散热器、用于散热器的填料及其方法与流程

本文中公开的各种实施方案广泛地涉及一种用于散热器的配制物、用于散热器的填料组合物以及它们的制作方法。

背景技术

如今的电子装置和光电子装置中的缩小尺寸、电路装配密度和功能性增加的趋势已经导致了严重的热管理问题，并且对它们的可靠性造成了重大的挑战。功率密度和需要被消散的热量的对应密度已经随着个人手持电子装置、发光二极管(更高的流明输出)、汽车中的电子组件、可再充电的高密度电池系统以及用于混合动力车辆的功率逆变器的流行而大幅提高。不足的或无效的热管理对于装置的性能和长期可靠性可能具有强烈的、有害的影响。

在各种制造工业中，金属材料一直被用作用于吸热和散热的散热器。金属散热器是从块体金属(bulkmetal)使用工具或机械加工成期望的构造的，并且通常非常重、制作昂贵并且容易腐蚀。此外，由于与机加工或工具加工技术相关联的固有限制，机加工金属散热器的几何结构是非常有限的。使各种电子组件和装置小型化的趋势决定散热器跟随这样的小型化趋势以提供对终端产品有吸引力的美感。作为包括包装的装置的更小的尺寸的结果，热点的形成在散热特性很差的情况下变得更严重，这继而可能导致装置性能降低、行为不稳定、寿命缩短以及其他可能的不良后果。许多其他的应用还要求金属散热器对于其不合适的导热和电绝缘要求。

由塑料制成的散热器是对金属的有吸引力的替代方案，因为它们是电绝缘的，重量轻，易于使用注射成型技术制作成复杂的设计，并且提供将几个部分集成在一起的可能性(例如，集成为还提供散热器功能的led灯座、还提供散热器功能的高密度电池外壳等)。然而，与金属(铝～200w/mk；铜～400w/mk)相比，塑料具有很差的热导率(小于5w/mk)。

为了解决上述与金属散热器的使用相关的问题，已经尝试了提供包括导电填料颗粒和绝缘粘合剂树脂的导热成型塑料组合物。通常，导电填料颗粒的浓度按体积计算超过60％以上。然而，这导致诸如以下的问题：填料聚合、分布不均匀、难以制作成复杂的形状或大小、以及生产成本提高。装填更大体积的导电填料颗粒还导致电导率提高，这对于许多应用是不期望的。

因此，需要一种设法解决或至少改善以上问题中的一个的、用于散热器的配制物、用于散热器的填料组合物以及制作这样的配制物/组合物的方法。

技术实现要素：

根据本公开的第一方面，提供了一种用于散热器的填料组合物，所述填料组合物包括第一陶瓷填料、第二填料、第三填料和第四填料，第一陶瓷填料具有至少10⁶ω-cm的体积电阻率，第二填料具有小于10⁵ω-cm的体积电阻率，第三填料具有大于60,000s/m的电导率，第四填料具有大于200mpa的断裂强度。

第一填料可以是以所述填料组合物重量的从1.0％至25.0％的量存在；第二填料可以是以所述填料组合物重量的从1.0％至25.0％的量存在；第三填料可以是以所述填料组合物重量的从1.0％至25.0％的量存在；并且第四填料可以是以所述填料组合物重量的从1.0％至25.0％的量存在。

第一填料可以具有10w/mk至50w/mk的固有热导率；第二填料、第三填料和第四填料可以具有大于100w/mk的固有热导率。

第一陶瓷填料可以为具有0.05μm至1000μm的平均粒径的粉末、聚结物或纤维的形式。

第一填料可以包括一种或更多种选自由氮化硼(bn)、氮化铝(aln)、氮化钛(tin)、氧化铝(al2o3)、氧化锌(zno)和碳化硅(sic)组成的组的陶瓷填料。

第二填料可以包括一种或更多种选自由石墨、石墨烯、石墨化炭黑、碳纤维和碳纳米管(cnt)组成的组的材料。

第二填料可以为具有至少25:1的形状比(aspectratio)的片(flakes)、板(sheets)或纤维的形式。

第三填料可以包括一种或更多种选自由石墨、石墨烯、石墨化炭黑、碳纤维和碳纳米管(cnt)组成的组的材料。

第三填料可以为具有1μm至20μm的直径和2nm至20nm的厚度的纳米片(nanoplatelets)的形式。

第四填料可以具有小于10^-3ω-cm的体积电阻率。

第四填料可以包括一种或更多种选自由碳纤维、碳纳米管(cnt)、金、银、铜和镍组成的组的材料。

第四填料可以为具有从1μm至20μm的直径/粒径/厚度的片、板或颗粒的形式，或者为具有大于10μm的长度的纤维的形式。

根据本公开的第二方面，提供了一种制作如本文中公开的填料组合物的方法，所述方法包括：提供所述填料组合物重量的从1.0％至25.0％的量的第一陶瓷填料，所述第一陶瓷填料具有至少10⁶ω-cm的体积电阻率；提供所述填料组合物重量的从1.0％至25.0％的量的第二填料，所述第二填料具有小于10⁵ω-cm的体积电阻率；提供所述填料组合物重量的从1.0％至25.0％的量的第三填料，所述第三填料具有大于60,000s/m的电导率；以及提供所述填料组合物重量的从1.0％至25.0％的量的第四填料，所述第四填料具有大于200mpa的断裂强度。

