专利名称：一种高导热电绝缘复合材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高性能的高导热电绝缘复合材料。
背景技术：
高分子材料电绝缘性能优异，但导热系数非常低，一般为0. 2ff/m. K，是金属材料的百分之一到千分之一，对于一些既要有高导热、同时又有绝缘性要求的应用场合目前比较常规的方法是在高分子基材料中添加具有高导热系数和高阻抗的无机填料(氮化铝、氧化铝等)，CN02825187. 3、CN 200880011625. 0 和 CN201010194959. 5 等专利都是采用这种方法。但采用这种方法制备的材料，由于导热填料的大量添加使复合材料的力学性能受到了严重的损害，同时导热性能的提高也不显著，一般很难高于2W/m. K。对于LED散热器、电器散热器等需要利用散热器面积快速传热的情况，如果材料的导热系数小，则其在长度方向上的热传导就非常困难，热量都集中在很小的区域中无法扩散，导致散热器的有效面积没有充分利用，影响了散热效率。
发明内容
为了解决现有技术中高分子材料导热性能差的问题，本发明提供了一种高导热电绝缘复合材料，本发明采用的技术方案为一种高导热电绝缘复合材料，所述高导热电绝缘复合材料包括绝缘表层与导热芯层，所述的高导热电绝缘复合材料由一层绝缘层、一层导热芯层交替分布叠置形成夹心结构经复合成型制得所述高导热电绝缘复合材料，所述的夹心结构的内表层、外表层均为绝缘层，所述的夹心结构中所述的导热芯层比绝缘层少一层；所述绝缘层由电绝缘高分子材料制成，所述导热芯层呈镂空的网格状，是由高导热系数材料制成的具有网格结构的导热网格。所述电绝缘高分子材料为具有良好电绝缘性的热塑性高分子材料、热固性高分子材料或添加导热绝缘填料改性的高分子材料。所述高导热系数材料为高导热的金属材料、碳材料或无机材料，优选为金属材料。进一步，所述金属材料为银、铜、铜合金、铝、铝合金、锌、锌合金、钛、钛合金或钢铁中的一种或两种以上的组合；所述碳材料为碳纤维或石墨中的一种或两种的混合；所述无机材料为氮化铝、氮化硼、氧化铝、氧化镁、氧化铍、氮化硅、碳化硅中的一种或两种以上的组合。所述导热芯层呈镂空的网格状，所述镂空的网格状为任意中心镂空的形状，例如方形、圆形、菱形、或任意不规则形状均可。所述导热网格是用高导热系数材料经编织、冲压或焊接方法制成具有纵横交错的网格化的结构。
高导热电绝缘的高分子基复合材料导热芯层的结构为具有纵横交错的网格化的结构，以便在复合成型时使上下两表层的高分子材料在通过导热网格结构的空隙相互粘合在一起，提高复合材料整体的力学性能。本发明所述夹心结构可以为内表层、外表层均为绝缘层，中间为一层导热芯层的单层夹心结构，如附图1所示，图1中，1为绝缘层，2为导热芯层；也可以构成多层夹心结构，所述多层夹心结构由m层绝缘层与(m-1)层导热芯层组成，所述的绝缘层与导热芯层一一交替叠置，所述的夹心结构的内表层、外表层均为绝缘层，m为3以上的正整数，附图2 即为m = 3时的多层夹心结构示意图，图2中，1为绝缘层，2为导热芯层。本发明所述夹心结也可构成环形结构，所述的环形结构的内环表层、外环表层均为绝缘层，所述的内环表层、外环表层中间为一层环形的导热芯层。进一步，本发明所述夹心结构可以构成多层环形结构，由η层绝缘层与(η-1)层导热芯层构成环形结构，所述的环形结构的内环表层、外环表层均为绝缘层，所述的内环表层、外环表层中间为绝缘层与导热芯层一一交替叠置组成的同心环，η为3以上的正整数。本发明所述复合成型的方法为模压成型、挤出成型、浇铸成型或注射成型。进一步，对于平面类制品或表层高分子材料为热固性材料时可以采用层压成型或浇铸成型，对于管状或平面类制品可采用挤出成型，对于形状比较复杂的制品可采用注射成型或模压成型方法制备。本发明的技术原理是采用高导热系数的材料制备网络结构导热层，使热量通过高导热网络迅速扩散到整个复合材料中，在整个复合材料中形成较均勻的温度分布，再通过表层的高分子材料向外传导，解决了导热性较差的材料热量无法及时利用面积散热的缺
