一种导热蓄热相变板及其制备方法与流程

本发明属于散热技术领域，尤其涉及一种导热蓄热相变板及其制备方法。

背景技术：

随着电子集成技术的快速发展，电子设备向小型化和轻薄化方向发展，系统的集成度越来越高。另一方面，电子设备中高功率元器件的应用，热功耗急剧增大，由此产生的热量没有充足的空间散发，从而直接影响产品的工作性能以及使用寿命，统计显示，约40％以上的电子产品可靠性(寿命)故障是由温升问题引起的。随着5g时代的来临，电子产品的散热任务变的尤为严峻，如何有效解决散热问题已成为电子技术进一步发展的瓶颈。

相变化材料，是一类兼顾了相变蓄热和高导热的材料。当温度达到其相变软化点时，相变材料由固体状态变软或者具备一定的流动性状态，在相变的过程中伴随一个较大能量的吸收和释放，这部分能量称为相变潜热，且该过程为一个等温或近似等温的过程。因此相变化材料应用于电子产品中的热功耗器件时，可以有效抵抗其瞬时的热冲击，即通过相变蓄热为电子元器件提供超温保护，降低其温升超标的概率。相变导热材料的另一重要特点就是具备导热功能，在相变材料的配方中，通过添加导热填料，可大大提高其导热系数，从而有效将热功耗器件产生的热量快速传导出去。

相变材料的相变潜热大，导热系数高，具有良好的传热和流动性，但在应用端仍存在一些不足：

(1)相变材料的耐久性问题，即在相变循环过程中物理、化学性质容易发生退化，从而影响其蓄热和导热性能。市场上常见的一些导热相变材料在中长期的使用过程中容易出现干化开裂的情况；

(2)相变材料对电子元器件的污染问题，由于相变后的材料具有一定的流淌性，易从基体中泄露，浸入器件缝隙，对器件造成污染；

(3)使用相变材料后的电子元器件返修相对困难，相变材料充分填充浸润器件的表面和缝隙，在返修的过程中难以清除，且容易损坏电子元件，大大增加了返修的成本；

(4)相变材料与电子元器件的界面相容性问题，相变材料配方中涉及多种组分的材料，其与器件膨胀系数的差异容易造成内应力的产生，同时各种组分的材料还存在与器件表面发生化学反应的风险，极大影响电子元器件的性能。

技术实现要素：

基于此，本发明实施例提供一种导热蓄热相变板，其相变潜热高、导热系数大、耐久性能好、对电子元器件无毒无腐蚀、使之更易清理返修、界面相容性好，制造成本低且配方简易，使用方便。

第一方面，本发明实施例提供一种导热蓄热相变板，包括相变板壳体和相变复合材料，所述相变板壳体围出一封闭的容腔，所述相变复合材料填充于所述容腔中，所述相变板壳体是导热材质，所述相变复合材料包括以下重量份数的各原料组分：

进一步地，所述的导热蓄热相变板，还包括至少一个胶粘层，所述胶粘层设置于所述相变板壳体的外表面上。胶粘层的设置可以使导热蓄热相变板方便安装使用，可直接贴附于电子产品中的热功耗器件上，利用导热蓄热相变板的导热和蓄热功能，可以有效抵抗瞬时的热冲击，为电子元器件提供超温保护，降低其温升超标的概率；在返修时，直接将导热蓄热相变板取走即可，无需考虑传统相变材料在返修的过程中难以清除的问题，大大降低了返修成本。

作为一种优选实施方式，所述相变板壳体的一个表面上设置有胶粘层，所述相变板壳体的另一个表面上设置有辐射散热层。

进一步地，所述相变板壳体选自铜材、铝材、钛材或不锈钢中的一种，但不限于此。

优选地，所述相变材料为石蜡、硬脂酸、硬脂酸丁酯、三羟甲基乙烷、聚乙二醇或结晶水合盐中的至少一种。

优选地，所述导热填料为石墨、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、铜粉、铝粉、氧化铝、氮化铝、氮化硅、氮化硼、碳化硅、氧化镁或氧化硅中的至少一种。

