来源：有机硅材料，中国知网

作者：吴向荣，苏俊杰*，李苗，冯乙洪，程宪涛

摘要: 以乙烯基硅油等为基料，添加低密度导热陶瓷粉体制得导热垫片。探讨了不同类型的导热陶瓷粉体的复配方式及用量、乙烯基硅油的黏度、表面处理剂的用量及导热粉体的加料顺序对导热垫片性能的影响。结果表明，采用氮化硼/球型硅微粉复配制得的导热垫片的综合性能优于氮化硼/氢氧化铝复配制得的导热垫片; 采用黏度为 500 mPa·s 的乙烯基硅油即可满足客户对导热垫片力学性能的要求; 当表面处理剂添加量为 0.8 g 时，可以保证粉体在垫片内均匀分散; 制备胶料时，需要先添加球型硅微粉，依靠硅微粉增加体系黏度，搅拌一定时间后再添加氮化硼，此加料工艺可提高氮化硼的分散效果，优化导热垫片的性能。采用 4g 乙烯基硅油为基料，85g 氮化硼与硅微粉( 质量比 1：5) 复配物为导热填料，添加交联剂、催化剂等制得的导热垫片的密度为 2.0 g/cm³，热导率为 2.0 W/( m·K) ，能满足低密度导热垫片的要求。

关键词: 导热陶瓷粉体，氮化硼，乙烯基硅油，硅微粉

随着科技的发展进步，高性能、高可靠性的电子产品成为了未来产品的发展趋势，且需求量不断提升，这促使产品的电子元器件、电器功率电路模块、大规模集成电路更加精细化。在产品的设计阶段需要考虑很多因素，其中，产品的热管理问题就是必须要考虑的难点之一。设备元件的温度每升高约 10 ℃，产品的使用寿命缩短 3～5 年。因此，如何把电子元器件产生的热量最快地传递出去，延长产品的使用寿命，提高产品的使用价值，是产品设计开发者必须考虑的因素之一。

导热垫片是以聚二甲基硅氧烷作为基础聚合物，并添加不同热导率的陶瓷粉体，通过控制基础聚合物的交联程度，制得的一种界于软、黏状态的半固态物质。受到外力作用时，其会发生较大的形变，充分填充电子元器件接触面之间的缝隙，建立高效的热传导通道，及时将元器件产生的热量传递出去。导热垫片具有一定的交联度，可以有效避免长期使用时出现的渗油、变干问题，是目前用于电子元器件散热的主要产品之一。

为满足新能源汽车轻量化的需要，本实验采用低密度、不同形状的填料互配，利用片状填料的面内同性和球型填料的各向同性优点，在体系内形成类似豌豆荚的导热通路，在保证垫片导热能力的同时，使其密度较低，讨论了配方组成和加料顺序对导热垫片性能的影响，以期为有机硅导热垫片的设计与开发提供基础指导。

01 实验

1.1 主要原料及设备

乙烯基硅油: 黏度( 25℃，下同) 100、350、500、1000、3500 mPa·s，江西蓝星星火有机硅有限公司; 侧含氢硅油( 交联剂，活性氢质量分数 0.5% ) 、端含氢硅油( 扩链剂，活性氢质量分数 0.2% ) : 江西蓝星星火有机硅有限公司;铂金催化剂( KPT3000) 、1－乙炔基环己醇( 抑制剂，GY－72) :广州矽友新材料科技有限公司;乙烯基三甲氧基硅烷( 偶联剂 171) : 江西海多化工有限公司; 氮化硼: NB－500，山东晶亿新材料有限公司; 球型硅微粉: LR－G38，江苏联瑞新材料有限公司; 氢氧化铝: ZL－H68，中铝郑州分公司。

黏度计:DV2TLV，美国 Brookfield 黏度计公司; 高温烘箱: CS 887－1，上海长生烘箱设备有限公司;邵尔 OO 硬度计:BR－1863，日本京西商会社; 导热仪: DRL－III，深圳艾可瑞仪器设备有限公司;扫描电镜:JEM－2100F，日本电子株式会社;拉力机:FR-103c，上海发瑞仪器科技有限公司;固体密度测试仪:DH－300，日本 Dahometer 公司。

1.2 试样制备

试样的基本配方见表 1。

表1 基本配方

按照表1 的配方称料( 不添加催化剂) ，在转速 800 r/min、压力－0.09 MPa 条件下离心混合 3 min，刮边处理，然后在相同的离心条件下混合 3 min。取出冷却至室温，添加催化剂，再离心混合1 min，用离型膜压片，厚度 2 mm。置于 100 ℃烘箱中，硫化 30 min，备用。

1.3 性能测试

热导率和热阻: 按 GB /T 10295—2008 测试;黏度: 按 GB/T 265—1988 测试;力学性能:按GB/T 528—2009 测试; 密度: 按 GB/T 533—2008测试。