点ο本发明提供的高导热电绝缘复合材料具有高导热性、力学性能优异和高电绝缘性等优点，可应用于制备LED散热器和电器散热器等产品。
图1为单层夹心结构复合材料的示意图。图2为双层夹心结构复合材料的示意图。图3为具有导热网络环状夹心结构复合材料LED散热器模型4为均勻材料圆柱体散热器底部传热面温度与材料导热系数的关系曲线
具体实施例方式下面以具体实施例来对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此。按照发明内容采用以高传热系数的网格材料为导热芯层、以高分子材料为绝缘表层的单层夹心结构制备一个直径为30mm、高度为50mm、壁厚为2mm的空心圆柱形LED散热器模型，导热芯层网格密度为中心距为3x 3mm，圆柱形底面为2mm的高分子绝缘层与Imm的金属层复合，热量由Imm的金属底层均勻传递到2mm的高分子绝缘层，再传递到圆柱形散热器的表面；设定金属底层的传热功率为2瓦。通过ANSYS软件稳态热分析模块可以分析模型热传导的情况，并得到金属底层的最高温度Tmax，Tfflax是在设计LED散热器的关键指标，Tmax 过高将影响LED的发光效率和使用寿命，一般Tmax控制在60-70°C。
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同样我们也可以模拟相同尺寸的不同导热系数的均勻材料作为散热器得到的 Tmax，得到均勻材料圆柱体散热器底部温度Tmax与材料导热系数的关系曲线，见图4。采用对比两种情况得到Tmax，如两者的Tmax，则我们可以得到复合材料与均勻材料等效的导热系数。通过不同实施例的模拟可以发现，采用复合结构材料的等效导热系数是可以做到非常高，远优于采用普通添加导热填料改性的导热高分子材料。实施例1导热芯层的网格材料采用导热系数为400W/m. K的纯铜，网格材料的直径为1mm， 网格密度为中心距为3x3mm。两表面的高分子绝缘层材料采用聚对苯二甲酸丁二醇酯 (PBT)，其导热系数为0. 2ff/m. K。通过注射成型方法制备直径为30mm、高度为50mm、壁厚为 2mm,其中具有导热网格材料作为嵌件的夹心圆柱形LED散热器，圆柱形底面为2mm的高分子绝缘层与Imm的金属层复合，热量由Imm的金属底层均勻传递到2mm的高分子绝缘层， 再传递到圆柱形散热器的表面；设定金属底层的传热功率为2瓦，利用ANSYS软件(ANSYS Workbench 11. 0)稳态热分析模块模拟计算得Tmax = 46. 7°C，通过图4可以得到复合结构材料的等效导热系数为39. 2ff/m. K。实施例2导热芯层的网格材料采用导热系数为400W/m.K的纯铜，网格材料的直径为 0. 8mm,两表面的高分子绝缘层材料采用聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)，其导热系数为 0. 2ff/m. K。按实施例1的方法制备成型后，利用ANSYS fforkbenchll. 0稳态热分析模块模拟计算得Tmax = 48. 3°C，通过图4可以得到复合结构材料的等效导热系数为27. 4ff/m. K。实施例3导热芯层的网格材料采用导热系数为400W/m. K的纯铜，网格材料的直径为 0. 6mm，两表面的高分子绝缘层材料采用PBT，其导热系数为0. 2ff/m. K。