优选地，所述基体材料为热塑性塑料或热塑性橡胶中的至少一种，例如可选但不限于硅橡胶、环氧树脂、硅树脂、天然橡胶、氯丁橡胶、丁苯橡胶或丁腈橡胶中的至少一种；所述偶联剂选自硅烷偶联剂、钛酸酯、铝酸酯偶联剂中的至少一种；所述热稳定剂选自硬脂酸铅、硬脂酸钙、二月桂酸二正丁基锡、马来酸单酯二丁基锡或十二硫醇二烷基锡中的至少一种。

第二方面，本发明实施例还提供一种导热蓄热相变板的制备方法，包括以下步骤：

s1：制备相变板壳体，使相变板壳体围出一容腔，在所述相变板壳体上预留一开放口；

s2：向导热填料中加入偶联剂，混合均匀；

s3：按重量份数比将基体材料和相变材料一起置入捏合机内，混合均匀后加入热稳定剂以及偶联剂处理过的导热填料继续混合，最后抽真空脱去气泡，得到熔融状流体；

s4：将熔融状流体通过预留的开放口加入到相变板壳体中，填充所述容腔的80～100％，然后对未充满的容腔抽真空；封闭开放口，得到导热蓄热相变板。

优选地，s3中基体材料和相变材料在捏合机内在60-250℃温度下加热捏合10-90min，加入热稳定剂以及偶联剂处理过的导热填料后继续混合10-90min。

进一步地，所述s4封闭开放口后，还包括以下步骤：对相变板壳体的外表面进行单面或双面背胶形成至少一个胶粘层；当将相变板壳体的表面进行单面背胶时，另一表面施加辐射散热涂料形成辐射散热层。

传统相变材料的配方中，由于需要添加相当重量份数的基体材料以作为相变复合材料的载体，同时为提高其综合性能，需要添加热稳定剂、分散剂、阻燃剂、抗氧化剂、补强剂、增塑剂、偶联剂、抗老化剂、消泡剂、固化剂等多种必要的改性助剂，从而会导致相变材料的重量份数占相变复合材料的比值大幅降低，使相变焓值下降，同时也造成配方成本增加，工艺难度提高，生产流程变长。

本发明实施例的技术方案，由于相变复合材料被密封在相变板壳体中，具有以下有益效果：

(1)无需考虑相变复合材料达到相变软化点后泄露损失的问题，因此其他助剂少，相变材料的含量可以设计到更高的比例，从而获得更大的相变潜热，提升蓄热性能，同时通过添加导热填料，构建三维导热网络结构，有效提高其导热系数，加强了传热性能；

(2)在反复的相变循环过程中，相变板壳体内的相变复合材料始终处于一个相对稳定的环境，不会与外界发生物质交换，不会有小分子析出，因而避免了常规导热相变材料在中长期使用过程中容易出现干化开裂的情况，有效的解决了相变复合材料耐久性差的问题；同时该方案也解决了相变材料软化后易从基体中泄露，浸入器件缝隙，对器件造成污染的问题；

(3)由于相变复合材料与电子元器件不直接接触，使电子元器件更易清理返修、彻底避免了二者的界面相容性问题；

(4)可以极大简化相变复合材料的配方设计，无需加入如补强剂、增韧剂、抗老化剂、阻燃剂或抗氧化剂等助剂，可以大大增加相变材料组分的重量百分比，使其相变焓保持率(相变复合材料的相变焓与纯相变材料的相变焓的比值)达到90％以上，尤其在只添加相变材料和导热填料的优选配方中，其相变焓保持率达到98％以上，获得远超常规相变复合材料的相变潜热，同时也可降低配方成本，简化生产流程；

(5)经测试表明，本发明实施例的导热蓄热相变板在吸热放热循环5000次后，仍保持稳定了导热和蓄热功能，性能值衰减率极低，因此可以反复多次使用，使综合成本更低；

(6)本发明实施例的导热蓄热相变板尤其适用于电子元器件单点温升过高，散热空间不足的场景，为电子元器件提供超温保护，同时有效将热功耗器件产生的热量快速传导出去，有利于电子产品散热结构的简单化和轻便化。

附图说明

图1是实施例1的导热蓄热相变板结构示意图；

图2是实施例2～4和对比例1～2的导热蓄热相变板结构示意图；

图3是实施例5的导热蓄热相变板结构示意图；

图4是实施例6的导热蓄热相变板结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体实施例的目的，不是旨在限制本发明。