根据本公开的第三方面，提供了一种用于散热器的配制物，所述配制物包括聚合物基质、如本文中公开的填料组合物以及表面改性剂，所述聚合物基质是以所述配制物重量的从25％至75％的量存在，所述填料组合物是以所述配制物重量的从25％至75％的量存在，所述表面改性剂是以所述配制物重量的从0.1％至5％的量存在。

所述配制物可以具有至少50w/mk的横剖面热导率。

所述配制物可以具有大于20mpa的拉伸强度、大于0.5gpa的杨氏模量以及大于70的肖氏d硬度。

所述聚合物基质可以包括具有至少0.17w/mk的热导率的热塑性聚合物。

所述热塑性聚合物可以具有至少10¹⁵ω-cm的体积电阻率。

所述热塑性聚合物可以是具有至少-80℃的玻璃化转变温度(tg)的非晶材料或具有至少100℃的熔点(tm)的晶体材料。

所述热塑性聚合物可以具有至少20mpa的拉伸强度以及至少1gpa的杨氏模量。

定义

如本文中使用的术语“热导率”是材料导热/散热的性质。热导率(k)是以边界条件和材料性质为约束条件确定装置构造中的热通量和所得温度场的基本热物理性质之一。

以每米开尔文瓦特(w/mk)为单位的热导率(k)被定义为：

k＝ρcpα………..方程(1)

其中α是热扩散率(cm²/s)，ρ是密度(kg/cm³)，cp是散热器材料的比热容(j/kgk)。

如本文中使用的术语“电导率”是材料传导电流的性质。如本文中使用的电导率可以被用来描述固有地或本质上能够导电的导电材料、以及表现出半导性质的半导体材料。

如本文中使用的术语“体积电阻率”是材料的测量该材料对抗电流的流动的强烈程度的性质。

如本文中使用的术语“平面内”是指基本上平行于散热器的粘合表面的平面。

如本文中使用的术语“通过平面”是指基本上正交于平面内表面的方向。

如本文中使用的术语“热塑性”是指可以重复地通过暴露于热量被软化并且通过冷却被硬化的材料。在软化的状态下，热塑性变得柔软或可成型，并且可以通过处理技术(例如，通过成型或挤压)被成形为物品。

术语“层”在被用来描述第一材料时要被广泛地解释为是指可与第二材料的第二深度区分开的、第一材料的第一深度。层的第一材料可以作为连续的膜、间断的结构或这二者的混合存在。层也可以是始终基本均匀的深度或变化的深度。因此，当层由单个的结构形成时，每个单个的结构的尺寸可以是不同的。第一材料和第二材料可以是相同的或不同的，并且第一深度和第二深度可以是相同的或不同的。

术语“连续的”在被用来描述膜或层时要被广泛地解释为是指在其整个上基本上没有间隙或孔或孔隙的膜或层。就这一点而言，连续的膜或连续的层还意图包括这样的膜或层，该膜或层可以具有可能不会明显地影响该膜或层的期望性质的不重要的间隙或孔或孔隙。

如本文中使用的术语“微观”要被广泛地解释为包括从大约1微米至大约1000微米的尺寸。

如本文中使用的术语“纳米”要被广泛地解释为包括小于大约1000nm的尺寸。

如本文中使用的术语“颗粒”广泛地是指离散的实体或离散的主体。本文中描述的颗粒可以包括有机颗粒或无机颗粒。本文中描述的所用的颗粒也可以是通过多个子颗粒或小物体的碎片的聚合而形成的宏观颗粒。本公开的颗粒可以是球形的、基本球形的或非球形的，诸如不规则形状的颗粒或椭圆体形状的颗粒。术语“大小”在被用来指颗粒时广泛地是指颗粒的最大尺寸。例如，当颗粒为基本球形时，术语“大小”可以是指颗粒的直径；或者当颗粒为基本非球形时，术语“大小”可以是指颗粒的最大长度。

如本说明书中使用的术语“偶合的”或“连接的”意图既涵盖直接连接，又涵盖通过一个或更多个中间手段连接，除非另有陈述。

本文中使用的术语“与……相关联”在指两个元件时是指这两个元件之间的宽泛的关系。该关系包括，但不限于，物理的、化学的或生物的关系。例如，当元件a与元件b相关联时，元件a和b可以彼此直接地或间接地附连，或者元件a可以包含元件b，反之亦然。

本文中使用的术语“相邻的”在指两个元件时是指一个元件与另一个元件紧邻，并且可以是，但不限于，彼此接触的元件，或者可以进一步包括元件通过设置在它们之间的一个或更多个进一步的元件分隔。

