī)械加工成所需的形狀。然而，這種金屬導(dǎo)熱制品通常非常笨重，機(jī)械加工成本高并且易于腐蝕。而且，機(jī)械加工的金屬散熱制品的幾何形狀受到與機(jī)械或切削加工過程有關(guān)的固有缺點(diǎn)的很大限制。結(jié)果，使用機(jī)械加工成所需形狀的金屬材料的要求僅由于其設(shè)計(jì)上的問題而在散熱設(shè)計(jì)上存在嚴(yán)重的局限性，尤其是當(dāng)已知其有一定的幾何形狀時(shí)，該要求應(yīng)能達(dá)到較高的效率，但卻由于機(jī)械加工金屬制品的局限性而無法達(dá)到。在已有技術(shù)中大家都知道改進(jìn)散熱制品的整個(gè)幾何形狀能顯著地提高制品的總性能，即使材料是相同的。因此，改進(jìn)散熱器幾何形狀的需求要求尋找一種替換方法來機(jī)械加工塊狀金屬材料。為了滿足這個(gè)需求，在已有技術(shù)中業(yè)已進(jìn)行了多種嘗試，制備包含其中所述的導(dǎo)熱填料的成型組合物，以便獲得所需的導(dǎo)熱性。使導(dǎo)熱復(fù)合材料成型的能力能設(shè)計(jì)出幾何形狀較為復(fù)雜的部件，從而改進(jìn)部件的性能。在已有技術(shù)中進(jìn)行的嘗試包括使用填有粒狀材料如氮化硼顆粒的聚合物基體。同樣，業(yè)已進(jìn)行了多種嘗試，以期獲得填有薄片狀填料的聚合物基體。這些嘗試事實(shí)上是可成型為復(fù)雜的幾何形狀，但仍不能達(dá)到金屬機(jī)械加工部件所具有的所需性能的程度。另外，已知的導(dǎo)熱塑料材料是不適宜的，因?yàn)槠渲圃煲话惴浅０嘿F，這是由于它要使用非常昂貴的填料。再者，由于在成型過程中對(duì)填料排列的關(guān)注，故必須以極高的精密度來使這些導(dǎo)熱復(fù)合材料成型。即使精密成型和設(shè)計(jì)，流體湍流、由于產(chǎn)品復(fù)雜幾何形狀而與模具發(fā)生碰撞等固有問題也都使其不能很好地讓填料定位，這樣組合物的性能比期望的要差得多。而且，組合物的整個(gè)基體都必須令人滿意，因?yàn)闊醾鲗?dǎo)是一種整體性能(bulkproperty)，而非諸如電傳導(dǎo)那樣的直接路徑性能。需要直接路徑來導(dǎo)電。然而，熱是在整體中進(jìn)行傳導(dǎo)的，其中用物體的整個(gè)體積來進(jìn)行傳導(dǎo)。因此，即使讓高度導(dǎo)熱的窄導(dǎo)管穿過導(dǎo)熱低得多的物體，其熱傳導(dǎo)也不如在整個(gè)物體中一定程度上均勻?qū)岬奈矬w那么好。因此，復(fù)合材料體整個(gè)基體的導(dǎo)熱性的一致性對(duì)整體高導(dǎo)熱性來說是至關(guān)重要的。鑒于上述狀況，目前需要一種高度導(dǎo)熱的復(fù)合材料。另外，需要一種可成型或鑄塑成復(fù)雜產(chǎn)品幾何形狀的復(fù)合材料。也需要這樣一種可成型制品，其導(dǎo)熱性盡可能與純金屬導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱性接近，而其制造成本比較低。發(fā)明的概述本發(fā)明保持了已有技術(shù)中導(dǎo)熱塑料組合物的優(yōu)點(diǎn)。另外，它能提供目前商購組合物所沒有的新優(yōu)點(diǎn)，并克服這種目前商購組合物的許多缺點(diǎn)。本發(fā)明總體上涉及新穎和獨(dú)特的導(dǎo)熱塑料復(fù)合材料，其有在熱量必須從一個(gè)區(qū)域轉(zhuǎn)移到另一個(gè)區(qū)域以免器件損壞的散熱用途中的特殊應(yīng)用。本發(fā)明的復(fù)合材料是一種能以較低的成本來制造的高度導(dǎo)熱的復(fù)合材料。本發(fā)明的導(dǎo)熱成型組合物具有高于22W/m°K的熱導(dǎo)率。