含剥离的氮化硼的组合物和形成这样的组合物的方法
【专利说明】含剥离的氮化棚的组合物和形成送样的组合物的方法
[0001] 巧关申请的香叉引用
[0002] 本申请要求在2012年9月19号提交的题为"CompositionComprising ExfoliatedBoronNitrideAndMethodForFormingSuchCompositions"的美国临时 专利申请第61/702, 776号和在2013年3月14号提交的题为"CompositionComprising ExfoliatedBoronNitrideAndMethodForFormingSuchCompositions"的美国申请第 13/828, 742号的权益，上述各申请在此通过引用全部并入本文。
技术领域
[0003] 本发明设及含氮化棚的组合物，特别地含剥离的氮化棚的组合物，和用于制备运 样的组合物的方法。本发明也设及通过在树脂材料中氮化棚的原位剥离形成含氮化棚的导 热组合物的方法。
【背景技术】
[0004] 多种电子和光电子设备的热管理日益引起注意，由于在运样的设备中面临的严峻 挑战。在个人手持电子设备中继续存在缩小尺寸和增加功能的趋势。功率密度和因此需要 消散的热密度已显著增加，运提出了在运些设备中提供良好热管理的重大挑战。相似地，在 光电子设备，也叫做发光二极管（LE化）中，功率消耗和流明输出是不断增加的。热管理问 题也广泛存在于其它应用中，例如汽车中的电子元件，用于混合动力车的可充电电池系统 和功率逆变器等。不充分或无效的热管理可对设备的性能和长期可靠性产生强而不利的影 响。 阳〇化]目前基于LED的灯泡被用来取代较旧的灯泡，并被设计W适应传统的"Edison"套 接口。仅将L邸灯泡装配入Edison套接口加剧了所述热管理挑战，因为热消散受限于自然 对流。因此L邸灯泡需要良好设计的散热片W有效且充分地消散余热。无效的热管理导致 较高的LE化的运行溫度，运通过LED的结点溫度（Tj)指示。当结点溫度从115°C增加至 135°C时，L邸的寿命（定义为损失30%光输出即达到B30所消耗的时间）可能地从80,000h 下降至20,OOOh。
[0006] 基于与用于其他电子设备的散热片的相似之处，侣散热片是L邸应用的自然选 择。然而，侣散热片用于L邸灯泡具有数个挑战。一个挑战是散热片与Edison套接口的电 绝缘。在安装过程中金属散热片和所述套接口间的任何电连通或泄漏可能是非常危险的。 另一个挑战是提供具有复杂形状的散热片，因为压铸热翅化eatfin)形状可能是困难的且 可能需要昂贵的二次机械加工操作。侣散热片也可能是相当重的且可显著增加灯泡的重 量，并因此增加灯泡的运输成本。最后，侣散热片将需要最后的涂漆步骤W平滑表面光洁度 并赋予消费者需要的颜色。
[0007] 塑料散热片是侣散热片的一个替代选择。塑料为电绝缘的，通过注射成型更适合 于复杂的散热片结构，重量轻，并可被自由着色W满足美学或品牌需求。塑料也提供集成数 个部件的可能性，运可导致灯泡更简单的整体装配。然而，塑料具有非常差的热导率-通常 只有约0.2W/mK，运比侣（约200W/mK)低几乎两个数量级。因此，塑料通常不足W满足热管 理挑战。
[0008] 通常将填料添加至塑料中W形成独特的复合材料。例如，添加增强材料例如玻璃 纤维W改善塑料的机械性能。相似地，近来将石墨、炭黑或其它碳形式，甚至包括碳纳米管 添加至塑料中W形成导电的塑料基材料。有时也使用石墨和金属粉末W增强热导率，但运 通常也导致增加的电导率，因为运些性质通常是伴随的。然而，一些陶瓷材料，例如二氧化 娃、氧化侣、氧化锋、氧化儀、氮化侣、氮化棚（六方形或立方形式）等具有与塑料形成导热 的但电绝缘的构型的机会，因为它们是良好的热导体和电绝缘体。
[0009] 虽然已提出氮化棚/塑料复合物，氮化棚/塑料复合物具有数个缺点。氮化棚是 相对昂贵的材料，可比用侣合金复合的且与侣合金相比的塑料树脂的费用高10-40倍。从 性能的角度，氮化棚/塑料复合物的面内热导率仅为约2-lOW/mK，即使在高的氮化棚负载 下，例如，在25-60wt. % (15-45V01%)W上。氮化棚也是非常惰性的且不易被树脂润湿。 运导致有瑕疵的界面和填料与基体之间大的热阻，有效降低复合物的热导率因此导致实现 期望的热导率所需的较高的BN负载。较高的填料负载使运些复合物的成本显著上升，使其 在热管理应用中具有较小的成本竞争性。所述填料和树脂间差的界面也导致复合物差的物 理性质。因此，解决润湿问题W实现高的热导率和最佳的物理性质势在必行。
