CN111312675A

CN111312675A - 传热储热片及其制备方法以及散热结构

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Publication number: CN111312675A
Application number: CN202010273053.6A
Authority: CN
Inventors: 杜鸿达; 陈威; 龙晴明; 于孟雪; 康飞宇
Original assignee: Shenzhen International Graduate School of Tsinghua University
Current assignee: Shenzhen International Graduate School of Tsinghua University
Priority date: 2020-04-09
Filing date: 2020-04-09
Publication date: 2020-06-19
Anticipated expiration: 2040-04-09
Also published as: CN111312675B

Abstract

本发明公开了一种传热储热片，包括：传热层，所述传热层包括硅胶基体以及位于所述硅胶基体中的导热填料，所述导热填料包括定向分布的一维材料、二维材料以及随机分布的三维材料；以及储热层，所述储热层与所述传热层堆叠设置，所述储热层包括所述硅胶基体以及位于所述硅胶基体中的所述导热填料与相变材料，所述相变材料包括定形相变材料。本发明提供的所述传热储热片具有填料填充量小，导热系数高，蓄热系统的传热性能好，储热和蓄热时间短以及换热效率高的特点。本发明还公开了一种传热储热片的制备方法以及一种散热结构。

Description

传热储热片及其制备方法以及散热结构

技术领域

本发明涉及传热储热材料技术领域，尤其涉及一种传热储热片及其制备方法以及散热结构。

背景技术

近年来，随着芯片、功率器件等电子元器件的集成度越来越大，对于散热的需求越来越高，散热空间变得越来越小，热流密度越来越高，对散热系统的设计要求也越来越高。目前电子元器件一般通过在电子元器件的发热面邻接散热片进行散热，热源表面与散热件接触表面之间会产生接触热阻，同时热源表面及散热件表面具有一定的粗糙度，使接触界面存在空气，导致热阻增加。为降低热源表面与散热件接触表面之间的接触热阻，提高散热效率，一般在热源和散热件之间填充导热硅胶片。

然而，导热硅胶片通过在硅胶基体中填充导热填料，以提高其导热性能。常用的导热填料主要是无机粉体，而无机粉体需要很高的填充量才能达到较高的热导率，而高填充量又会严重影响硅胶的机械性能。

相变储热材料在物态变化时吸收或放出大量相变潜热而实现储热。在相变过程中，相变温度恒定，可实现控温的目的。因此，相变储热材料可以吸收电子器件在工作时散发的热量，并使电子器件的温度维持在相变材料的相变温度附近，使温度控制在电子器件工作的最佳温度范围，从而保证电子器件工作的稳定性，并且延长电子器件的工作寿命。然而，绝大多数的相变材料存在导热系数过低的问题，使蓄热系统的传热性能较差，储热和蓄热时间较长，进而降低了系统的热效率。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种传热储热片，该传热储热片具有填料填充量小，导热系数高，蓄热系统的传热性能好，储热和蓄热时间短以及换热效率高的特点。

另，还有必要提供一种上述传热储热片的制备方法。

另，还有必要提供一种包括上述传热储热片的散热结构。

本发明提供一种传热储热片，包括：

传热层，所述传热层包括硅胶基体以及位于所述硅胶基体中的导热填料，所述导热填料包括定向分布的一维材料、二维材料以及随机分布的三维材料；以及

储热层，所述储热层与所述传热层堆叠设置，所述储热层包括所述硅胶基体以及位于所述硅胶基体中的所述导热填料与相变材料，所述相变材料包括定形相变材料。

本发明还提供一种传热储热片的制备方法，包括如下步骤：

将导热填料以及双组分硅胶混合，得到传热相材料；

将所述导热填料、微/纳胶囊相变材料以及所述双组分硅胶混合，得到储热相材料；

将所述传热相材料以及所述储热相材料分别转入两个打印管中，并分别对两个所述打印管抽真空处理；

将两个所述打印管连接打印机并交替进行打印；以及

固化、模切，得到所述传热储热片。

本发明还提供一种散热结构，所述散热结构包括所述的传热储热片，所述散热结构还包括发热源以及散热部件，所述传热储热片位于所述发热源与所述散热部件之间。

本发明中的所述传热层与所述储热层间隔分布，优化了所述传热储热片的结构，同时所述传热层与所述储热层层层堆叠，依次加热固化，有效的避免了层间的孔隙。此外，所述储热层中使用了定形相变材料，定形相变材料同时具有固-液相变材料储能密度大和固-固相变材料无液体渗漏的优点。所述传热层中定向排列的一维、二维材料增加了所述传热层的导热系数，并实现了单向热量快速传递，同时提高相变材料的储热效率和速度，有效延缓界面处的温升速度。同时，所述储热层中的导热填料与相变材料的复合进一步提高了所述储热层的导热系数以及所述储热层的换热效率。