導(dǎo)熱組合物包含30-60體積％的聚合物基體(polymerbasematrix)。在該組合物中含有25-60體積％的第一種導(dǎo)熱填料，該填料具有至少為10∶1的較高長寬比。在該組合物混合物中也含有10-25體積％的第二種導(dǎo)熱填料，該填料具有5∶1或更小的較低長寬比。在本發(fā)明組合物的成型過程中，將混合物加到模腔內(nèi)，使其流成各種部件的幾何形狀。長寬比高的填料通常隨混合物在模具中的流動(dòng)而排列，但在其中固有地留下小的無規(guī)空隙?；旌衔镏虚L寬比低的填料填充著混合物中長寬比高的填料之間的空隙。結(jié)果，填料組分之間的界面數(shù)目和基體厚度都大大減小，這樣就使導(dǎo)熱性和性能都優(yōu)于已有技術(shù)導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱性和性能。因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種具有比已有技術(shù)復(fù)合材料高得多的熱導(dǎo)率的導(dǎo)熱復(fù)合材料。本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種可成型的導(dǎo)熱復(fù)合材料。本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種成本低的導(dǎo)熱復(fù)合材料。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種能成型為復(fù)雜部件幾何形狀的導(dǎo)熱復(fù)合材料。本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種重量比金屬材料明顯更輕的導(dǎo)熱復(fù)合材料。本發(fā)明的還有一個(gè)目的是提供一種熱導(dǎo)率接近純金屬材料的熱導(dǎo)率的導(dǎo)熱復(fù)合材料。附圖的簡要說明本發(fā)明特有的新穎特征將在所附的權(quán)利要求書中闡明。然而，本發(fā)明的較好實(shí)施方案連同進(jìn)一步的目的和附帶的優(yōu)點(diǎn)將參考與所附附圖結(jié)合在一起的下述詳細(xì)描述而得以更好地理解，所述附圖是圖1是在基體中使用長寬比低的填料的已有技術(shù)導(dǎo)熱復(fù)合材料的橫截面；圖2是在基體中使用長寬比高的填料的已有技術(shù)導(dǎo)熱復(fù)合材料的橫截面，其中圖示的填料是理論理想化的排列；圖3是在基體中使用長寬比高的填料的已有技術(shù)導(dǎo)熱復(fù)合材料的橫截面，其中圖示的填料是成型后的實(shí)際排列；圖4是使用長寬比高的填料和長寬比低的填料的本發(fā)明導(dǎo)熱復(fù)合材料的橫截面；圖5A是具有薄片狀外形的長寬比高的填料組分的頂視圖；圖5B是沿圖5A中5B-5B線的橫截面圖；圖6A是具有稻谷狀外形的長寬比高的填料組分的頂視圖；圖6B是沿圖6A中6B-6B線的橫截面圖；圖7A是具有股線狀外形的長寬比高的填料組分的頂視圖；圖7B是沿圖7A中7B-7B線的橫截面圖；圖8是具有胡須狀外形的長寬比高的填料組分的頂視圖；圖9是長寬比低的球形填料組分的頂視圖；和圖10是長寬比低的顆粒填料組分的頂視圖。實(shí)施本發(fā)明的方式首先參看圖1-3，圖示了容易商購的各種已有技術(shù)的復(fù)合材料10和30。尤其是，這些已有技術(shù)的復(fù)合材料10和30通常顯示有如聚合物基體12和不同類型的填料14和16。為清楚和便于說明起見，這些組合物的每一種都是以放大比例來圖示的。如圖1所示，提供了一種含有聚合物基體12和球形填料14的已有技術(shù)復(fù)合材料10的橫截面圖。在這個(gè)已有技術(shù)的例子中，基體12填有長寬比低的填料12，該填料的長度與寬度之比一般小于5∶1。