术语“和/或”(例如，x和/或y)被理解为要么意指“x”和“y”，要么意指“x或y”，并且应被看作是为两个意义或者为任何一个意义提供明确的支持。

此外，在本文中的描述中，词语“基本上”每当被使用时都被理解为包括，但不限于，“整个地”或“完全地”等。另外，诸如“包括”、“包含”等的术语每当被使用时都意图是非限制性的描述语言，因为除了没有被明确地记载的其他组件之外，它们还广泛地包括在这样的术语后面记载的元件/组件。此外，诸如“大约”、“大致”等的术语每当被使用时通常意指合理的变化，例如所公开的值的+/-5％的变化、或所公开的值的4％的变化、或所公开的值的3％的变化、所公开的值的2％的变化、或所公开的值的1％的变化。

此外，在本文中的描述中，某些值可以用一个范围公开。显示范围的端点的值意图例示说明优选范围。每当范围已经被描述时，意图该范围涵盖并且教导所有的可能的子范围以及该范围内的单个的数值。也就是说，范围的端点不应被解释为不灵活的限制。例如，1％至5％的范围的描述意图具有1％至2％、1％至3％、1％至4％、2％至3％等的具体公开的子范围、以及单个地该范围内的值，诸如1％、2％、3％、4％和5％。以上具体的公开的意图适用于范围的任何深度/广度。

具体实施方式

一种用于散热器的配制物、用于散热器的填料组合物以及制作所述配制物和填料组合物的方法的示例性的、非限制性的实施方案在下文中被公开。

在各种实施方案中，一种用于散热器的配制物被提供。所述配制物包括聚合物基质、填料组合物和偶合剂，所述聚合物基质是以(散热器的)重量的从大约25％至大约75％的量存在，所述填料组合物是以(散热器的)重量的从大约25％至75％的量存在，所述偶合剂诸如为表面改性剂。填料组合物可以是一组混合填料。

有利地，本文中公开的配制物的实施方案提供显示优良的热导率、机械强度、耐热性和电阻的、成本有效的可成型的热塑性散热器。聚合物基质(例如，热塑性塑料、填料和偶合剂)可以使用热熔混合器被熔融处理，并且自定义设计的散热器组件可以在高速、高体积注射成型组件中制作。

从如本文中公开的配制物的实施方案形成的塑料散热器显示从大约4w/mk至大约52w/mk的高横剖面热导率。除了显示高横剖面热导率之外，所述散热器还表现出期望的机械特性、热特性以及吸热和散热特性，诸如提高的大于65mpa的拉伸强度；大于1.4gpa的杨氏模量；大于75的肖氏d硬度；更好的耐热性(例如，能够经受150℃或更高)；以及高效的散热特性(例如，在短于60s内被吸收的热量损失大约50％)。

在各种实施方案中，一种聚合物基质材料被提供。所述聚合物基质材料可以包括对于特定的或预期的应用期望的任何热塑性聚合物或树脂材料。

在各种实施方案中，用于散热器的配制物由聚合物基质组成。聚合物基质以配制物重量的从大约25％至大约75％的量、以配制物重量的从大约30％至大约70％的量、以配制物重量的从大约35％至大约65％的量、以配制物重量的从大约40％至大约60％的量、以配制物重量的从大约45％至大约55％的量、或者以配制物重量的从大约50％至大约55％的量存在于散热器中。

在各种实施方案中，所述聚合物基质具有至少0.05w/mk、至少0.10w/mk、至少0.15w/mk、至少0.20w/mk、至少0.25w/mk、至少0.30w/mk、至少0.35w/mk、至少0.40w/mk、至少0.45w/mk、或者至少0.50w/mk的热导率。

在一个实施方案中，所述聚合物基质具有至少0.17w/mk的热导率。

在各种实施方案中，所述聚合物基质具有至少5mpa、至少10mpa、至少15mpa、至少20mpa、至少25mpa、至少30mpa的拉伸强度。在各种实施方案中，所述聚合物基质显示至少0.2gpa、至少0.4gpa、至少0.6gpa、至少0.8gpa、至少1.0gpa、至少1.2gpa、至少1.4gpa、至少1.6gpa、至少1.8gpa、或者至少2.0gpa的杨氏模量值。

在一个实施方案中，所述聚合物基质具有至少20mpa的拉伸强度与至少1gpa的杨氏模量值。

在各种实施方案中，所述聚合物基质具有至少10¹³ohm-cm(ω-cm)、至少10¹⁴ohm-cm(ω-cm)、至少10¹⁵ohm-cm(ω-cm)、至少10¹⁶ohm-cm(ω-cm)、或者至少10¹⁷ohm-cm(ω-cm)的体积电阻率。

在一个实施方案中，所述聚合物基质具有至少10¹⁵ohm-cm的体积电阻率。

在各种实施方案中，所述聚合物基质包括具有至少-60℃、至少-65℃、至少-70℃、至少-75℃、至少-80℃、至少-85℃、至少-90℃、至少-95℃、或者至少-100℃的玻璃化转变温度tg的非晶材料。

