《氮化硼高導熱絕緣材料及其製備方法》是深圳昊天龍邦複合材料有限公司於2014年6月18日申請的專利，該專利的公布號為CN104072988A，公布日為2014年10月1日，發明人是肖東華、林德苗、陶世毅。
《氮化硼高導熱絕緣材料及其製備方法》提供的氮化硼絕緣材料，包括芳綸纖維、沉析纖維、雲母和用聚苯硫醚處理後的顆粒狀氮化硼。該發明提供的氮化硼高導熱纖維雲母絕緣材料，具有高導熱性、高絕緣性、高強度、加工性強、以及高物理性、耐化學性等特點，且抗衝擊、耐化學腐蝕、耐熱疲勞性能優異，可在高端絕緣複合材料方面使用。
2017年12月11日，《氮化硼高導熱絕緣材料及其製備方法》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
基本介紹
- 中文名：氮化硼高導熱絕緣材料及其製備方法
- 申請人：深圳昊天龍邦複合材料有限公司
- 申請日：2014年6月18日
- 申請號：2014102726658
- 公布號：CN104072988A
- 公布日：2014年10月1日
- 發明人：肖東華、林德苗、陶世毅
- 地址：廣東省深圳市南山區科技中二路1號深圳軟體園（2期）11棟902室A105
- 分類號：C08L77/10(2006.01)I、C08K13/06(2006.01)I、C08K9/04(2006.01)I、C08K3/38(2006.01)I、C08K3/34(2006.01)I
- 代理機構：北京紀凱智慧財產權代理有限公司
- 代理人：關暢
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
隨著集成技術、組裝技術的發展，電子元器件、邏輯電路的體積越來越小，需要散熱性好的高導熱絕緣材料；隨著大功率電氣、電子產品等的快速發展，必然出現越來越多的發熱問題。大中型高壓發電機、電動機運行過程中的發熱、傳熱、冷卻直接影響到工作效率、使用壽命、可靠性等重要指標。隨著高分子材料在各行業套用的日漸普及，人們對其綜合性能的要求不斷提高。電子電氣材料領域急需導熱絕緣材料來散發積體電路中產生的大量熱，使電子元件在合適的溫度下穩定工作、延長使用壽命。導熱絕緣材料用於電機行業時，可有效地降低電機繞組的溫升，減小電機體積並增大功率輸出。到2014年前為止，還沒有一種高分子材料能同時具有導熱性和絕緣性，中國國內外的研究都集中於將某種導熱絕緣無機填料摻雜到具有特定要求的高分子材料中，得到高導熱絕緣複合材料，但效果不顯著。新型的散熱絕緣材料已成為現代電機技術研究的重點方向之一。
微電子集成技術和組裝技術都在高速發展，組裝密度迅速提高，電子元件、邏輯電路體積成千上萬倍地縮小，電子儀器日益輕薄短小化，而工作頻率急劇增加，半導體熱環境向高溫方向迅速變化。此時電子設備所產生的熱量迅速積累、增加，在使用環境溫度下要使電子元器件仍能高可靠地正常工作，及時散熱能力成為影響其使用壽命的重要限制因素，為保障元器件運行的可靠性。工業生產和科學技術發展對導熱材料提出了更高要求，除導熱性外，更需要材料具有優良的綜合性能，如質輕、易加工成型、抗衝擊、耐化學腐蝕、熱疲勞性能優異、優良電絕緣性能及化學穩定性等。傳統導熱材料如金屬和金屬氧化物及其它金屬材料已無法滿足一些特殊場合的絕緣導熱使用要求，如電池禁止、電子信息、熱工測量技術領域廣泛使用的功率管、集成塊、熱管、積體電路、覆銅板的絕緣導熱，也無法作為武器裝備、航空航天電子設備、電機、通訊、電器設備、儀器所需的導熱絕緣材料使用。因此，急需研製具有可靠性、高散熱性的綜合性能優異的導熱絕緣高分子複合材料替代傳統高分子材料，作為熱界面和封裝材料。迅速將熱元件的熱量傳遞給散熱設備，保障電子設備正常運行。所以高導熱絕緣高分子複合材料則是散熱設計中必不可少的關鍵環節，它的研究開發具有重要意義。