例如，該混合物可以包含40體積％的基體和60體積％的粒狀或球形填料。聚合物基體12基本上是不導(dǎo)熱的，球形填料14是一種金屬材料或氮化硼，其獨(dú)立熱導(dǎo)率的數(shù)量級(jí)約為400W/m°K?？梢钥闯鰧?dǎo)熱填料在聚合物基體中的填充將使該材料具有導(dǎo)熱性，并使材料可成型。當(dāng)用作導(dǎo)熱體時(shí)，材料10必須能將熱量例如從材料的X側(cè)傳熱到Y(jié)側(cè)。在此傳熱過程中，熱量必須從導(dǎo)熱填料組分傳到相鄰的導(dǎo)熱填料組分，從而通過從X到Y(jié)的路徑。由于圖1選擇的填料是長寬比低的粒狀或球形組分，故熱量必須穿過幾個(gè)填料組分之間的多個(gè)界面以及位于填料組分之間的不導(dǎo)熱聚合物。熱量必須穿過的界面越多和熱量必須通過的聚合物越多，則熱導(dǎo)率的下降就越大。而且，填料的加入量過多會(huì)阻止基體聚合物浸潤，從而在最終成型產(chǎn)品中導(dǎo)致不希望有的小氣泡?，F(xiàn)在參看圖2，理想化的已有技術(shù)組合物20在聚合物基體12中使用長寬比高的填料16。圖2說明了試圖解決上述與在熱傳導(dǎo)的兩個(gè)點(diǎn)之間太多界面和太多聚合物有關(guān)的問題。圖2說明了理想化的組合物20，其中長寬比高的填料16在聚合物基體12中完美地排列著。在此理想化的組合物20中，長寬比高的填料16完美地排列，從而減少了熱量必須穿過的界面的數(shù)目和熱量必須通過的聚合物12的體積。在此理想化的組合物中，當(dāng)從點(diǎn)X傳到Y(jié)時(shí)僅遇到2或3個(gè)界面，與此相反，在圖1中的組合物10要遇到7或8個(gè)界面。盡管圖2所示的組合物20是理想化和優(yōu)選的，但實(shí)際上在本領(lǐng)域中不可能達(dá)到這種狀態(tài)。這主要是由于成型部件的幾何形狀。如上所述，使用導(dǎo)熱塑料組合物的一個(gè)主要原因是它可成型為較復(fù)雜的幾何形狀，從而達(dá)到較好的散熱效果。因此，當(dāng)將導(dǎo)熱聚合物材料成型時(shí)，一般會(huì)遇到復(fù)雜的部件幾何形狀。對(duì)于這些復(fù)雜的幾何形狀，填有填料的基體的湍流流動(dòng)是常見的，從而導(dǎo)致填料的碰撞和不均勻的排列。盡管長寬比高的填料的平行排列顯然是優(yōu)選的，但這不可能達(dá)到。而且，湍流流動(dòng)和與模具邊緣的碰撞通常會(huì)使長寬比高的填料斷裂，尤其是其長寬比大于20∶1時(shí)。圖3說明了含有填料16的實(shí)際組合物30，所述填料16與聚合物12中的相鄰填料16略微有點(diǎn)平行。圖3是本領(lǐng)域遇到的情況，與圖2所示的理論理想化的排列相反，這是與含有填料的成型材料有關(guān)的固有問題所致。從圖3可以看出，與圖1相比，從點(diǎn)X傳到Y(jié)過程中的界面數(shù)或從一個(gè)填料16到另一個(gè)填料的轉(zhuǎn)變數(shù)減少，然而，在傳導(dǎo)路徑上不導(dǎo)熱聚合物材料的體積卻增大，這樣就大大降低了組合物從X到Y(jié)路徑的總熱導(dǎo)率。而且，長寬比高的填料16的斷裂也會(huì)使組合物的熱導(dǎo)率下降?，F(xiàn)在參看圖4，它圖示了本發(fā)明的組合物100。組合物100包含基體112，它較好是一種聚合物材料，如液晶聚合物。填入聚合物基體112中的是長寬比低的填料114和長寬比高的填料116，兩者都是高度導(dǎo)熱的材料。本發(fā)明在相同的基體112中使用長寬比低的填料114和長寬比高的填料116。如圖3所示，長寬比高的填料116的完美平行排列是不可能達(dá)到的。結(jié)果，在排列差的長寬比高的填料116之間會(huì)存在太多的空隙。