02 结果与讨论

2.1 导热粉体复配方式对导热垫片性能的影响

实验采用低密度的氮化硼陶瓷粉与球型硅微粉或片状氢氧化铝复配使用，制得的导热垫片的密度和热导率见图 1。

a—密度

b—热导率

图1 导热垫片的密度和热导率

由图 1 可见，随着导热粉体用量的增加，垫片的密度和热导率都出现增加的趋势。氮化硼/硅微粉复配( 质量比为 1∶5) 制备的垫片密度由1.89 g /cm³ 增加到 1.97 g /cm³，而氮化硼/氢氧化铝复配( 质量比为 1∶5) 制备的垫片密度则由1.91 g /cm³增加到 2.06 g /cm³，两个体系下制得的垫片密度增加幅度相对较小。但是热导率随着复配粉体用量的增多，出现了较大变化。氮化硼/硅微粉复配制备的垫片的热导率由1.20 W/(m·K) 增加到 3.10 W/(m·K) ，氮化硼/氢氧化铝复配制备的垫片的热导率由1.31 W/( m·K) 增加到 3.35 W/(m·K) 。总之，本实验制得的导热垫片基本满足了低密度导热垫片的要求，即热导率2.0 W/(m·K) ，密度2.0 g/cm³。

图 2 是两种复配( 氮化硼/氢氧化铝、氮化硼/硅微粉) 方案制备的导热胶料的黏度。

图2 导热胶料黏度

由图 2 可见，随着填料用量的增大，胶料黏度有明显的增加。氮化硼/硅微粉胶料体系黏度从 23.0×10³ mPa·s 增加到了 46.0×10³ mPa·s，提高了一倍。氮化硼/氢氧化铝胶料体系黏度从25.0×10³ mPa·s 增加到了 50.3×10³ mPa·s，基本也提高了1 倍。从产品的后续制备工艺过程及结合图1 中两个体系的密度和热导率对比，实验选择氮化硼/硅微粉复配体系及用量 85g 条件开展后续分析。

2.2 乙烯基硅油黏度对导热垫片力学性能的影响

乙烯基硅油是制备导热产品的原料，实验对乙烯基硅油黏度对低密度导热垫片的力学性能影响开展了研究，结果见表 2。

表2 乙烯基硅油黏度对导热垫片力学性能的影响

由表2 可见，随着乙烯基硅油黏度的增加，导热垫片的拉伸强度逐渐降低，拉断伸长率逐渐增加。乙烯基硅油黏度高，导致分子链比较长，活性端基团量降低，交联度降低，因而拉伸强度降低，拉断伸长率较大。由表2 还可见，随着乙烯基硅油黏度的增加，制得的胶料黏度呈不规律增大。乙烯基硅油黏度高于 1000 mPa·s 后，胶料黏度显著变大，不易于后续的生产制造。综合以上结果，实验采用黏度为 500 mPa·s 的乙烯基硅油为基料制备低密度导热垫片。

2.3 表面处理剂用量对导热垫片性能的影响

表面处理剂的功效是为了更好地改善粉体的表面性质，提高粉体与硅油的相容性，改善制品的性能。实验分析了表面处理剂对导热垫片的性能影响，结果见表 3。

表3 表面处理剂对垫片性能的影响

由表3 可见，随着表面处理剂用量的增加，导热垫片的拉伸强度增大，拉断伸长率提高，垫片的热阻和胶料黏度明显降低，但是出油率也明显增多。

粉体表面的极性基团与表面处理剂的极性基团相互作用，形成氢键或者化学键，改善了粉体在乙烯基硅油中的分散，使得粉体在垫片内形成的传热网络更加均匀，更有利于热传递。但是当表面处理剂过多( 超过 0.8 g) 时，其在垫片内以小分子增塑剂形式存在，容易迁移到垫片表面，导致垫片的出油率增大。根据实验结果，表面处理剂用量优选 0.8 g。

2.4 导热粉体的加料顺序对导热垫片性能的影响

由于氮化硼在基体内比较难分散，但是相对于硅微粉而言，氮化硼对垫片的导热性能起到主要作用。因此，保证氮化硼的均匀分散是关键。本实验改变了导热粉体的加料顺序，研究了其对垫片性能的影响，见图 3 和表 4。其中，图 3 中a 为先添加硅微粉，再添加氮化硼; b 为先添加氮化硼，再添加硅微粉。

图3 加料顺序对胶料黏度的影响

表4 加料顺序对垫片性能影响

由图 3 可见，先添加硅微粉，再添加氮化硼制得的胶料黏度为 29.8×10³ mPa·s;先添加氮化硼混合，再添加硅微粉制得的胶料黏度为33.2×10³ mPa·s。表 4 中，相比加料工艺 b，加料工艺 a 制备的导热垫片的热导率和拉断伸长率更高，热阻更低。先添加氮化硼，硅油会优先包裹氮化硼，即使在剪切分散作用下这种包裹作用也不易被打破。然而，先添加球型硅微粉，硅油会优先被硅微粉吸附，胶料黏度高，再添加氮化硼，由于硅油被硅微粉吸附，氮化硼不易因吸附硅油而发生团聚，再加上硅微粉优先加入，增加了硅油的稠度，对氮化硼的剪切分散作用较大，能够改善氮化硼在胶料内的分散，从而改善导热垫片的性能。因而导热粉体在复配使用时，应先添加硅微粉，再添加氮化硼。

03 结论

采用低密度的导热粉体氮化硼和球型硅微粉复配，且添加量在 85 g，即可以达到热导率为2.0 W/( m·K) ，密度为 2.0 g/cm³的要求。采用黏度为 500 mPa·s 的乙烯基硅油为基料制得的低密度导热垫片，其力学性能和产品的加工性能较佳。当表面处理剂用量为 0.8 g 时，导热垫片的力学性能和后期的耐出油性较好。先添加硅微粉，再添加氮化硼制得的导热垫片性能好于先添加氮化硼，再添加硅微粉工艺。

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