對於絕緣材料，由於沒有電子流的運達，他們的導熱性要比金屬材料相差500—1000倍，到2014年前為止，還沒有一種高分子材料同時具有好的導熱性和絕緣性。2014年前中國國外高導熱的絕緣方式仍是摻混型的，就是將某種又導熱又絕緣的無機填料摻混到具有特定要求的絕緣材料中。
然而如何利用各種手段使導熱網路最大程度上形成並達到有效的熱傳導，獲得高導熱性體系，許多研究者曾提出各種模型對不同形狀填料（粉末、粒子、纖維等）填充的導熱材料的導熱率進行預測。認為，在那些填充的聚合物體系中，若所有的填充粒子聚集形成的傳導塊與聚合物傳導塊在熱流方向上是成行的，則複合材料導熱率最高；若是成列的，則複合材料的導熱率為最低。其實要提高材料的熱導率，必須使高導率絕緣填料在聚合物中形成導熱網路結構，從而形成導熱通道。然而，生產工藝上達不到這樣理想的分布與排列，這不僅需要從複合材料整體設計考慮，還要設計成型加工工藝過程。中國國內外的研究都頗多，但截至2014年6月仍未成型技術。
發明內容
專利目的
該發明的目的是提供一種氮化硼高導熱絕緣材料及其製備方法與套用。
技術方案
《氮化硼高導熱絕緣材料及其製備方法》提供的氮化硼絕緣材料，包括芳綸纖維、沉析纖維、雲母和用聚苯硫醚（PPS）處理後的顆粒狀氮化硼。上述氮化硼絕緣材料也可只由上述組分組成。其中，所述芳綸纖維為聚間苯二甲醯間苯二胺纖維（簡稱芳綸1313纖維）或聚對苯二甲醯對苯二胺纖維（簡稱芳綸1414纖維）；所述芳綸纖維的纖度為1～2d，長度為2～10毫米；所述沉析纖維為1313沉析纖維或1414沉析纖維；所述雲母為非煅燒型雲母或煅燒型雲母；其中，所述非煅燒型雲母為金雲母、白雲母或人工晶體雲母；（將精選的雲母碎片，經高溫煅燒脫去雲母結構中的部分結晶水，使雲母碎片沿垂直於解理面的方向膨脹，質地變軟）；所述雲母的粒度為20-120目。
由於氮化硼屬於非極性產品，很難浸潤，以氮化硼純品為原料所得氮化硼絕緣材料成品，由於碳化硼在水中分散性比較差，無法形成均勻的分布，故必須對氮化硼純品用PPS處理後才能使用。所述用聚苯硫醚處理後的氮化硼是按照包括如下步驟的方法製備而得：將氮化硼與質量百分濃度為1-5％的聚苯硫醚的聯苯溶液以質量比為1:1的比例共混1-10分鐘後，過濾，乾燥而得；所述用聚苯硫醚處理後的顆粒狀氮化硼的導熱係數為10瓦/米·開爾文，粒徑為5-80微米。所述芳綸纖維、沉析纖維、雲母和用聚苯硫醚處理後的顆粒狀氮化硼的質量比為1-10:2-20:50-90:5-30。
該發明提供的製備前述氮化硼絕緣材料的方法，包括如下步驟：
1）將所述芳綸纖維在水碎設備中進行打漿處理後，再用金屬盤磨進行帚化處理，得到分絲帚化的芳綸纖維，其叩解度為50-80oSR；
2）將所述沉析纖維在水碎設備中進行打漿處理後，再用金屬盤磨進行帚化處理，得到分絲帚化的沉析纖維，其叩解度為50-80oSR；
3）將步驟1）所得分絲帚化的芳綸纖維、步驟2）所得分絲帚化的沉析纖維、所述雲母、所述用聚苯硫醚（PPS）處理後的顆粒狀氮化硼和水混勻後，脫除水分，得到所述氮化硼絕緣材料。
上述方法步驟1）中，先將芳綸纖維先進行打漿處理，然後經過盤磨對芳綸施加機械力，從而增加了芳綸纖維的比表面積，使芳綸分子中的極性基團更多地裸露出來，Zeta電位相應地提高，可由30毫伏提高至70毫伏；此外，經過如上處理後，芳綸纖維在水的懸浮液中的分散性得到改善。步驟2）中的沉析纖維經過如上處理，Zeta電位相應地提高，可由-32毫伏提高至68毫伏；
步驟2）所得分絲帚化的沉析纖維的叩解度具體可為60oSR；