在一个实施方案中，所述聚合物基质包括具有至少-80℃的玻璃化转变温度tg的非晶材料。

在各种实施方案中，所述聚合物基质包括具有至少80℃、至少85℃、至少90℃、至少95℃、至少100℃、至少105℃、至少110℃、至少115℃、或者至少120℃的熔融温度tm的晶体材料。

在一个实施方案中，所述聚合物基质包括具有至少100℃的熔融温度tm的晶体材料。

在各种实施方案中，所述聚合物基质包括热塑性聚合物，所述热塑性聚合物包括，但不限于，高密度聚乙烯(hdpe)、聚碳酸酯(pc)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(abs)、pc-abs合金、聚苯硫醚(pps)、聚醚酰亚胺(pei)、聚醚酮(peek)、聚苯乙烯(ps)、聚氯乙烯(pvc)、聚偏二氟乙烯(pvdf)和全氟烷氧基烷烃(pfa)或者它们的组合。

在各种实施方案中，包括填料混合物的填料组合物被提供。填料组合物由第一填料tcf1、第二填料tcf2、第三填料tcf3和第四增强填料tcrf4组成。填料组合物可以包括填料组合物重量的大约1.0％至大约25.0％的量的tcf1、填料组合物重量的大约1.0％至大约25.0％的量的tcf2、填料组合物重量的大约1.0％至大约25.0％的量的tcf3以及填料组合物重量的大约1.0％至大约25.0％的量的tcf4。

在各种实施方案中，第一填料tcf1被提供在包括填料混合物的填料组合物中。第一填料tcf1被构造为导热的且电绝缘的，并且可以是粉末、聚结物或纤维的形式的陶瓷填料。第一填料tcf1可以是晶体材料或非晶材料。

在各种实施方案中，第一填料tcf1具有从大约0.05μm至大约1000μm、从大约0.5μm至大约900μm、从大约1μm至大约800μm、从大约10μm至大约700μm、从大约20μm至大约600μm、从大约50μm至大约500μm、从大约100μm至大约400μm、或者从大约200μm至大约300μm的平均粒径。

在一个实施方案中，第一填料tcf1具有从大约0.05μm至大约1000μm的平均粒径。

在各种实施方案中，第一填料tcf1具有从大约5w/mk至大约50w/mk、从大约10w/mk至大约45w/mk、从大约15w/mk至大约40w/mk、从大约20w/mk至大约35w/mk、或者从大约25w/mk至大约30w/mk的固有热导率。

在一个实施方案中，第一填料tcf1具有从大约10w/mk至大约50w/mk的固有热导率。

在各种实施方案中，第一填料tcf1具有至少10³ohm-cm、至少10⁴ohm-cm、至少10⁵ohm-cm、至少10⁶ohm-cm、或者至少10⁷ohm-cm的体积电阻率。

在一个实施方案中，第一填料tcf1具有至少10⁶ohm-cm的体积电阻率。

在各种实施方案中，第一填料tcf1包括，但不限于，氮化硼(bn)、氮化铝(aln)、氮化钛(tin)、氧化铝(al2o3)、氧化锌(zno)、碳化硅(sic)或者它们的组合。

在一个实施方案中，第一填料tcf1包括从由以下材料组成的组选择的一种或更多种材料：氮化硼(bn)、氮化铝(aln)、氮化钛(tin)、氧化铝(al2o3)、氧化锌(zno)和碳化硅(sic)。

在各种实施方案中，第一填料tcf1以散热器重量的从大约1％至大约10％的量、以散热器重量的从大约2％至大约10％的量、以散热器重量的从大约4％至大约10％的量、以散热器重量的从大约6％至大约10％的量、或者以散热器重量的从大约8％至大约10％的量存在于散热器中。

在各种实施方案中，第二填料tcf2被提供在包括填料混合物的填料组合物中。第二填料tcf2被构造为导热的且导电的、并且表面积或形状比相对较大。第二填料tcf2可以为片、板或纤维的形式。

在各种实施方案中，第二填料tcf2具有至少5:1、至少6:1、至少7:1、至少8:1、至少9:1、至少10:1、至少15:1、至少20:1、至少25:1、至少30:1、至少35:1、至少40:1、至少45:1、或者至少50:1的形状比。

在一个实施方案中，第二填料tcf2具有至少25:1的形状比。

在各种实施方案中，第二填料tcf2具有至少50w/mk、至少55w/mk、至少60w/mk、至少65w/mk、至少70w/mk、至少75w/mk、至少80w/mk、至少85w/mk、至少90w/mk、至少95w/mk、至少100w/mk、至少105w/mk、至少110w/mk、至少115w/mk、或者至少120w/mk的固有热导率。

在一个实施方案中，第二填料tcf2具有大于100w/mk的固有热导率。

在各种实施方案中，第二填料tcf2具有小于10ohm-cm、小于10²ohm-cm、小于10³ohm-cm、小于10⁴ohm-cm、或者小于10⁵ohm-cm的体积电阻率。

