高导热电磁屏蔽复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及功能复合材料领域，具体为一种兼具高导热和电磁屏蔽性能的层状结构复合材料。

背景技术：

导电聚合物复合材料因其质轻、良好的可加工成型性、性能可调等优点，成为近年来智能高分子材料领域重要的研究发展方向。随着5g通讯技术的发展，电子产品对于电子材料的要求越来越倾向于轻薄化、多功能兼容和高可靠性以及稳定性。尤其是对电磁屏蔽性能以及导热性能的综合需求。因此，探索新型高效多功能的高导热电磁屏蔽材料至关重要。

目前研究表明，通过提高屏蔽材料的电导率是实现高屏蔽性能屏蔽材料的有效策略。例如：二维过渡金属碳化物(mxenes)已被研究者作为一种有前景的石墨烯替代品，用于实现屏蔽材料卓越的电磁干扰屏蔽效能。因为其具有超高电导率(5.8×10⁴s/m)，使得相应的复合材料屏蔽效能在x波段可以超过70db(f.shahzad,etal.,science353(2016)1137-1140.)。然而，目前的大多数电磁屏蔽复合材料并不具有优异的导热性能。因此，如何在电磁屏蔽材料体系内部构筑高质量稳定的导电以及导热网络是制备兼具电磁屏蔽以及导热功能复合材料的关键。

技术实现要素：

本发明旨在制备一种兼具高导热和电磁屏蔽性能的层状结构复合材料。

本发明一个方面提供了一种导热的电磁屏蔽层状复合材料，其包含导热填料以及聚合物基体，所述导热填料为包括片状导热填料和液态金属的复合填料，导热填料具有垂直取向结构。

本发明另一个方面提供了本发明的导热的电磁屏蔽层状复合材料的制备方法，其包括如下步骤：

1)制备导热填料，将液态金属分散在溶剂中，获得液态金属分散液；将片状导热填料加入到液态金属分散液中，超声分散后干燥获得导热填料；

2)将导热填料与制备聚合物基体的高分子聚合物及其对应的固化剂进行混合，并制成厚度在0.5mm以下的薄膜，将薄膜堆叠后热压固化，获得具有层状结构的复合材料；

3)沿着具有层状结构的复合材料延展方向的垂直方向切割成片状，获得导热的电磁屏蔽层状复合材料。

在本发明的技术方案中，所述的聚合物基体由高分子聚合物及其对应的固化剂制备而得，所述的高分子聚合物选自聚二甲基硅氧烷，聚对苯二甲酸乙二醇脂、聚萘二甲酸乙二醇脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚氨酯、硅橡胶、天然橡胶、热塑性硅胶。

在本发明的技术方案中，片状导热填料选自膨胀石墨、石墨片、石墨烯、金属箔。

在本发明的技术方案中，膨胀石墨选自10目～1000目，优选50-200目。

在本发明的技术方案中，所述的液态金属优选为镓、铋、铟、锡和锌中的一种或多种的合金，优选为锡锌合金、铋铟锡合金、铋铟锡锌合金、镓铟锡锌合金、镓铟锡合金或镓锡锌合金。

在本发明的技术方案中，液态金属尺寸在1μm～100μm。

在本发明的技术方案中，所述的垂直取向结构是通过将导热填料与聚合物基体共混制成薄片，将多层薄片堆叠热压固化，最终通过垂直切割获得具有垂直取向结构的复合材料。

在本发明的技术方案中，片状导热填料占导热的电磁屏蔽层状复合材料的1wt％～80wt％，优选为20wt％～50wt％。

在本发明的技术方案中，液态金属占导热的电磁屏蔽层状复合材料的1wt％～90wt％，优选为20wt％～40wt％。

在本发明的技术方案中，步骤2)中薄膜厚度优选为0.1mm-0.5mm，更优选为0.1mm-0.3mm。

在本发明的技术方案中，步骤2)中薄膜堆叠的层数多于10层。

在本发明的技术方案中，电磁屏蔽层状复合材料的厚度为0.5mm-5mm。

在本发明的技术方案中，所述垂直取向是指相对于层状复合材料的延展方向相垂直的，或者近似垂直的方向设置。示意图可参见图1。

在本发明中，利用具有不同维度优势的导热填料和液态金属在网络构筑过程中所表现出的协同效应，液态金属所提供的流动特性有效避免了填料之间的界面热阻，同时提供优异的导电性，而导热填料为导电、导热网络的搭建以及稳定性提供可靠保障，进一步进行填料的取向结构设计，最终实现在柔性基体中稳定多形态导电、导热网络的构筑与结构控制，克服传统电磁屏蔽复合材料中高导电与高导热性能不能兼容的缺陷。同时，结合层状结构设计(参见图1)，实现了垂直取向结构设计，来实现复合材料在高导热和高屏蔽效能的统一。