所述步驟3）中，當芳綸纖維與雲母和氮化硼導熱材料混合時，芳綸纖維所產生的電荷以及范德華力使纖維對雲母鱗片以及導熱材料具有極強的吸附力，使高導熱材料在纖維和雲母間排布均勻並形成網狀結構。
上述方法可通過1094圓網紙機套用造紙的方式進行抄造一次成型。同時根據客戶需求可對紙張表面熱壓處理，調整孔隙、滲透率及紙張厚度。根據需求可採用不同配比，滿足下游產品的製造工藝要求。
另外，含有該發明提供的氮化硼絕緣材料的電子絕緣材料、微電子絕緣材料、電氣設備或發動機及該氮化硼絕緣材料在製備電子絕緣材料、微電子絕緣材料、電氣設備或發動機中的套用，也屬於該發明的保護範圍。
由於芳綸纖維和氮化硼導熱材料都是非極性材料，不溶於水。雲母比重大，易沉底。若直接將芳綸纖維、雲母、沉析纖維、氮化硼導熱材料混合是分散不均勻的。必須按照該發明提供的方法，先將芳綸纖維進行電動電勢處理後再通過特製盤磨技術進行帚化處理，使得芳綸纖維表面電荷增強，比表面積增大，加上范德華力的作用，使氮化硼導熱材料在芳綸纖維與雲母之間緊密結合，形成導熱通道。整個工藝流程採用物理方式處理，不添加任何化學物品，使各種原料均勻分散於水中，無流失。
改善效果
《氮化硼高導熱絕緣材料及其製備方法》提供的氮化硼高導熱纖維雲母絕緣材料，具有高導熱性、高絕緣性、高強度、加工性強、以及高物理性、耐化學性等特點，且抗衝擊、耐化學腐蝕、耐熱疲勞性能優異，可在高端絕緣複合材料方面使用。2014年前，這種高導熱芳綸纖維雲母絕緣材料製造工藝在中國國內外還未見報導。該絕緣材料革新了導電導熱、絕緣絕熱的常規產品理論，而是真正做到了導熱絕緣，實現了理論上的導熱通道，可謂是絕緣行業的一次重大革命，而且產品還積聚了芳綸與雲母的各種特性，產品加工性好，是一種新型高導熱絕緣高分子材料，可廣泛套用於高端電子、微電子集成領域，以及各種大型電氣設備、發動機、民用或其他特殊用途等領域。
附圖說明
圖1為氮化硼絕緣材料的製備工藝流程示意圖。
圖2為氮化硼絕緣材料的橫切面電鏡照片。
圖3為氮化硼絕緣材料的導熱係數對比曲線圖。
權利要求
1.一種氮化硼絕緣材料，包括芳綸纖維、沉析纖維、雲母和用聚苯硫醚處理後的顆粒狀氮化硼。
2.根據權利要求1所述的絕緣材料，其特徵在於：所述氮化硼絕緣材料由所述芳綸纖維、沉析纖維、雲母和用聚苯硫醚處理後的氮化硼組成。
3.根據權利要求1或2所述的絕緣材料，其特徵在於：所述芳綸纖維為聚間苯二甲醯間苯二胺纖維或聚對苯二甲醯對苯二胺纖維；所述芳綸纖維的纖度為1～2d，長度為2～10毫米；所述沉析纖維為1313沉析纖維或1414沉析纖維；所述雲母為非煅燒型雲母或煅燒型雲母；其中，所述非煅燒型雲母為金雲母、白雲母或人工晶體雲母；所述雲母的粒度為20-120目；所述用聚苯硫醚處理後的顆粒狀氮化硼是按照包括如下步驟的方法製備而得：將氮化硼與質量百分濃度為1-5％的聚苯硫醚的聯苯溶液以質量比為1:1的比例共混1-10分鐘後，過濾，乾燥而得；所述用聚苯硫醚處理後的顆粒狀氮化硼的導熱係數為10瓦/米·開爾文，粒徑為5-80微米。
4.根據權利要求1-3任一所述的方法，其特徵在於：所述芳綸纖維、沉析纖維、雲母和用聚苯硫醚處理後的顆粒狀氮化硼的質量比為1-10:2-20:50-90:5-30，具體為5:10:60:25。
5.一種製備權利要求1-4任一所述氮化硼絕緣材料的方法，包括如下步驟：
1）將所述芳綸纖維在水碎設備中進行打漿處理後，再用金屬盤磨進行帚化處理，得到分絲帚化的芳綸纖維，其叩解度為50-80oSR；
2）將所述沉析纖維在水碎設備中進行打漿處理後，再用金屬盤磨進行帚化處理，得到分絲帚化的沉析纖維，其叩解度為50-80oSR；
