一种三维导热填料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种三维导热填料及其制备方法和应用。该三维导热填料包括氮化硼纳米片以及原位生长于氮化硼纳米片层间的碳纳米管；其中，所述碳纳米管的含量为2.5～20wt％。本发明专利技术还公开了一种三维导热填料的制备方法及其在制备导热复合材料中的应用。本发明专利技术提供的三维导热填料相对于原始的二维氮化硼纳米片在面内导热和纵向面间导热都有不同程度的提高；采用了化学气相沉积法，在氮化硼纳米片原位生长碳纳米管，通过调控反应时间，得到生长不同含量碳纳米管的三维导热填料；适用于制备多种形态的复合材料，不管是柔性导热膜，硬质导热垫，还是导热膏等，都能有更优异的稳定性和导热性能。

A three-dimensional thermal conductive filler and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种三维导热填料及其制备方法和应用
本专利技术涉及导热材料
更具体地，涉及一种三维导热填料及其制备方法和应用。
技术介绍
现代电子与电力设备的快速发展，电子器件与电力设备的集成化使得设备的尺寸不断减小，功率密度的持续增加，引发了严重的散热问题。作业中的设备在短时间内产生的大量热量不能及时有效地散发出去，势必影响设备的精度和使用寿命，如过高温度会致损半导体的结点，电路的连接界面，破坏电子元器件的机械应力，绝缘材料的老化等。目前，关于设备的散热性能已作为电子电力设备的综合性能的重要考核之一，散热问题甚至成为整个产品的技术瓶颈问题。聚合物因具有电气绝缘性能，机械加工性能，轻质及低廉而广泛用于电子电力设备的热管理。但是聚合物本身具有很差的导热性能，远远不能满足日益增长的散热需求。六方氮化硼(h-BN)与石墨烯具有相似的层状结构，每一层都是有B原子和N原子交替排列组成的无限延伸的六边形蜂窝状结构，因其颜色为白色，被喻名为“白色石墨烯”。随着石墨烯的研究热潮的发展，作为二维材料的新起之秀的六方氮化硼纳米片，因与石墨烯结构相似而引发了更多研究者的关注。氮化硼纳米片具有与石墨烯类似的热导率高、结晶度取向好、热膨胀系数低、热稳定性高以及价格低廉等优点，另外它还具有良好的抗氧化性，优异的介电性能和高温绝缘性而广泛用作绝缘导热填料。尽管作为高导热的填料，氮化硼纳米片有很多优势，但是由于其二维片状结构的长径比比较大，使其在面内方向上具有较高的导热性，而沿着面间的垂直方向上导热系数相对要低很多，表现出传热性能的各向异性。然而，在一些热界面材料中，我们往往更希望大量的热量能够沿着接触面间的纵向方向上传导出去，但是由于氮化硼纳米片本身的具有较高的传热各向异性，单一的氮化硼纳米片作为复合材料的填料时，填料倾向于沿着平面堆积，造成面间方向的热传输较差，不能很好的通过热界面材料把电子电力设备内部的热量及时有效的传输到散热器上进行热对流等途径消散热量。另外，复合材料的导热能力的提升关键在于聚合物基体内部形成的导热通路数目及稳定性。当导热填料的填充量达到逾渗阈值时，颗粒间有效接触，在基体内构成有效通路，热量可以沿着无机填料形成的导热网络迅速传递，此时复合体系的热导率会迅速升高。高导热填料及复合材料的制备的高昂价格限制了其推广应用，如何实现低填充含量下，兼具高导热、优异绝缘性能的的材料仍需要进一步研究。因此，本专利技术提供了一种三维导热填料及其制备方法和应用，以解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的在于提供一种三维导热填料；该三维导热填料更利于提升热界面材料导热性能，其在不同形态的复合材料中均能体现出更好的导热性能。本专利技术的第二个目的在于提供一种三维导热填料的制备方法。本专利技术的第三个目的在于提供一种三维导热填料的应用；该三维导热填料适用于制备多种形态的复合材料(柔性导热膜、硬质塑料垫片、涂布浆料、导热膏等)。为达到上述目的，本专利技术采用下述技术方案：一种三维导热填料，包括氮化硼纳米片以及原位生长于氮化硼纳米片层间的碳纳米管；其中，所述碳纳米管的含量为2.5～20wt％。本专利技术提供的三维导热填料在氮化硼纳米片的片层之间填充了碳纳米管，使其不仅在面内方向具有较好的导热性，而且沿着面间的垂直方向也有着较好的导热性能，相对于原始的二维氮化硼纳米片在面内导热和纵向面间导热都有不同程度的提高。此外，在本专利技术某些具体实施方式中，碳纳米管含量分别为2.5wt％，5wt％，10wt％和20wt％，得到的三维导热填料分别命名为：BNNS/CNT2.5％，BNNS/CNT5％，BNNS/CNT10％，BNNS/CNT20％。优选地，所述碳纳米管的含量为10～20wt％；此含量条件下得到的三维导热填料的性能更优。优选地，所述氮化硼纳米片通过将六方氮化硼采用超临界二氧化碳剥离制得；应当理解的是，该超临界二氧化碳剥离法为常规方法，在此不做赘述。优选地，所述三维导热填料通过在负载有机金属催化剂的氮化硼纳米片的片层中采用化学气相沉积法原位生长碳纳米管制备得到；该方法中，采用有机金属催化剂可令碳纳米管更容易生长，生长的形貌较为稳定，生长的碳管含量可控。优选地，所述有机金属催化剂为醋酸镍(即Ni(CH3COO)2)、醋酸铁或醋酸钴；更优选为醋酸镍；使用醋酸镍作为催化剂，得到的碳纳米管的生长效果最优。本专利技术还提供了一种上述三维导热填料的制备方法，包括如下步骤：1)将氮化硼纳米片和有机金属催化剂超声分散于分散剂中，搅拌均匀，干燥得到负载有机金属催化剂的氮化硼纳米片；2)采用化学气相沉积法在负载有机金属催化剂的氮化硼纳米片的片层中原位生长碳纳米管，得到三维导热填料。优选地，步骤1)中所述氮化硼纳米片通过将六方氮化硼采用超临界二氧化碳剥离制得。优选地，步骤1)中所述有机金属催化剂为醋酸镍(即Ni(CH3COO)2)、醋酸铁或醋酸钴。优选地，步骤1)中所述氮化硼纳米片和所述有机金属催化剂的质量比为5～20:1；应当理解的是，本专利技术中所述分散剂的用量并无限定，能够令氮化硼纳米片和有机金属催化剂分散均匀即可。优选地，步骤1)中所述分散剂为乙醇和/或异丙醇。优选地，步骤1)中所述超声分散的时间为4～6小时；所述超声分散的方式优选水浴超声。优选地，步骤1)中所述搅拌时间为6～10h。优选地，步骤1)中所述干燥的方式为水浴蒸干或油浴蒸干；其中，水浴蒸干或油浴蒸干的条件为水浴或油浴温度40～90℃，同时进行磁力搅拌。优选地，步骤2)中所述采用化学气相沉积法在负载有机金属催化剂的氮化硼纳米片的片层中原位生长碳纳米管具体包括如下步骤：将负载有机金属催化剂的氮化硼纳米片置于化学气相沉积设备中，在氩气和氢气氛围下，将该化学气相沉积设备升温至500～900℃后通入碳源，反应5～80min，降温至常温，得到三维导热填料。优选地，所述化学气相沉积设备为管式炉或流化床；本专利技术的方法可以进行大规模的工业化制备。优选地，所述化学气相沉积设备为管式炉时，升温方式如下：以5～15℃/min的升温速率由室温升至500℃并保温30min以上，继续以5～15℃/min的升温速率升温至500～900℃；气体流速如下：所述氩气的流速为200～500sccm；所述氢气的流速为20～50sccm；所述碳源的流速为20～50sccm；进一步地，在本专利技术某些具体实施方式中，所述氩气的流速具体为300sccm，所述氢气的流速具体为30sccm；所述碳源的流速具体为30sccm。优选地，所述化学气相沉积设备为流化床时，升温方式如下：以5～20℃/min的升温速率由室温升温至500～900℃；气体流速如下：所述氩气的流速为500～1000sccm；所述氢气的流速为20～60sccm；所述碳源的流速为500～1000sccm；进一步地，在本专利技术某些具体实施方式中，所述氩气的流速具体为800sccm，所述氢气的流速具体为40sccm；所述碳源的流速具体为80本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维导热填料，其特征在于，所述三维导热填料包括氮化硼纳米片以及原位生长于氮化硼纳米片层间的碳纳米管；其中，所述碳纳米管的含量为2.5～20wt％。/n