本發(fā)明使用長寬比低的填料114來填充由于成型過程中湍流和復(fù)雜模具幾何形狀所致的相鄰長寬比高的填料之間自然存在的空隙。由于在同一組合物中使用長寬比低的填料和長寬比高的填料，故轉(zhuǎn)變表面的總數(shù)目可以大大減少，同時(shí)可以用先前填充在圖3所示不導(dǎo)熱聚合物中的長寬比低的填料來替代空隙。圖4所示的本發(fā)明組合物100包含基體112，它較好是由液晶聚合物制成。液晶聚合物由于其高度結(jié)晶性和其排列填入其中的填料的自然傾向而優(yōu)選。各種其它類型的聚合物也可以使用。而且，若需要壓鑄導(dǎo)熱體來使用，則基體可以是金屬材料。如圖5-8所示，可以使用各種不同類型的長寬比高的填料，它們?nèi)远荚诒景l(fā)明的范圍內(nèi)。如圖5A和5B所示，將長寬比高的填料116圖示成薄片狀或片狀外形122，其長度為L，厚度為T。圖6A和6B說明了另一種長寬比高的填料116，將其圖示成稻谷狀外形124，其長度為L，厚度為T。圖7A和7B圖示了股線狀外形126，其長度為L，厚度為T。圖8圖示了胡須狀外形128，其長度為L，厚度為T。例如，長寬比高的填料較好是2/1000-4/1000英寸厚、40/1000英寸長的碳薄片，從而達(dá)到最小長寬比約為10∶1。長寬比較好高達(dá)50∶1或甚至更高。盡管這種尺寸是較好的，但視所需的用途可以采用其它大小的長寬比高的填料?；蛘撸部梢允褂弥睆綖?00微米的碳纖維。在圖5-8所示的這些適用于本發(fā)明的每一種外形中，長度L與厚度T的長寬比至少為10∶1。而且，用作長寬比高的填料116的材料可以是鋁、氧化鋁、銅、鎂、黃銅和碳?，F(xiàn)在參看圖9和10，它們圖示了合適的長寬比低的填料外形的兩個(gè)例子。圖9圖示了基本上球形的填料外形130，其中該組分的直徑為D。這樣，這種填料外形的長寬比約為1∶1。另外，圖10說明了顆粒狀或粒狀填料外形132用作長寬比低的填料114。這種粒狀外形132的形狀略微有點(diǎn)不規(guī)則，其高度H與寬度W之比為2∶1或類似比例。按本發(fā)明，長寬比低的填料114的長寬比為5∶1或更小。而且，用作長寬比低的填料114的材料可以是鋁、氧化鋁、銅、鎂、黃銅和碳。長寬比低的填料的直徑或?qū)挾容^好約為10/1000英寸，但視所需的用途可為不同的大小。在本發(fā)明的復(fù)合材料混合物中，按體積計(jì)，較好的是基體112占30-60％；長寬比高的填料116占25-50％；長寬比低的填料114占10-25％。在上述所披露的范圍內(nèi)，可以獲得高的體積填充和合適的浸潤。下面是本發(fā)明的實(shí)施例和較好的實(shí)施方案。實(shí)施例提供占組合物混合物50％(體積)的液晶聚合物基體。提供占組合物混合物約35％(體積)的長寬比約為50∶1、獨(dú)立熱導(dǎo)率約為800W/m°K的長寬比高的碳薄片。最后，提供15％(體積)長寬比約為4∶1并且獨(dú)立熱導(dǎo)率約為400W/m°K的氮化硼顆粒。下述比較說明了圖1和3所示的已有技術(shù)組合物的熱導(dǎo)率與圖4所示的本發(fā)明組合物的熱導(dǎo)率相比較。基于上述內(nèi)容，可以制得優(yōu)良的可成型、高度導(dǎo)熱的復(fù)合材料。對(duì)已有技術(shù)明顯改進(jìn)的本發(fā)明的組合物嘗試制造這種可成型的導(dǎo)熱材料。尤其是，本發(fā)明所提供的熱導(dǎo)率，極大地改進(jìn)了已知的組合物，從而允許部件的幾何形狀復(fù)雜，這樣就能制得更為有效的散熱器件。本領(lǐng)域的技術(shù)熟練者應(yīng)明白的是在不偏離本發(fā)明精神的情況下可以對(duì)所列舉的實(shí)施方案作出各種改變和改進(jìn)。認(rèn)為所有這些改進(jìn)和改變都被所附的權(quán)利要求書覆蓋。權(quán)利要求1.