在一个实施方案中，第二填料tcf2具有小于10⁴ohm-cm的体积电阻率。

在各种实施方案中，第二填料tcf2包括，但不限于，石墨、石墨烯、石墨化炭黑、碳纤维、碳纳米管(cnt)或者它们的组合。

在一个实施方案中，第二填料tcf2包括一种或更多种选自由石墨、石墨烯、石墨化炭黑、碳纤维和碳纳米管(cnt)组成的组的材料。

在各种实施方案中，用于散热器的组合物包括第二填料tcf2。第二填料tcf2以散热器重量的从大约1％至大约10％的量、以散热器重量的从大约2％至大约10％的量、以散热器重量的从大约4％至大约10％的量、以散热器重量的从大约6％至大约10％的量、或者以散热器重量的从大约8％至大约10％的量存在于散热器中。

在各种实施方案中，第三填料tcf3被提供在包括填料混合物的填料组合物中。第三填料tcf3被构造为导热的且导电的、并且表面积或形状比相对较大。第三填料tcf3可以为纳米片的形式。

在各种实施方案中，纳米片的形式的第三填料tcf3具有从大约0.5μm至大约25μm、从大约1μm至大约24μm、从大约2μm至大约24μm、从大约4μm至大约22μm、从大约6μm至大约20μm、从大约8μm至大约18μm、从大约10μm至大约16μm、或者从大约12μm至大约14μm的平均直径。

在各种实施方案中，纳米片的形式的第三填料tcf3具有从大约1nm至大约22nm、从大约2nm至大约20nm、从大约4nm至大约18nm、从大约6nm至大约16nm、从大约8nm至大约14nm、或者从大约10nm至大约12nm的厚度。

在一个实施方案中，纳米片的形式的第三填料tcf3具有从大约1μm至大约20μm的平均直径以及从大约2nm至大约20nm的厚度。

在各种实施方案中，第三填料tcf3具有至少5:1、至少6:1、至少7:1、至少8:1、至少9:1、至少10:1、至少15:1、至少20:1、至少25:1、至少30:1、至少35:1、至少40:1、至少45:1、或者至少50:1的形状比。

在一个实施方案中，第三填料tcf3具有至少25:1的形状比。

在各种实施方案中，第三填料tcf3具有至少50w/mk、至少55w/mk、至少60w/mk、至少65w/mk、至少70w/mk、至少75w/mk、至少80w/mk、至少85w/mk、至少90w/mk、至少95w/mk、至少100w/mk、至少105w/mk、至少110w/mk、至少115w/mk、或者至少120w/mk的固有热导率。

在一个实施方案中，第三填料tcf3具有大于100w/mk的固有热导率。

在各种实施方案中，第三填料tcf3具有大于10,000s/m、大于20,000s/m、大于30,000s/m、大于40,000s/m、大于50,000s/m、大于60,000s/m、大于70,000s/m、大于80,000s/m、或者大于90,000s/m的电导率。

在一个实施方案中，第三填料tcf3具有大于60,000s/m的电导率。

在各种实施方案中，第三填料tcf3包括，但不限于，石墨、石墨烯、石墨化炭黑、碳纤维、碳纳米管(cnt)或它们的组合。

在一个实施方案中，第三填料tcf3包括一种或更多种选自由石墨、石墨烯、石墨化炭黑、碳纤维和碳纳米管(cnt)组成的组的材料。

在各种实施方案中，第三填料tcf3以散热器重量的从大约1％至大约10％的量、以散热器重量的从大约2％至大约10％的量、以散热器重量的从大约4％至大约10％的量、以散热器重量的从大约6％至大约10％的量、或者以散热器重量的从大约8％至大约10％的量存在于散热器中。

在各种实施方案中，第四增强填料tcrf4被提供在包括填料混合物的填料组合物中。第四增强填料tcrf4被构造为导热的且导电的、并且机械强度相对较高。

在各种实施方案中，片、板、颗粒或纤维的形式的第四增强填料tcrf4具有从大约0.5μm至大约25μm、从大约1μm至大约24μm、从大约2μm至大约24μm、从大约4μm至大约22μm、从大约6μm至大约20μm、从大约8μm至大约18μm、从大约10μm至大约16μm、或者从大约12μm至大约14μm的平均直径。

在各种实施方案中，纤维的形式的第四增强填料tcrf4具有大于1μm、大于5μm、大于10μm、大于15μm、大于20μm、或者大于25μm的长度。

在一个实施方案中，片、板、颗粒的形式的第四增强填料tcrf4具有1μm至20μm的范围内的平均直径、粒径或厚度。在另一实施方案中，纤维的形式的第四增强填料tcrf4具有大于10μm的长度。