【技术特征摘要】
1.一种三维导热填料，其特征在于，所述三维导热填料包括氮化硼纳米片以及原位生长于氮化硼纳米片层间的碳纳米管；其中，所述碳纳米管的含量为2.5～20wt％。


2.根据权利要求1所述的三维导热填料，其特征在于，所述三维导热填料通过在负载有机金属催化剂的氮化硼纳米片的片层中采用化学气相沉积法原位生长碳纳米管制备得到。


3.根据权利要求2所述的三维导热填料，其特征在于，所述有机金属催化剂为醋酸镍、醋酸铁或醋酸钴。


4.一种如权利要求1～3任一项所述的三维导热填料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将氮化硼纳米片和有机金属催化剂超声分散于分散剂中，搅拌均匀，干燥得到负载有机金属催化剂的氮化硼纳米片；
2)采用化学气相沉积法在负载有机金属催化剂的氮化硼纳米片的片层中原位生长碳纳米管，得到三维导热填料。


5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述采用化学气相沉积法在负载有机金属催化剂的氮化硼纳米片的片层中原位生长碳纳米管具体包括如下步骤：
将负载有机金属催化剂的氮化硼纳米片置于化学气相沉积设备中，在氩气和氢气氛围下，将该化学气相沉积设备升温至500～900℃后通入碳源，反应5～80min，降温至常温，得到三维导热填料。


6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述化学气相沉积设备为管式炉或流化床；
其中，所述化学气相沉积设备为管式炉时，升温方式如下：以5～15℃/min的升温速率由室温升至500℃并保温...

【专利技术属性】
技术研发人员：田晓娟，潘婷，邓碧健，李云，李永峰，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11