本发明通过选取不同形态的导电导热功能填料，结合取向结构设计来实现兼具高导热和电磁屏蔽性能的复合材料的制备。首先，选取的液态金属具有优异的导电性能以及导热性能，但其稳定性较差，通过超声工艺，实现液态金属的微滴化，进而与膨胀石墨金属超声，搅拌复合，得到了稳定的高性能复合填料。进而与聚二甲基硅氧烷进行共混，涂布，获得复合薄片，经多层复合薄片堆叠，模压热固化，获得具有层状结构的复合材料。最终，通过垂直切割获得具有垂直取向结构的复合材料。

本发明所述的复合材料，能够获得兼具高导热和电磁屏蔽性能的复合材料，通过调节复合填料的比例，能够实现复合材料的导热性能，电磁屏蔽性能的调控。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为所制备膨胀石墨/液态金属高导热电磁屏蔽复合材料的结构示意图。

图2为所制备的膨胀石墨/液态金属复合填料的扫描电镜图。片层为膨胀石墨片，球状为液态金属。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例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做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

膨胀石墨/液态金属高导热电磁屏蔽复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)膨胀石墨/液态金属复合填料的制备，包括：

将液态金属，加入到乙醇中，通过超声分散工艺，获得液态金属分散液滴；继而，将膨胀石墨加入到液态金属分散液中，继续进行超声分散，磁力搅拌，真空抽滤，干燥获得复合填料粉末。

(2)聚二甲基硅氧烷/膨胀石墨/液态金属复合材料的制备，包括：

将获得的复合粉末与聚二甲基硅氧烷以及固化剂，进行共混搅拌均匀，通过涂布机或辊压机获得复合薄膜，将上述薄膜切割为正方形片状，进行多层堆叠，放入模具中热压，固化获得具有层状结构的聚二甲基硅氧烷/膨胀石墨/液态金属复合材料。进一步，将复合材料进行垂直切割，获得具有垂直取向结构的复合材料。

优选的，膨胀石墨的尺寸为10目～1000目，膨胀石墨的含量为1wt％～70wt％，液态金属的含量为1wt％～90wt％。

具体的，所述基体选自聚二甲基硅氧烷、硅橡胶、天然橡胶，以及其他热塑性聚合物。优选的采用聚二甲基硅氧烷。

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例1膨胀石墨/液态金属高导热电磁屏蔽复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)膨胀石墨/液态金属复合填料的制备，包括：

称取5g的液态金属，加入到500ml乙醇中，通过超声分散1h，获得液态金属分散液；将10g膨胀石墨加入到液态金属分散液中，继续进行超声分散30min，磁力搅拌1h，真空抽滤，干燥获得复合填料粉末。

(2)聚二甲基硅氧烷/膨胀石墨/液态金属复合材料的制备，包括：

将获得的复合粉末与聚二甲基硅氧烷以及固化剂，按照质量比7：2.7：0.3的比例进行共混搅拌均匀，通过涂布机获得厚度为0.2mm的薄膜，将上述薄膜切割为4cm×4cm正方形片状，进行多层堆叠(200层)，放入模具中热压，固化(5mpa，90℃，2h)获得具有层状结构的聚二甲基硅氧烷/膨胀石墨/液态金属复合材料。进一步，将复合材料进行垂直切割，获得厚度为2mm，具有垂直取向结构的复合材料。

实施例2膨胀石墨/液态金属高导热电磁屏蔽复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)膨胀石墨/液态金属复合填料的制备，包括：

称取5g的液态金属，加入到500ml乙醇中，通过超声分散1h，获得液态金属分散液；将5g膨胀石墨加入到液态金属分散液中，继续进行超声分散30min，磁力搅拌1h，真空抽滤，干燥获得复合填料粉末。