附图说明

图1是本发明较佳实施例提供的传热储热片的结构示意图。

图2是本发明较佳实施例提供的传热储热片的制备流程图。

图3是本发明较佳实施例提供的散热结构的结构示意图。

主要元件符号说明

传热储热片 100

传热层 10

储热层 20

散热结构 200

发热源 210

散热部件 220

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1，本发明较佳实施方式提供一种传热储热片100，其可以应用于电子元器件、电池材料、电动汽车、建筑节能、太阳能利用、工业余热回收、电力削峰填谷及航空航天等领域。所述传热储热片100包括传热层10以及储热层20。

所述传热层10包括硅胶基体以及位于所述硅胶基体中的导热填料。在本实施方式中，所述硅胶基体为双组分硅胶。两个组分的用量比例可根据所述硅胶基体的硬度进行调整。

在本实施方式中，所述导热填料包括定向分布的一维材料、二维材料以及随机分布的三维材料。具体地，所述导热填料可为无机粉体以及金属颗粒等。所述一维材料包括沥青基碳纤维、石墨纤维、碳纳米管、碳纳米管纤维以及石墨烯纤维中的至少一种，所述二维材料包括石墨、膨胀石墨、氮化硼以及石墨烯中的至少一种。所述传热层中的所述一维材料以及所述二维材料在所述传热层中的体积比为10％-50％。所述传热层中的所述一维材料的直径为5-15μm，长度为50-500μm。优选地，所述传热层中的所述一维材料的直径为10μm，长度为150μm或250μm。所述传热层中的所述二维材料的片径10-300μm。

所述三维材料包括氧化铝粉体、氧化锌粉体、氧化镁粉体、氮化铝粉体、氮化硼粉体、碳化硅粉体、氮化硅粉体、金刚石粉体以及金属粉体中的至少一种。其中，所述三维材料的粒径为50nm-100μm。优选地，所述粉体颗粒的粒径为500nm-10μm。所述三维材料可经过表面改性处理。

所述储热层20与所述传热层10层层堆叠设置，所述储热层20包括所述硅胶基体以及位于所述硅胶基体中的所述导热填料与相变材料。其中，所述储热层中的所述导热填料在所述储热层中的体积比为1％-50％。

在本实施方式中，所述相变材料在所述储热层中的体积比为30％-70％。所述相变材料为固-固相变材料以及固-液相变材料中的至少一种。在本实施方式中，所述相变材料包括定形相变材料。其中，所述定形相变材料包括微/纳胶囊相变材料。所述微/纳胶囊相变材料的粒径为10nm-100μm。优选地，所述微/纳胶囊相变材料的粒径为500nm-50μm。

在本实施方式中，所述微/纳胶囊相变材料为核壳结构，所述核壳结构包括芯材和包围所述芯材的壁材。其中，所述芯材为相变材料，所述壁材为聚合物或无机材料。优选地，所述壁材为无机材料。其中，所述聚合物可为聚乙烯，所述无机材料可为氧化铝以及二氧化硅等。

如图1所示，在本实施方式中，所述传热储热片100中的所述传热层10与所述储热层20均为长条形状且间隔分布。其中，所述传热储热片100的厚度为0.3-5mm。

请参阅图2，本发明较佳实施方式还提供一种传热储热片的制备方法，包括如下步骤：

S11、将导热填料以及双组分硅胶混合，得到传热相材料。

具体地，称取一定质量的导热填料进行干混，混合均匀之后加入双组分硅胶，搅拌之后再真空搅拌2-4h以进行脱泡处理，并使用压料机进行压料，得到传热相材料。

S12、将所述导热填料、微/纳胶囊相变材料以及所述双组分硅胶混合，得到储热相材料。

具体地，称取一定质量的所述导热填料以及微/纳胶囊相变材料，并进行干混，混合均匀之后加入所述双组分硅胶，搅拌之后再真空搅拌2-4h以进行脱泡处理，并使用压料机进行压料，得到储热相材料。

S13、将所述传热相材料以及所述储热相材料分别转入两个打印管中，并分别对两个所述打印管抽真空处理。

其中，可在真空烘箱中对两个所述打印管抽真空处理。

S14、将两个所述打印管连接打印机并交替进行打印。

具体地，设置打印机的程序，控制打印机喷头出料的前后顺序，设定出料的速度，自制圆扁嘴针头进行打印，同时设置一定温度，第一层传热相材料打印完毕，将所述传热相材料半固化，紧接着换喷头打印储热相材料，储热相材料良好的流动性将很好的填充传热相材料的间隙，同时将所述储热相材料半固化，紧接着再打印下一层传热相材料，交替打印，得到层叠设置的多层材料。