在各种实施方案中，第四增强填料tcrf4具有至少50w/mk、至少55w/mk、至少60w/mk、至少65w/mk、至少70w/mk、至少75w/mk、至少80w/mk、至少85w/mk、至少90w/mk、至少95w/mk、至少100w/mk、至少105w/mk、至少110w/mk、至少115w/mk、或者至少120w/mk的固有热导率。

在一个实施方案中，第四增强填料tcrf4具有大于100w/mk的固有热导率。

在各种实施方案中，第四增强填料tcrf4具有小于10^-2ohm-cm、小于10^-3ohm-cm、小于10^-4ohm-cm、小于10^-5ohm-cm、小于10^-6ohm-cm、或者小于10^-7ohm-cm的体积电阻率。

在一个实施方案中，第四增强填料tcrf4具有小于10^-3ohm-cm的体积电阻率。

在各种实施方案中，第四增强填料tcrf4具有大于50mpa、大于75mpa、大于100mpa、大于125mpa、大于150mpa、大于175mpa、大于200mpa、大于225mpa、大于250mpa、大于275mpa、或者大于300mpa的断裂强度。

在一个实施方案中，第四增强填料tcrf4具有大于200mpa的断裂强度。

在各种实施方案中，第四增强填料tcrf4包括，但不限于，碳纤维、碳纳米管(cnt)、金、银、铜、镍或者它们的组合。

在一个实施方案中，第四增强填料tcrf4包括一种或更多种选自由碳纤维、碳纳米管(cnt)、金、银、铜和镍组成的组的材料。

在各种实施方案中，第四增强填料tcrf4以散热器重量的从大约1％至大约10％的量、以散热器重量的从大约2％至大约10％的量、以散热器重量的从大约4％至大约10％的量、以散热器重量的从大约6％至大约10％的量、或者以散热器重量的从大约8％至大约10％的量存在于散热器中。

在一个实施方案中，第一填料tcf1以散热器重量的从大约1％至大约20％的量存在于散热器中，第二填料tcf2以散热器重量的从大约1％至大约20％的量存在于散热器中，第三填料tcf3以散热器重量的从大约1％至大约20％的量存在于散热器中，第四增强填料tcf4以散热器重量的从大约1％至大约20％的量存在于散热器中。

在另一实施方案中，第一填料tcf1以散热器重量的从大约5％至大约10％的量存在于散热器中，第二填料tcf2以散热器重量的从大约5％至大约10％的量存在于散热器中，第三填料tcf3以散热器重量的从大约5％至大约10％的量存在于散热器中，第四增强填料tcf4以散热器重量的从大约5％至大约10％的量存在于散热器中。

在各种实施方案中，一种或更多种表面改性剂被提供在用于散热器的配制物中。表面改性剂用于便利tcf1、tcf2、tcf3和tcrf4的更好的湿润和与聚合物树脂的偶合，以提供均匀的界面或者改进聚合物树脂与其他填料之间的界面粘合。有利地，这导致物理性质和机械性质得到改进。表面改性剂还帮助降低熔融黏度并且便利填料的均匀分散。优选地，表面改性剂被构造为具有相对较高的热稳定性以幸免于通常在高于热塑性聚合物的玻璃化转变温度tg或熔融温度tm的温度下操作的常见的大体积熔融处理(诸如挤压、热熔混合和注射成型)的严苛条件。

在各种实施方案中，用于散热器的配制物包括一种或更多种表面改性剂。表面改性剂(一种或更多种)以散热器重量的从大约0.1％至大约5％的量、以散热器重量的从大约0.5％至大约5％的量、以散热器重量的从大约1％至大约5％的量、以散热器重量的从大约2％至大约5％的量、以散热器重量的从大约3％至大约5％的量、或者以散热器重量的从大约4％至大约5％的量存在于散热器中。

在一个实施方案中，如本文中公开的散热器的配制物包括以重量的从大约0.1％至大约5％的表面改性剂。

在各种实施方案中，表面改性剂包括，但不限于，曲拉通x-100(辛基酚聚醚-9、叔-辛基苯氧基聚乙氧基乙醇(t-octylphenoxypolyethoxyethanol))或硅烷(γ-氨丙基三乙氧基硅烷)或者它们的组合。

附图说明

图1a是示出注射成型的散热器样品a(用于热导率测量的圆盘)的顶视图的照片。

图1b是示出注射成型的散热器样品b(用于硬度测量的方板)的顶视图的照片。

图1c是示出注射成型的散热器样品c(用于拉伸强度和模量测量的狗骨头形状的样本)的顶视图的照片。

图1d是示出注射成型的散热器样品d(用于3点弯曲和冲击测试的细长样本)的顶视图的照片。

图2是示出散热器(样品a)在120s的时间段内的散热特性的曲线图。

图3是用于图示示例性实施方案中的制作填料组合物的方法的示意性流程图。

图4是用于图示示例性实施方案中的制作用于散热器的配制物的方法的示意性流程图。

附图的详细描述

从以下讨论并且如果适用、与附图相结合，本公开的示例性实施方案将被本领域普通技术人员更好地理解和容易明白。应意识到的是，与结构改变、电气改变和光学改变相关的其他修改可以在不偏离本发明的范围的情况下被做出。示例性实施方案不一定是相互排斥的，因为一些可以与一个或更多个实施方案组合来形成新的示例性实施方案。