一種高度導(dǎo)熱的成型組合物，它的熱導(dǎo)率高于22W/m°K，它包含30-60體積％的聚合物基體；25-60體積％的第一種導(dǎo)熱填料，所述第一種導(dǎo)熱填料的長寬比至少為10∶1；和10-25體積％的第二種導(dǎo)熱填料，所述第二種導(dǎo)熱填料的長寬比小于5∶1。2.如權(quán)利要求1所述的成型組合物，其中所述聚合物基體是液晶聚合物。3.如權(quán)利要求1所述的成型組合物，其中所述第一種導(dǎo)熱填料的形狀是薄片狀。4.如權(quán)利要求1所述的成型組合物，其中所述第一種導(dǎo)熱填料的形狀是稻谷狀。5.如權(quán)利要求1所述的成型組合物，其中所述第一種導(dǎo)熱填料的形狀是股線狀。6.如權(quán)利要求1所述的成型組合物，其中所述第一種導(dǎo)熱填料的形狀是胡須狀。7.如權(quán)利要求1所述的成型組合物，其中所述第一種導(dǎo)熱填料是選自鋁、氧化鋁、銅、鎂和黃銅的金屬材料。8.如權(quán)利要求1所述的成型組合物，其中所述第一種導(dǎo)熱填料是碳材料。9.如權(quán)利要求1所述的成型組合物，其中所述第二種導(dǎo)熱填料的形狀是球形。10.如權(quán)利要求1所述的成型組合物，其中所述第二種導(dǎo)熱填料的形狀是顆粒狀。11.如權(quán)利要求1所述的成型組合物，其中所述第二種導(dǎo)熱填料是選自鋁、氧化鋁、銅、鎂和黃銅的金屬材料。12.如權(quán)利要求1所述的成型組合物，其中所述第二種導(dǎo)熱填料是氮化硼。13.如權(quán)利要求1所述的成型組合物，其中所述第二種導(dǎo)熱填料是碳。14.如權(quán)利要求1所述的成型組合物，其中所述聚合物基體占約50體積％；所述第一種導(dǎo)熱填料占約35體積％；和所述第二種導(dǎo)熱填料占約15體積％。15.一種導(dǎo)熱聚合物組合物，它包含聚合物、第一種導(dǎo)熱填料和第二種導(dǎo)熱填料的混合物，所述第一種導(dǎo)熱填料的長寬比大于10∶1，所述第二種導(dǎo)熱填料的長寬比小于5∶1。16.如權(quán)利要求15所述的聚合物組合物，其中所述聚合物是液晶聚合物。17.如權(quán)利要求15所述的聚合物組合物，其中所述第一種導(dǎo)熱填料是碳薄片。18.如權(quán)利要求15所述的聚合物組合物，其中所述第二種導(dǎo)熱填料是氮化硼顆粒。19.如權(quán)利要求15所述的聚合物組合物，其中所述組合物的熱導(dǎo)率高于23W/m°K。20.一種導(dǎo)熱組合物，它包含基體材料；具有較高長寬比外形的第一種導(dǎo)熱填料；和具有較低長寬比外形的第二種導(dǎo)熱填料。21.如權(quán)利要求20所述的導(dǎo)熱組合物，其中所述基體材料是金屬材料。22.如權(quán)利要求20所述的導(dǎo)熱組合物，其中所述基體材料是聚合物。23.如權(quán)利要求20所述的導(dǎo)熱組合物，其中所述第一種導(dǎo)熱填料的長寬比至少為10∶1。24.如權(quán)利要求20所述的導(dǎo)熱組合物，其中所述第二種導(dǎo)熱填料的長寬比為5∶1或更小。全文摘要提供一種熱導(dǎo)率高于22W/m°K的導(dǎo)熱成型組合物(100)。導(dǎo)熱組合物(100)包含30－60體積%的聚合物基體(12)。在該組合物中含有25－60體積%的第一種導(dǎo)熱填料(116),該填料具有至少為10∶1的較高長寬比。在該組合物混合物(100)中也含有10－25體積%的第二種導(dǎo)熱填料(114),該填料具有5∶1或更小的較低長寬比。文檔編號(hào)C08L101/00GK1333801SQ99815810公開日2002年1月30日申請(qǐng)日期1999年10月14日優(yōu)先權(quán)日1999年1月29日發(fā)明者K·A·麥卡洛申請(qǐng)人:酷選擇股份有限公司