3）將步驟1）所得分絲帚化的芳綸纖維、步驟2）所得分絲帚化的沉析纖維、所述雲母、所述用聚苯硫醚處理後的顆粒狀氮化硼和水混勻後，脫除水分，得到所述氮化硼絕緣材料。
6.含有權利要求1-4任一所述氮化硼絕緣材料的電子絕緣材料、微電子絕緣材料、電氣設備或發動機。
7.權利要求1-4任一所述氮化硼絕緣材料在製備電子絕緣材料、微電子絕緣材料、 電氣設備或發動機中的套用。
實施方式
下述實施例所用各材料的購買出處如下：
芳綸1313纖維：新會彩艷股份有限公司生產，纖度為1～2d，長度為2～10毫米；
芳綸1414纖維：日本帝人公司生產或晨光化工研究院生產，纖度為1～2d，長度為2～10毫米；
1313沉析纖維：新會彩艷股份有限公司生產；
1414沉析纖維：日本帝人公司；
白雲母：雅安蔚萊特公司，粒度為100目；
氮化硼：日本東槽公司。
實施例
1）氮化硼的預處理：
將25重量份的純氮化硼製成比表面積大的晶須狀，然後將氮化硼與質量百分濃度為2％的PPS的聯苯溶液以1:1的質量比共混5分鐘後，過濾，高溫下進行乾燥，得到導熱係數10瓦/米·開爾文、粒徑為5-80微米的顆粒狀氮化硼；
2）將5重量份的芳綸1313纖維在水碎設備中進行打漿處理後，再用金屬盤磨進行帚化處理，得到分絲帚化的芳綸纖維，其叩解度為50oSR；
3）將10重量份的1313沉析纖維在水碎設備中進行打漿處理後，再用高速旋轉的金屬盤磨進行帚化處理5分鐘，得到分絲帚化的沉析纖維，其叩解度為60oSR；
名稱 | 處理前 | 處理後 |
步驟3）所得分絲帚化的沉析纖維 | -32毫伏 | 68毫伏 |
步驟2）所得分絲帚化的芳綸纖維 | 30毫伏 | 70毫伏 |
4）將步驟2）所得分絲帚化的芳綸纖維5重量份、步驟3）所得分絲帚化的沉析纖維10重量份、白雲母60重量份、步驟1）所得顆粒狀氮化硼25重量份和適量的去離子水一併輸送到配漿罐中，然後用強攪拌機充分攪拌至各原料分散均勻。
最後將分散均勻的漿料流入穩漿箱中，調節穩漿箱上網閥門，通過流漿道送向抄造系統，使漿料均勻分布到1094圓網紙機上進行成型操造。當漿料沿成型網運行時，利用伏輥的壓力，將多餘水分從漿料中濾出，通過毛毯帶動紙胚經過高溫烘缸進一步脫去水分後進行捲曲一次成型，得到該發明提供的氮化硼絕緣材料。
該材料的橫切面電鏡照片如圖2所示。通過圖2可以清楚的看到，橫切面結構是成行排列的，只有成行排列導熱效果是最好的，從而真正實現了理論上的導熱通道。該材料的性能指標見表2。
項目單位測試結果套用標準 | |||
定量 | 克/平方米 | 120 | 120±6 |
厚度 | 毫米 | 0.10 | 0.10±0.01 |
耐壓強度 | 千伏/毫米 | 18 | >13 |
抗張強度 | 牛/平方毫米 | 6.5 | >5 |
透氣度 | S/100毫升 | 92-108 | <600 |
滲透率 | S | 19 | 15-40 |
由表2可知，氮化硼絕緣材料的綜合性能均能滿足套用標準。其透氣度遠低於標準，有利於後續浸潤樹脂時，樹脂的快速進入和分散。
該氮化硼絕緣材料用環氧樹脂浸潤後測試其導熱係數，具體測試方法如下：將該實施例所得氮化硼絕緣材料10g用一定規格的玻璃纖維布進行包裹，並浸漬環氧樹脂2g，在150℃下固化0.5小時，而得待測樣品，再用導熱率測試儀測試其導熱係數。作為對照的材料為雅安蔚萊特公司的120克/平方米雲母紙。所得結果見圖3。由圖可知，添加氮化硼對材料的導熱性能有很大提高，充分證明對氮化硼的處理是可行的，解決了浸潤差的缺點。
榮譽表彰
2017年12月11日，《氮化硼高導熱絕緣材料及其製備方法》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