图1a是示出注射成型的散热器样品a(用于热导率测量的圆盘)的顶视图的照片。样品a具有大约12.7mm的直径以及要么1mm、要么3mm的厚度。图1b是示出注射成型的散热器样品b(用于硬度测量的方板)的顶视图的照片。样品b具有大约12.7mm的直径以及要么1mm、要么3mm的厚度。图1c是示出注射成型的散热器样品c(用于拉伸强度和模量测量的狗骨头形状的样本)的顶视图的照片。样品c具有大约50mm的计量长度、大约5mm的宽度以及大约2.13mm的厚度。图1d是示出注射成型的散热器样品d(用于3点弯曲和冲击测试的细长样本)的顶视图的照片。样品d具有大约60mm的长度、大约10mm的宽度以及大约1.12mm的厚度。

所有四个样品a至d都是使用如本文中描述的配制物制备的，所述配制物包括热塑性聚合物基质、第一导热填料、第二导热填料、第三导热填料以及第四导热增强填料和偶合剂。样品a至d随后被进行各种测试以表征它们的性质。

热熔混合和注射成型

如本文中所描述的示例性样本是用热熔混合和注射成型法制备的。在本公开中用于热熔混合和注射成型的处理参数如下：

热熔混合-

温度：100℃至450℃

持续时间：15分钟至120分钟

速度：10rpm至100rpm

注射成型-

圆筒温度：200℃至450℃

模具温度：50℃至200℃

注射压力：200巴至1200巴

热导率

如本文中所描述的所有的样本都是用热熔混合和注射成型制备成厚度要么为1mm、要么为3mm的、12.7mm的盘或12.7mm的方形。如本文中所描述的组合物的热导率是根据astme1461在横剖面(样本厚度)方向上测试的。

拉伸强度和杨氏模量

如本文中所描述的所有的样本都是用热熔混合和注射成型制备成计量长度50mm、宽度5.0mm、厚度2.13mm的狗骨头形状的样本的。如本文中所描述的组合物的拉伸强度和杨氏模量是根据astmd368测试的。

肖氏d硬度

如本文中所描述的所有的样本都是用热熔混合和注射成型制备成厚度要么为1mm、要么为3mm的、12.7mm的盘或12.7mm的方形。如本文中所描述的组合物的硬度是根据astmd2240测试的。

电阻率

如本文中所描述的所有的样本都是用热熔混合和注射成型制备成厚度要么为1mm、要么为3mm的、12.7mm的盘或12.7mm的方形。如本文中所描述的组合物的电阻率是根据astmd257和d2739测试的。

ir热成像分析

如本文中所描述的所有的样本都是用热熔混合和注射成型制备成厚度要么为1mm、要么为3mm的、12.7mm的盘或12.7mm的方形。如本文中所描述的组合物的ir热成像分析是根据astme1311-14或e1316-10b或e1862-97测试的。

散热性

如本文中所描述的所有的样本都是用热熔混合和注射成型制备成厚度要么为1mm、要么为3mm的、12.7mm的盘或12.7mm的方形。

所述样本被预热到100℃，并且通过安装在热绝缘的表面上而被使得可以自然地冷却。样品的表面温度是在不同时间点测得的。

图2是示出散热器(样品a)在120s的时间段内的散热特性的曲线图。在时间t＝0s，在散热器中测得的表面温度为大约100℃。在时间t＝60s，在散热器中测得的表面温度为大约47.5℃。在时间t＝120s，在散热器中测得的表面温度为大约32℃。如所示，塑料散热器表现出高效的散热性，并且温度在短于120s内下降超过65℃达到环境温度。

如表1所示的以下实施例被提出以便为本领域的普通技术人员提供本文中描述的并且要求保护的塑料散热器、组合物、物品、装置和/或方法是如何做出的、以及被如何评估的完全的公开和描述，并非意图限制本发明的范围。除非在以下实施例以及本说明书和权利要求书中的其他地方另有指示，否则所有的部分和百分比都是按重量计算的；温度是以摄氏度为单位的或者处于环境温度，并且压力处于或接近大气条件。

表1

*单个的填料的浓度是以填料组合物重量的从1.0wt％至25.0wt％变化。

在表1中，表面改性剂(一种或更多种)以很少的量存在于填料组合物中，并且是填料wt％的占填料组合物的从大约0.1wt％至大约5.0wt％的量的一部分。

图3是用于图示示例性实施方案中的制作填料组合物的方法的示意性流程图300。在步骤302，提供填料组合物重量的从1.0％至25.0％的量的第一陶瓷填料，第一陶瓷填料具有至少10⁶ω-cm的体积电阻率。在步骤304，提供填料组合物重量的从1.0％至25.0％的量的第二填料，第二填料具有小于10⁵ω-cm的体积电阻率。在步骤306，提供填料组合物重量的从1.0％至25.0％的量的第三填料，第三填料具有大于60,000s/m的电导率。在步骤308，提供填料组合物重量的从1.0％至25.0％的量的第四填料，第四填料具有大于200mpa的断裂强度。

