含超细铜粉/多相变微胶囊导热膏的制备及其性能研究

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针对电子产品和电气设备硬件在向性能更强、更稳定、体积更小、功耗更小、使用更方便、运行更安静以及更低操作温度等的发展中带来的散热问题,本文以解决计算机CPU的散热问题为研究对象,提出在基础导热硅脂中通过添加具有优异导热性能的超细铜粉和具有良好吸热性能的多相变点石蜡微胶囊材料的研究思路,开发具有优异导热、吸热性能的导热膏产品,以期为高性能导热膏的研究和实际推广应用提供实验基础。本文首先采用正交实验方法系统研究了直流电弧等离子体蒸发法制备超细铜粉中氢氩比、电流强度、充气压力等制备工艺参数对超细铜粉产率和平均粒度的影响,利用TEM、XRD、XRF、DSC等分析手段对粉体进行了分析和表征,在此基础上研究了超细铜粉的分散工艺,并对直流电弧等离子体蒸发法制备超细铜粉的机理进行了初步探讨。其次,根据计算机CPU的工作特点,本文选择相变点分别为25℃、42℃和60℃的石蜡为吸热材料,在制备不同相变点石蜡混合物相变材料的基础上,以三聚氰胺-甲醛为囊壁,混合石蜡为芯材,通过原位聚合法制备了相变点分别为24.2℃、41.2℃和60.1℃的多相变微胶囊,并利用TEM、FTIR、DSC等手段对其形貌、大小及相变潜热等进行了分析。最后,系统研究了超细铜粉的添加量、平均粒径以及铜粉和相变微胶囊的填充比例等因素对单组份导热膏导热系数的影响,确定了较优的含超细铜粉/多相变微胶囊导热膏的制备工艺,测定了该导热膏在不同温度下的导热系数,并与实际销售的导热膏的导热性能进行了对比,同时在CPU温度测试平台对导热膏的综合散热效果进行了测试。获得的主要结论如下:  (1)各制备工艺参数对超细铜粉产率和平均粒度的影响程度不同,其影响显著程度依次为:氢氩比>电流强度>充气压力。所制备的铜粉呈球形,颗粒分散性好,为单相多晶粉体,纯度较高,平均粒径在42~119nm之间,且粒度分布较窄。该粉体热学性质比较稳定,具备作为导热膏填充材料的条件。  (2)研究发现,不同配比的液体石蜡和固体石蜡混合可获得不同相变点的石蜡混合物。本文选择混合了5 wt.%、35wt.%和100 wt.%固体石蜡的混合石蜡其对应的相变温度和潜热分别为24.5℃和0.85 J/g、41.2℃和47.11 J/g、56.2℃和135.78 J/g作为多相变点微胶囊的相变材料。  (3)研究发现,乳化剂的种类、pH值大小和是否添加NaCl均对相变微胶囊的合成有着重要的影响。本文推荐较优的相变微胶囊制备工艺:乳化剂为OP-10,pH=3.5,并加入质量比为10 wt.%的NaCl。按照该工艺制备了相变点分别为24.2℃、41.2℃和60.1℃的多相变微胶囊,且蜜胺树脂成功的包覆上了石蜡芯材,其包裹率约为80.4%,所合成的相变微胶囊呈均匀分散的球形,外形完整,平均粒径为2.5μm,且粒度分布比较窄,分散性好。  (4)超细铜粉的加入可提高导热膏的导热性能,且其添加量、粒径大小及不同粒径复配对导热膏的导热性能均有影响。相变微胶囊的填充比例对导热膏的导热系数也有影响。本文推荐含超细铜粉/多相变微胶囊复合导热膏的制备工艺为:82nm和800nm的超细铜粉以3∶1进行复配且总加入量为导热膏体系的28.9%,24.2℃、41.2℃和60.1℃的三种相变微胶囊按1∶1∶1进行复配且总加入量为导热膏体系的4.1 wt.%,其余为基础导热硅脂。该导热膏的导热系数为1.415W/m.K,比基础导热硅脂提高了31.1%。  (5)通过对含超细铜粉/多相变微胶囊复合导热膏的散热机理进行初步探讨和计算表明,除了导热散热外,含多相变微胶囊的导热膏具有相变吸热作用,且理论计算的降温幅度与实际存计算机CPU温度测试平台上所记录的CPU温度的变化基本吻合。
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