其中，所述打印机为3D打印机。在打印时，在挤出的过程中对所述传热相材料中的导热填料(即一维材料和二维材料)进行取向，以使其定向排列。

S15、固化、模切，得到所述传热储热片。

在本实施方式中，固化过程可在烘箱中进行。其中，所述固化的温度为100℃-180℃。固化时间视产物的大小而定。具体地，当步骤S14打印得到多层材料时，在固化之后，还需对固化后的多层材料块体进行模切，如使用超声波切割刀进行切割，从而得到所述传热储热片100。在所述传热储热片100中，固化、模切后的传热相材料为传热层10，固化、模切后的储热相材料为储热层20。

其中，对所述多层材料块体进行切割的厚度为0.3-5mm。即所述传热储热片100的厚度为0.3-5mm，详情见图1。可以理解的，可根据实际需要切割得到任意厚度的所述传热储热片100。

请参阅图3，本发明较佳实施方式还提供一种散热结构200，所述散热结构200包括发热源210、散热部件220以及位于所述发热源210与所述散热部件220之间的所述传热储热片100。

所述发热源210包括芯片以及电池中的至少一种。其中，所述电池可为动力电池。所述散热部件220包括散热器、石墨膜、石墨烯膜、热管、以及热板中的至少一种。其中，所述热板可为VC热板(真空腔均热板)。

下面通过实施例对本发明进行具体说明。

实施例1

第一步、称取38g 300目经过脱硫处理的石墨以及34.8g双组份硅胶，搅拌之后再真空搅拌2-4h以进行脱泡处理，配成传热相材料。

第二步、称取5g粒径为5μm的氧化铝以及44g粒径为5μm的微/纳胶囊相变材料，混合均匀后加入16g的所述双组份硅胶，搅拌之后再真空搅拌2-4h以进行脱泡处理，配成储热相材料。

第三步、将上述第一步和第二步中的传热相材料以及储热相材料分别转入A、B打印管中，并分别进行抽真空处理。

第四步、将两个所述打印管连接3D打印机进行打印，并设置打印机的程序以及出料的前后顺序，第一层传热相材料打印完毕，将所述传热相材料半固化，紧接着打印储热相材料，同时将所述储热相材料半固化，紧接着再打印下一层传热相材料，交替打印，得到层叠设置的多层材料。其中，出料的速度设定为40mm/s，加热台的温度设定为80℃。

第五步、将打印完毕的半固化的所述传热相材料以及半固化的所述储热相材料转移到烘箱中进一步固化，并将固化温度设定为130℃，固化时间设定为5h。

第六步、模切，切割厚度为0.5mm。

实施例2

第一步、称取42g粒径为50μm的氮化硼粉体、70g300目经过脱硫处理的石墨以及106.6g双组份硅胶，搅拌之后再真空搅拌2-4h以进行脱泡处理，配成传热相材料。

第二步、称取17g300目的石墨以及115g粒径为5μm的微/纳胶囊相变材料，混合均匀后加入55g的所述双组份硅胶，搅拌之后再真空搅拌2-4h以进行脱泡处理，配成储热相材料。

第三步至第四步与实施例1中的第三步至第四步相同，请参考实施例1。

第五步与实施例1中的第五步不同的是：将固化温度设定为100℃，固化时间设定为10h。

第六步与实施例1中的第六步相同，请参考实施例1。

实施例3

第一步、称取20g粒径为50μm的氮化硼粉体、10g经过脱硫处理的膨胀石墨以及48g双组份硅胶，搅拌之后再真空搅拌2-4h以进行脱泡处理，配成传热相材料。

第二步、称取6.8g300目的石墨以及49g粒径为5μm的微/纳胶囊相变材料，混合均匀后加入18g的所述双组份硅胶，搅拌之后再真空搅拌2-4h以进行脱泡处理，配成储热相材料。

第三步与实施例1中的第三步相同，请参考实施例1。

第四步与实施例1中的第四步不同的是：将出料的速度设定为45mm/s。

第五步与实施例1中的第五步不同的是：将固化时间设定为3h。

第六步与实施例1中的第六步相同，请参考实施例1。

实施例4

第一步、称取49g粒径为30μm的氮化硼粉体、5g粒径为150μm的沥青基碳纤维以及39g双组份硅胶，搅拌之后再真空搅拌2-4h以进行脱泡处理，配成传热相材料。

第二步、称取5g300目的石墨以及53g粒径为5μm的微/纳胶囊相变材料，混合均匀后加入18g的所述双组份硅胶，搅拌之后再真空搅拌2-4h以进行脱泡处理，配成储热相材料。