图4是用于图示示例性实施方案中的制作用于散热器的配制物的方法的示意性流程图。在步骤402，提供配制物重量的从大约25％至大约75％的量的聚合物基质。在步骤404，提供配制物重量的从大约25％至大约75％的量的填料组合物。在步骤406，提供配制物重量的从大约0.1％至大约5％的量的一种或更多种表面改性剂。

应用

本文中公开的配制物和填料组合物的实施方案提供了用于高功率电子装置的散热器，表现出优良的贯通面(through-plane)热导率、机械强度的散热器是电绝缘的、耐热的并且可注射成型的。所公开的配制物和填料组合物的实施方案还设法克服本领域中已知的塑料散热器的问题。

发明人已经认识到，为了在塑料散热器重量轻且制造成本相对较低的同时实现可成型的塑料散热器的优良的横剖面(cross-plane)热导率和最佳的物理性质，湿润的问题必须被克服。现有技术的组合物不足以解决同一组合物中高横剖面热导率和结构完整性的需要。

塑料散热器的散热能力由其热导率确定。热导率(k)是以边界条件和材料性质为约束条件确定装置构造中的热通量和所得温度场的基本热物理性质之一。

沿着垂直于散热器的平面的厚度方向(其是横剖面或贯通面方向)的热导率的确定确定材料的体积散热性质。另一方面，平行于散热器的平面的平面内方向在实现散热器材料对吸收的热量的高效散热中遇到挑战。

在来自现有文献的许多实验数据中已经认识到，横剖面热导率比平面内(in-plane)热导率低得多(低大约4倍)。相信这归因于就这两种情况而言的电子和声子输送的差异。因此，本公开的示例性实施方案提供了这样的塑料散热器，这些塑料散热器表现出更高的横剖面热导率以高效地吸收并且消散高功率电子装置产生的热量，从而提高它们的性能和可靠性。

使用如本文中公开的示例性配制物制成的导热塑料散热器是基于高性能聚合物纳米复合物。这些塑料散热器由于它们的优良的性质(诸如热导率、机械强度、轻重量、耐腐蚀以及易于处理和设计)，能够取代高功率电子产品、电子装置(马达、发电机、电源)和热交换器中使用的金属组件。

发明人已经认识到，通过实现混合填料的合适的添加以及使用熔融混合和注射成型技术的处理参数的控制，塑料散热器的特性可以得到显著的改进。例如，诸如可调的热性质、电气性质、表现出提高的机械强度的机械性质以及具有期望的吸热和散热功能的热导性的特性可以被实现。如本文中公开的实验数据已经证实，填料的选择、有效的配制物和最佳的处理条件便利基于能够除去热量并且防止电子系统发生热量相关的故障的纳米复合物组件的导热塑料散热器的制作。

有利地，如本文中公开的用于散热器的配制物的各种实施方案提供了显示优良的导热性、机械强度、耐热性和电阻的、成本有效的可成型的热塑性散热器。本文中公开的聚合物基质材料是在制造工业中用于制作各种产品的常见聚合物或树脂，因此对于它们的制造中使用的现有的设备或工具的修改没有特别的要求。塑料基质、填料和偶合剂可以通过使用热熔混合器方法被熔融处理，并且自定义设计的散热器组件可以用高速、高体积注射成型法制作。开发的配制物(一种或更多种)可以通过使用压缩成型、挤压和注射成型制造法被制作成不同大小和形状(盘、板、管、细丝和片材)的自定义设计的产品。

甚至更有利地，如本文中公开的用于散热器的配制物的各种实施方案提供了显示至少50w/mk的高横剖面热导率的塑料散热器。除了显示高横剖面热导率之外，所述散热器还表现出期望的机械特性、热特性以及吸热和散热特性，诸如大于65mpa的提高的拉伸强度；大于1.4mpa的杨氏模量；大于75的肖氏d硬度；高于150℃的更好的耐热性；以及在短于60s内吸收的热量损失大约50％的高效的散热特性。

本领域技术人员将意识到，在不脱离如广泛地描述的本公开的精神或范围的情况下，可以对本文中公开的实施方案做出其他的变化和/或修改。目前的实施方案因此在各方面要被认为是说明性的、而非限制性的。

另外，当描述一些实施方案时，本公开可能已经公开了作为特定的步骤序列的方法和/或处理。然而，除非另有要求，否则将意识到的是，所述方法或处理不应限于所公开的特定的步骤序列。其他步骤序列可以是可能的。本文中公开的步骤的特定次序不应被解释为过度的限制。除非另有要求，否则本文中公开的方法和/或处理不应限于所述步骤按所写的次序执行。所述步骤序列可以变化，并且仍保持在本公开的范围内。