按实施例1的方法制备成型后，利用ANSYS Workbench 11. 0稳态热分析模块模拟计算得Tmax = 51. 2°C，通过图4可以得到复合结构材料的等效导热系数为17. 3ff/m. K。实施例4导热芯层的网格材料采用导热系数为200W/m. K的铝，网格材料的直径为1mm，两表面的高分子绝缘层材料采用PBT，其导热系数为0. 2ff/m. K。按实施例1的方法制备成型后，利用ANSYS Workbench 11. 0稳态热分析模块模拟计算得Tmax = 49. 0°C，通过图4可以得到复合结构材料的等效导热系数为23. 8ff/m. K。实施例5导热芯层的网格材料采用导热系数为200W/m. K的铝，网格材料的直径为1mm，两表面的高分子绝缘层材料采用添加50wt%氧化铝导热填料改性的PBT，其导热系数为IW/ m. K。按实施例1的方法制备成型后，利用ANSYS fforkbenchll. 0稳态热分析模块模拟计算得Tmax = 48. 2°C，通过图4可以得到复合结构材料的等效导热系数为27. 6ff/m. K。实施例6导热芯层的网格材料采用导热系数为60W/m. K的钢，网格材料的直径为1mm，两表面的高分子绝缘层材料采用聚碳酸酯(PC)，其导热系数为0. 2ff/m. K。按实施例1的方法制备成型后，利用ANSYS Workbench 11. 0稳态热分析模块模拟计算得Tmax = 57. 3°C，通过图 4可以得到复合结构材料的等效导热系数为8. 5ff/m. K。
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实施例7导热芯层的网格材料采用导热系数为60W/m. K的钢，网格材料的直径为0. 6mm, 两表面的高分子绝缘层材料采用热固性的不饱和聚酯树脂，其导热系数为0.2W/m. K。将导热网格材料作为嵌件，采用浇铸成型的方法制备具有复合结构的散热器，利用ANSYS Workbench 11. 0稳态热分析模块模拟计算得Tmax = 70. 6°C，通过图4可以得到复合结构材料的等效导热系数为2. 8ff/m. K。实施例8导热芯层的网格材料采用导热系数为200W/m. K的氮化铝陶瓷，网格材料的直径为1mm，两表面的高分子绝缘层材料采用热固性的不饱和聚酯树脂，其导热系数为0. 2W/ m.K。将导热网格材料作为嵌件，采用浇铸成型的方法制备具有复合结构的散热器，利用 ANSYS Workbench 11. 0稳态热分析模块模拟计算得Tmax = 49. 0°C，通过图4可以得到复合结构材料的等效导热系数为23. Off/m. K。实施例9导热芯层的网格材料采用导热系数为500W/m. K的碳纤维编织的网格布，网格材料的厚度为0. 6mm，两表面的高分子绝缘层材料采用热固性的不饱和聚酯树脂，其导热系数为0. 2ff/m. K。先将碳纤维编织的网格布在不饱和聚酯树脂中浸渍后成型为圆柱状嵌件，再通过浇铸成型方法制备得到复合结构散热器，利用ANSYS Workbench 11.0稳态热分析模块模拟计算得Tmax = 50. 0°C，通过图4可以得到复合结构材料的等效导热系数为19. 6ff/m. K。通过实施例1与实施例6的对比可以看出，导热网格材料的导热系数对复合材料等效导热系数有较大影响，两网格材料的导热系数分别为400W/m. K和60W/m. K，两复合材料的等效导热系数分别为39. 2ff/m. K和8. 5ff/m. K。通过实施例1、实施例2和实施例3的对比可以看出，在其他条件相同时，导热网格材料的尺寸对复合材料等效导热系数有较大影响，当导热网格直径分别为lmm、0. 8mm和 0. 6mm时，相应复合材料的等效导热系数分别为39. 2ff/m. K、27. 4ff/m. K和17. 3ff/m. K。由图4可以发现，当散热器材料的导热系数较小时10W/m. K)，材料的导热系数对散热器底部温度Tmax较大影响，这是由于散热器底部的热量无法排除，导致Tmax升高；当散热器材料的导热系数大于10W/m. K以后，再提高材料的导热系数对降低Tmax的影响已非常小。