实施例1

本实施例的导热蓄热相变板，如图1所示，包括相变板壳体1和相变复合材料2，相变板壳体1围出一封闭的容腔，相变复合材料2充满于所述容腔中，相变板壳体1材料为铜材，相变复合材料2由以下重量份数的各原料组成：相变材料精炼石蜡500份、导热填料为氧化铝与石墨烯按重量比30：1的混合物共100份。

实施例2

本实施例的导热蓄热相变板，如图2所示，包括相变板壳体1和相变复合材料2，相变板壳体1围出一封闭的容腔，相变复合材料2充满于所述容腔中，相变板壳体1的一个表面上设置有胶粘层3，相变板壳体1材料为铜材，相变复合材料由以下重量份数的各原料组成：相变材料精炼石蜡600份、导热填料为氧化铝、石墨烯与碳纳米管按重量比30：1：1的混合物共100份。

实施例3

本实施例的导热蓄热相变板，如图2所示，包括相变板壳体1和相变复合材料2，相变板壳体1围出一封闭的容腔，相变复合材料2充满于所述容腔中，相变板壳体1的一个表面上设置有胶粘层3，相变板壳体材料为铜材，相变复合材料由以下重量份数的各原料组成：基体材料硅橡胶60份、相变材料精炼石蜡400份、导热填料为氧化铝与石墨烯按重量比30：1的混合物共150份、硅烷偶联剂8份以及热稳定剂硬脂酸钙2份。

实施例4

本实施例的导热蓄热相变板，如图2所示，包括相变板壳体1和相变复合材料2，相变板壳体1围出一封闭的容腔，相变复合材料2充满于所述容腔中，相变板壳体1的一个表面上设置有胶粘层3，相变板壳体1材料为铜材，相变复合材料由以下重量份数的各原料组成：基体材料丁腈橡胶55份、相变材料精炼石蜡450份、导热填料为氮化硼与膨胀石墨按重量比20：1的混合物共160份、硅烷偶联剂7份以及热稳定剂硬脂酸铅1.5份。

实施例5

本实施例的导热蓄热相变板，如图3所示，包括相变板壳体1和相变复合材料2，相变板壳体1围出一封闭的容腔，相变复合材料2充满于所述容腔中，相变板壳体1的两个表面上设置有胶粘层，分别为胶粘层3和胶粘层4，相变板壳体1材料为铜材，相变复合材料由以下重量份数的各原料组成：基体材料氯丁橡胶50份、相变材料精炼石蜡400份、导热填料为碳化硅、碳纳米管与石墨烯按重量比20：1：1的混合物共180份、硅烷偶联剂9份以及热稳定剂硬脂酸钙2.5份。

实施例6

本实施例的导热蓄热相变板，如图4所示，包括相变板壳体1和相变复合材料2，相变板壳体1围出一封闭的容腔，相变复合材料2填充于所述容腔中，占所述容腔体积的80％，相变板壳体1的一个表面上设置有胶粘层3，另一个表面上设置有辐射散热层5。相变板壳体材料为不锈钢，相变复合材料由以下重量份数的各原料组成：基体材料环氧树脂80份、相变材料聚乙二醇300份、导热填料为碳化硅、碳纳米管与石墨烯按重量比5：1：1的混合物共250份、硅烷偶联剂15份以及热稳定剂硬脂酸钙3份。

实施例7

实施例1的导热蓄热相变板的制备方法，步骤如下：

s1：通过冲压成型工艺制备铜基相变板壳体，使相变板壳体围出一容腔，预留一边为开放口后，将其余边缘密封焊接，通过丙酮、乙醇以及去离子水反复清洗后干燥；

s2：将氧化铝与石墨烯按重量比30：1共100份加入无水乙醇中湿磨60min后，在60℃的真空烘箱中干燥30min；

s3：将500份精炼石蜡与100份导热填料一起置入捏合机内，在100℃温度下加热捏合60min，随后降温至室温捏合30min，最后抽真空脱去气泡，得到熔融状流体；

s4：将s3中得到的熔融状流体通过预留的开放口加入s1中的铜质相变板壳体中，充满整个壳体后，封闭开放口，得到导热蓄热相变板。

实施例8

实施例2的导热蓄热相变板的制备方法，步骤如下：

s1：通过冲压成型工艺制备铜基相变板壳体，使相变板壳体围出一容腔，预留一边为开放口后，将其余边缘密封焊接，通过丙酮、乙醇以及去离子水反复清洗后干燥；

s2：将氧化铝、石墨烯与碳纳米管按重量比30：1：1共100份加入无水乙醇中湿磨60min后，在60℃的真空烘箱中干燥30min；

s3：将600份精炼石蜡与100份导热填料一起置入捏合机内，在100℃温度下加热捏合60min，随后降温至室温捏合30min，最后抽真空脱去气泡，得到熔融状流体；

s4：将s3中得到的熔融状流体通过预留的开放口加入s1中的铜质相变板壳体中，充满整个壳体后，封闭开放口，对相变板壳体的外表面进行单面背胶形成胶粘层3，得到导热蓄热相变板。