(2)聚二甲基硅氧烷/膨胀石墨/液态金属复合材料的制备，包括：

将获得的复合粉末与聚二甲基硅氧烷以及固化剂，按照质量比7：2.7：0.3的比例进行共混搅拌均匀，通过涂布机获得厚度为0.5mm的薄膜，将上述薄膜切割为4cm×4cm正方形片状，进行多层堆叠(40层)，放入模具中热压，固化(5mpa，90℃，3h)获得具有层状结构的聚二甲基硅氧烷/膨胀石墨/液态金属复合材料。进一步，将复合材料进行垂直切割，获得厚度为2mm，具有垂直取向结构的复合材料。

实施例3膨胀石墨/液态金属高导热电磁屏蔽复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)膨胀石墨/液态金属复合填料的制备，包括：

称取5g的液态金属，加入到500ml乙醇中，通过超声分散1h，获得液态金属分散液；将5g膨胀石墨加入到液态金属分散液中，继续进行超声分散30min，磁力搅拌1h，真空抽滤，干燥获得复合填料粉末。

(2)聚二甲基硅氧烷/膨胀石墨/液态金属复合材料的制备，包括：

将获得的复合粉末与聚二甲基硅氧烷以及固化剂，按照5：4.5：0.5的比例进行共混搅拌均匀，通过涂布机获得厚度为0.5mm的薄膜，将上述薄膜切割为4cm×4cm正方形片状，进行多层堆叠(40层)，放入模具中热压，固化(5mpa，90℃，2h)获得具有层状结构的聚二甲基硅氧烷/膨胀石墨/液态金属复合材料。进一步，将复合材料进行垂直切割，获得厚度为2mm，具有垂直取向结构的复合材料。

实施例4膨胀石墨/液态金属高导热电磁屏蔽复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)膨胀石墨/液态金属复合填料的制备，包括：

称取5g的液态金属，加入到500ml乙醇中，通过超声分散1h，获得液态金属分散液；将5g膨胀石墨加入到液态金属分散液中，继续进行超声分散30min，磁力搅拌1h，真空抽滤，干燥获得复合填料粉末。

(2)聚二甲基硅氧烷/膨胀石墨/液态金属复合材料的制备，包括：

将获得的复合粉末与聚二甲基硅氧烷以及固化剂，按照4：5.3：0.6的比例进行共混搅拌均匀，通过涂布机获得厚度为0.5mm的薄膜，将上述薄膜切割为4cm×4cm正方形片状，进行多层堆叠(40层)，放入模具中热压，固化(5mpa，90℃，2h)获得具有层状结构的聚二甲基硅氧烷/膨胀石墨/液态金属复合材料。进一步，将复合材料进行垂直切割，获得厚度为2mm，具有垂直取向结构的复合材料。

对比例1

聚二甲基硅氧烷/膨胀石墨复合材料的制备，包括：

将膨胀石墨与聚二甲基硅氧烷以及固化剂，按照质量比7：2.7：0.3的比例进行共混搅拌均匀，通过涂布机获得厚度为0.2mm的薄膜，将上述薄膜切割为4cm×4cm正方形片状，进行多层堆叠(200层)，放入模具中热压，固化(5mpa，90℃，2h)获得具有层状结构的聚二甲基硅氧烷/膨胀石墨/液态金属复合材料。进一步，将复合材料进行垂直切割，获得厚度为2mm，具有垂直取向结构的复合材料。

对比例2

(1)膨胀石墨/液态金属复合填料的制备，包括：

称取5g的液态金属，加入到500ml乙醇中，通过超声分散1h，获得液态金属分散液；将10g膨胀石墨加入到液态金属分散液中，继续进行超声分散30min，磁力搅拌1h，真空抽滤，干燥获得复合填料粉末。

(2)聚二甲基硅氧烷/膨胀石墨/液态金属复合材料的制备，包括：

将获得的复合粉末与聚二甲基硅氧烷以及固化剂，按照质量比7：2.7：0.3的比例进行共混搅拌均匀，通过涂布机获得厚度为0.2mm的薄膜，将上述薄膜切割为4cm×4cm正方形片状，进行多层堆叠(10层)，放入模具中热压，固化(5mpa，90℃，2h)获得厚度为2mm的复合材料。

表1实施例1至实施例4所制样品的电磁屏蔽性能

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。