权利要求
1.一种高导热电绝缘复合材料，其特征在于所述高导热电绝缘复合材料包括绝缘表层与导热芯层，所述的高导热电绝缘复合材料由一层绝缘层、一层导热芯层交替分布叠置形成夹心结构经复合成型制得所述高导热电绝缘复合材料，所述的夹心结构的内表层、外表层均为绝缘层，所述的夹心结构中所述的导热芯层比绝缘层少一层；所述绝缘层由电绝缘高分子材料制成，所述导热芯层呈镂空的网格状，是由高导热系数材料制成的具有网格结构的导热网格。
2.如权利要求1所述的高导热电绝缘复合材料，其特征在于所述电绝缘高分子材料为具有良好电绝缘性的热塑性高分子材料、热固性高分子材料或添加导热绝缘填料改性的高分子材料。
3.如权利要求1所述的高导热电绝缘复合材料，其特征在于所述高导热系数材料为高导热的金属材料、碳材料或无机材料；所述金属材料为银、铜、铜合金、铝、铝合金、锌、锌合金、钛、钛合金或钢铁中的一种或两种以上的组合；所述碳材料为碳纤维或石墨中的一种或两种的混合；所述无机材料为氮化铝、氮化硼、氧化铝、氧化镁、氧化铍、氮化硅、碳化硅中的一种或两种以上的组合。
4.如权利要求1所述的高导热电绝缘复合材料，其特征在于所述导热芯层呈镂空的网格状，所述镂空的网格状为任意中心镂空的形状。
5.如权利要求1所述的高导热电绝缘复合材料，其特征在于所述导热网格是用高导热系数材料经编织、冲压或焊接方法制成具有纵横交错的网格化的结构。
6.如权利要求1所述的高导热电绝缘复合材料，其特征在于所述夹心结构为内表层、 外表层均为绝缘层，中间为一层导热芯层的单层夹心结构。
7.如权利要求1所述的高导热电绝缘复合材料，其特征在于所述夹心结构成环形结构，所述的环形结构的内环表层、外环表层均为绝缘层，所述的内环表层、外环表层中间为一层环形的导热芯层。
8.如权利要求1所述的高导热电绝缘复合材料，其特征在于所述夹心结构由m层绝缘层与(m-Ι)层导热芯层组成，所述的绝缘层与导热芯层一一交替叠置，所述的夹心结构的内表层、外表层均为绝缘层，m为3以上的正整数。
9.如权利要求1所述的高导热电绝缘复合材料，其特征在于所述夹心结构由η层绝缘层与(η-1)层导热芯层构成环形结构，所述的环形结构的内环表层、外环表层均为绝缘层， 所述的内环表层、外环表层中间为绝缘层与导热芯层一一交替叠置组成的同心环，η为3以上的正整数。
10.如权利要求1所述的高导热电绝缘复合材料，其特征在于所述复合成型的方法为模压成型、挤出成型、浇铸成型或注射成型。
全文摘要
本发明公开了一种高导热电绝缘复合材料，包括绝缘表层与导热芯层，所述的高导热电绝缘复合材料由一层绝缘层、一层导热芯层交替分布叠置形成夹心结构经复合成型制得所述高导热电绝缘复合材料，所述的夹心结构的内表层、外表层均为绝缘层，所述的夹心结构中所述的导热芯层比绝缘层少一层；所述绝缘层由电绝缘高分子材料制成，所述导热芯层呈镂空的网格状，是由高导热系数材料制成的具有网格结构的导热网格。本发明提供的高导热电绝缘复合材料具有高导热性、力学性能优异和高电绝缘性等优点，可应用于制备LED散热器和电器散热器等产品。
文档编号B32B3/12GK102398386SQ20111025519
公开日2012年4月4日 申请日期2011年8月31日 优先权日2011年8月31日
发明者杨方沁, 金杨福, 钱欣 申请人:浙江工业大学