[0010] 然而，重要的是要注意即使导热塑料的热导率不与侣金属一样高，但对于在LED 灯泡和其他对流限制的应用中的热管理应用是足够的。氮化棚/塑料复合物是各向异性 的，运也可为可能限制氮化棚/塑料复合物适用性的问题。 W11] 图1中显示了六方BN的晶体结构。a-b晶体平面是由紧密的共价键合的棚和氮原 子组成。所述a-b平面沿着C方向是重复的，由弱的范德华力结合在一起。由于该晶体结 构，六方BN颗粒的天然颗粒形状是薄片并通常具有纵横比（~10-50)。
[0012] 在各向异性是可接受的地方，BN的高纵横比可能是一个优势。典型地，其它所有 等同时，纵横比越高，热导率越高。
[0013] 图1中显示的六方BN的晶体结构与石墨非常相似。石墨的剥离已被用作增加 石墨颗粒的纵横比并增强导热性能的方式。与石墨相反，由于棚和氮原子的部分离子或 极性特征，六方BN的剥离是非常困难的。已在实验室中显示了BN晶体的插入和剥离，但 通过异常困难的方式，运造成规模化和商业化的数个挑战。（化en等人，"Intercalation of Hexagonal Boron Nitride by Strong Oxidizers and Evidence for the Metallic Na化re of化e Products", Journal of Solid State Qiemistry，vl47, pp74-81 (1999).) D 即使BN晶体被成功剥离，将这些纳米尺度的高表面积材料复合成树脂，实现填料被基体良 好的分散和浸润也将是非常具有挑战性的。
【发明内容】
[0014]在一个方面，本发明提供含剥离的氮化棚的组合物。在另一个方面，本发明提供用 于制备含剥离的氮化棚的组合物的方法。所述组合物可具有高的热导率。
[0015] 在一个实施方案中，本发明提供含树脂材料、剥离的氮化棚、任选的功能添加剂和 硬度高于六方氮化棚的硬填充材料的组合物，其中在所述硬填料存在下，通过混合氮化棚 晶体与树脂材料原位制备剥离的氮化棚。
[0016] 在另一个实施方案中，本发明提供形成含剥离的氮化棚的导热组合物的方法，所 述方法包括通过在树脂材料中混合氮化棚晶体和硬度高于所述氮化棚晶体的硬填充材料 原位剥离氮化棚晶体。
[0017] 在树脂基体中氮化棚晶体的原位剥离允许形成具有相对高的热导率而不必须在 与树脂材料复合前在单独的步骤中剥离氮化棚。
[0018] 在一个方面，本发明提供含树脂材料、剥离的氮化棚、任选的功能添加剂和硬度比 六方氮化棚的硬度高的硬填充材料，其中在所述硬填料存在时，通过使氮化棚晶体和树脂 材料混合原位制备剥离的氮化棚。
[0019] 在一个实施方案中，所述组合物包含从约15wt%至约60wt%的氮化棚，从约 Iwt%至约55wt%的硬填充材料，从约Owt%至约15wt%的功能添加剂，和从约20wt%至约 75wt%的树脂材料。
[0020] 在一个实施方案中，所述组合物包含从约lOwt%至约50wt%的氮化棚，从约 20wt%至约50wt%的硬填充材料，从约0.Iwt%至约7wt%的功能添加剂，和从约20wt%至 约75wt%的树脂材料。
[0021] 在一个实施方案中，所述组合物包含从约15体积％至约50体积％的氮化棚。
[0022] 在一个实施方案中，所述含剥离的氮化棚的组合物具有比在不含所述硬填充材料 的组合物中的氮化棚体积更多的氮化棚颗粒数。
[0023] 在一个实施方案中，所述剥离的氮化棚具有约1微米或更小，约0. 5微米或更小， 甚至约0. 2微米或更小的平均厚度。
[0024] 在一个实施方案中，硬填充材料与氮化棚的体积比为至少从约20:1至约1:20,体 积比从约15:1至约1:15,体积比从约10:1至约1:10,体积比从约3:1至约1:3。权利要求 1-8任一项所述的组合物，其中硬填充材料与氮化棚的体积比为至少从约2:1至约1:2,甚 至体积比约1:1。