第三步至第六步与实施例1中的第三步至第六步相同，请参考实施例1。

实施例5

第一步、称取40g1000目经过脱硫处理的石墨、40g粒径为150μm的沥青基碳纤维以及65g双组份硅胶，搅拌之后再真空搅拌2-4h以进行脱泡处理，配成传热相材料。

第二步、称取39.3g粒径为5μm的氧化铝粉体以及74.5g粒径为5μm的微/纳胶囊相变材料，混合均匀后加入30g的所述双组份硅胶，搅拌之后再真空搅拌2-4h以进行脱泡处理，配成储热相材料。

第三步与实施例1中的第三步相同，请参考实施例1。

第五步与实施例1中的第五步不同的是：将固化时间设定为6h。

第六步与实施例1中的第六步相同，请参考实施例1。

实施例6

第一步、称取40g粒径为3-5μm的氮化硼粉体、40g粒径为150μm的沥青基碳纤维以及64g双组份硅胶，搅拌之后再真空搅拌2-4h以进行脱泡处理，配成传热相材料。

第二步、称取11.2g300目经过脱硫处理的石墨以及73.7g粒径为5μm的微/纳胶囊相变材料，混合均匀后加入35g的所述双组份硅胶，搅拌之后再真空搅拌2-4h以进行脱泡处理，配成储热相材料。

第三步与实施例1中的第三步相同，请参考实施例1。

第六步与实施例1中的第六步相同，请参考实施例1。

对实施例1至实施例6制备得到的传热储热片施加1kgf/cm²的载荷，根据ASTM-D5470标准进行热学测试，测试结果请参阅表1。

表1本发明实施例1～6具体制备条件以及热学测试结果

由此可知，本发明实施例1-6制备的所述传热储热片的热导率高达5-20w/(m·k)，储存能量值高达40-60KJ/Kg。即，实施例1-6的传热储热片在保证较高的储能值的同时，也具有较高的热导率。而且，实施例1-6的传热储热片中，所述粉体颗粒在所述传热层10中的体积比大致为40％。相较于现有技术制备的导热性片材中无机粉体的填充量体积比一般超过80％，导致片材柔韧性损失的情况，实施例1-6制备的传热储热片兼顾了导热性以及柔韧性。

本发明中的所述传热层10与所述储热层20间隔分布，优化了所述传热储热片100的结构，同时所述传热层10与所述储热层20依次经打印并固化形成，有效的避免了层间的孔隙。此外，所述储热层20中使用了定形相变材料，定形相变材料同时具有固-液相变材料储能密度大和固-固相变材料无液体渗漏的优点。所述传热层10中定向排列的一维材料以及二维材料增加了所述传热层10的导热系数，并实现了单向热量快速传递，同时提高相变材料的储热效率和速度，有效延缓界面处的温升速度。同时，所述储热层20中的导热填料与相变材料的结合进一步提高了所述储热层20的导热系数以及所述储热层20的换热效率。硅胶基体的使用，使得所述传热储热片100的柔韧性好，在散热结构中能够很好的实现界面贴合。而且，本发明中的所述传热储热片100通过双喷头3D打印技术制备，制备工艺简单易行。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和实质。

Claims

1.一种传热储热片，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的传热储热片，其特征在于，所述一维材料包括沥青基碳纤维、石墨纤维、碳纳米管、碳纳米管纤维以及石墨烯纤维中的至少一种，所述二维材料包括石墨、膨胀石墨、氮化硼以及石墨烯中的至少一种。

3.如权利要求1所述的传热储热片，其特征在于，所述传热层中的所述一维材料以及所述二维材料在所述传热层中的体积比为10％-50％。

4.如权利要求1所述的传热储热片，其特征在于，所述三维材料包括氧化铝粉体、氧化锌粉体、氧化镁粉体、氮化铝粉体、氮化硼粉体、碳化硅粉体、氮化硅粉体、金刚石粉体以及金属粉体中的至少一种，所述三维材料的粒径为50nm-100μm，所述三维材料经过表面改性处理。

5.如权利要求1所述的传热储热片，其特征在于，所述定形相变材料包括微/纳胶囊相变材料，所述微/纳胶囊相变材料的粒径为10nm-100μm。

6.如权利要求1所述的传热储热片，其特征在于，所述储热层中的所述导热填料在所述储热层中的体积比为1％-50％，所述相变材料在所述储热层中的体积比为30％-70％。

7.如权利要求1所述的传热储热片，其特征在于，所述硅胶基体为双组分硅胶。

8.一种传热储热片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将导热填料以及双组分硅胶混合，得到传热相材料；

将两个所述打印管连接打印机并交替进行打印；以及

固化、模切，得到所述传热储热片。

9.一种散热结构，其特征在于，所述散热结构包括如权利要求1至7中任一项所述的传热储热片，所述散热结构还包括发热源以及散热部件，所述传热储热片位于所述发热源与所述散热部件之间。