实施例9

实施例3的导热蓄热相变板的制备方法，步骤如下：

s1：通过冲压成型工艺制备铜基相变板壳体，使相变板壳体围出一容腔，预留一边为开放口后，将其余边缘密封焊接，通过丙酮、乙醇以及去离子水反复清洗后干燥；

s2：将氧化铝与石墨烯按重量比30：1共150份加入无水乙醇中湿磨60min后，在60℃的真空烘箱中干燥30min；随后向150份导热填料中加入8份硅烷偶联剂，混合均匀；

s3：将60份硅橡胶、400份精炼石蜡一起置入捏合机内，在100℃温度下加热捏合60min，混合均匀后加入2份硬脂酸钙以及150份经偶联剂处理过的导热填料继续混合60min，最后抽真空脱去气泡，得到熔融状流体；

s4：将s3中得到的熔融状流体通过预留的开放口加入s1中的铜质相变板壳体中，充满整个壳体后，封闭开放口，对相变板壳体的外表面进行单面背胶形成胶粘层3，得到导热蓄热相变板3。

实施例10

实施例4的导热蓄热相变板的制备方法，步骤如下：

s1：通过冲压成型工艺制备铜基相变板壳体，使相变板壳体围出一容腔，预留一边为开放口后，将其余边缘密封焊接，通过丙酮、乙醇以及去离子水反复清洗后干燥；

s2：将氮化硼与膨胀石墨按重量比20：1的导热填料混合物共160份加入无水乙醇中湿磨60min后，在60℃的真空烘箱中干燥40min；随后向导热填料中加入7份硅烷偶联剂，混合均匀；

s3：将55份丁腈橡胶、450份精炼石蜡一起置入捏合机内，在110℃温度下加热捏合60min，混合均匀后加入1.5份硬脂酸铅以及160份经偶联剂处理过的导热填料继续混合60min，最后抽真空脱去气泡，得到熔融状流体；

s4：将s3中得到的熔融状流体通过预留的开放口加入s1中的铜质相变板壳体中，充满整个壳体后，封闭开放口，对相变板壳体的外表面进行单面背胶形成胶粘层3，得到导热蓄热相变板。

实施例11

实施例5的导热蓄热相变板的制备方法，步骤如下：

s1：通过冲压成型工艺制备铜基相变板壳体，使相变板壳体围出一容腔，预留一边为开放口后，将其余边缘密封焊接，通过丙酮、乙醇以及去离子水反复清洗后干燥；

s2：将碳化硅、碳纳米管与石墨烯按重量比20：1：1的导热填料混合物共180份加入无水乙醇中湿磨60min后，在60℃的真空烘箱中干燥30min；随后向导热填料中加入9份硅烷偶联剂，混合均匀；

s3：将50份氯丁橡胶、400份精炼石蜡一起置入捏合机内，在120℃温度下加热捏合60min，混合均匀后加入2.5份硬脂酸钙以及180份经偶联剂处理过的导热填料继续混合60min，最后抽真空脱去气泡，得到熔融状流体；

s4：将s3中得到的熔融状流体通过预留的开放口加入s1中的铜质相变板壳体中，充满整个壳体后，封闭开放口，对相变板壳体的外表面进行双面背胶形成胶粘层3和胶粘层4，得到导热蓄热相变板。

实施例12

实施例6的导热蓄热相变板的制备方法，步骤如下：

s1：通过冲压成型工艺制备铜基相变板壳体，使相变板壳体围出一容腔，预留一边为开放口后，将其余边缘密封焊接，通过丙酮、乙醇以及去离子水反复清洗后干燥；

s2：将碳化硅、碳纳米管与石墨烯按重量比5：1：1的导热填料混合物共250份加入无水乙醇中湿磨60min后，在60℃的真空烘箱中干燥30min；随后向导热填料中加入15份硅烷偶联剂，混合均匀；

s3：将80份环氧树脂、300份聚乙二醇一起置入捏合机内，在120℃温度下加热捏合60min，混合均匀后加入3份硬脂酸钙以及250份经偶联剂处理过的导热填料继续混合60min，最后抽真空脱去气泡，得到熔融状流体；

s4：将s3中得到的熔融状流体通过预留的开放口加入s1中的铜质相变板壳体中，填充整个壳体体积的80％后，将相变板壳体内抽成真空，并封闭开放口，然后对相变板壳体的外表面中的一面进行背胶形成胶粘层3，另一面涂覆辐射散热材料形成辐射散热层5，得到导热蓄热相变板。

对比例1

本对比例的导热蓄热相变板，如图2所示，包括相变板壳体1和相变复合材料2，相变板壳体1围出一封闭的容腔，相变复合材料2充满于所述容腔中，相变板壳体1的一个表面上设置有胶粘层3，相变板壳体材料为铜材，相变复合材料为纯相变材料精炼石蜡600份。

上述导热蓄热相变板的制备方法，步骤如下：

s1：通过冲压成型工艺制备铜基相变板壳体，使相变板壳体围出一容腔，预留一边为开放口后，将其余边缘密封焊接，通过丙酮、乙醇以及去离子水反复清洗后干燥；

s2：将600份精炼石蜡加热至熔融状；

s3：将s2中得到的熔融状流体通过预留的开放口加入s1中的铜质相变板壳体中，充满整个壳体后，封闭开放口，对相变板壳体的外表面进行单面背胶形成胶粘层3，得到导热蓄热相变板。

对比例2

本对比例的导热蓄热相变板，如图2所示，包括相变板壳体1和相变复合材料2，相变板壳体1围出一封闭的容腔，相变复合材料2充满于所述容腔中，相变板壳体1的一个表面上设置有胶粘层3，相变板壳体材料为铜材，相变复合材料由以下重量份数的各原料组成：基体材料硅橡胶400份、相变材料精炼石蜡100份、导热填料为氧化铝与石墨烯按重量比30：1的混合物共150份、硅烷偶联剂8份以及热稳定剂硬脂酸钙2份。

上述导热蓄热相变板的制备方法，步骤如下：

s1：通过冲压成型工艺制备铜基相变板壳体，使相变板壳体围出一容腔，预留一边为开放口后，将其余边缘密封焊接，通过丙酮、乙醇以及去离子水反复清洗后干燥；

s2：将氧化铝与石墨烯按重量比30：1共150份加入无水乙醇中湿磨60min后，在60℃的真空烘箱中干燥40min；随后向导热填料中加入8份硅烷偶联剂，混合均匀；

s3：将400份硅橡胶、100份精炼石蜡一起置入捏合机内，在100℃温度下加热捏合60min，混合均匀后加入2份硬脂酸钙与150份经偶联剂处理过的导热填料继续混合60min，最后抽真空脱去气泡，得到熔融状流体；

s4：将s3中得到的熔融状流体通过预留的开放口加入s1中的铜质相变板壳体中，充满整个壳体后，对相变板壳体的外表面进行单面背胶形成胶粘层3，封闭开放口，得到导热蓄热相变板。

实施例13

对新制备的实施例1～6的导热蓄热相变板以及对比例1～2的导热蓄热相变板进行性能测试，以及上述导热蓄热相变板分别经吸热放热循环5000次后再进行性能测试，测试结果如下表：

表1实施例1～6以及对比例1～2在刚制备出来时与吸热放热循环5000次后的性能测试数据

通过表1可以看出，实施例1～6的导热蓄热相变板与对比例1～2的导热蓄热相变板在刚制备出来时与吸热放热循环5000次后的性能测试数据变化不大；而实施例1～6的导热蓄热相变板的导热系数远远高于对比例1(复合相变材料只含纯相变材料)；实施例1～6的导热蓄热相变板的相变焓保持率远远高于对比例2(复合相变材料中的基体材料所占重量百分比大)。由此可知，本发明的导热蓄热相变板相变潜热高、导热系数大且性能稳定，耐久性优异；通过简化相变复合材料配方，可以大大增加相变材料组分的重量百分比，使其相变焓保持率达到90％以上，获得远超常规相变复合材料的相变潜热。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。