一種LED用金剛石粉‑銅粉高導熱型複合材料及其製備方法與流程

2023-10-05 18:26:14

本發明涉及複合材料領域，具體涉及一種LED用金剛石粉-銅粉高導熱型複合材料，及其製備工藝。

背景技術：

LED作為一種優良的光電器件，具有體積小、壽命長、低碳環保、節能穩定等優點，預計在未來的幾年內將成為新一代理想的通用照明光源。隨著LED向高光強、高功率發展，其散熱問題日漸突出，嚴重影響了LED的光輸出特性和器的壽命，已成為大功率LED封裝必需解決的關鍵問題。

李巧梅在其碩士學位論文《導熱微粒燒結和複合材料取向對大功率LED散熱的影響》中，以環氧樹脂為基體，分別以SiO2、SiC為導熱微粒，製備了高比例導熱微粒陶瓷片和取向型高導熱聚合物基複合材料，用矽烷偶聯劑對導熱顆粒進行表面處理，用鋁粉、Y2O3、MgO作為燒結劑，經高壓成型，在高溫爐中660℃燒結。選取的SiO2和鋁粉導熱微粒，導熱係數並不高，本發明選取了AlN導熱係數很高的導熱微粒，能更好的改善LED的散熱。

本發明在AlN粉體中添加Y2O3製備具有較高熱導率的AlN陶瓷；以二甲基矽油為基礎油，以Ag微粒作為增強填料製備的導熱矽脂具有較高熱導率，用硬脂酸處理能提高矽脂的導熱性能，製備的導熱矽脂可用於LED散熱；用聚甲基三乙氧基矽烷(PTS)通過化學改性的方法，成功製備了有機矽改性環氧樹脂；製備了AlN-碳納米管/環氧樹脂複合材料；利用銅材料的延展性，把銅填充在金剛石顆粒的空隙中，製成的複合材料熱導率高；得到一種LED用金剛石粉-銅粉高導熱型複合材料。

技術實現要素：

本發明主要解決的技術問題是提供一種LED用金剛石粉-銅粉高導熱型複合材料及其製備工藝，依照該工藝製作的複合材料導熱係數高，能更好的改善LED的散熱。

本發明所要解決的技術問題採用以下的技術方案來實現：

SiC 10-13，鋁粉5-11，SiO2 5-14，Y2O35-8，矽烷偶聯劑A1100 0.5-1.5，蒙脫土2-5，固化劑2-3，乳化矽油1-2，環氧樹脂828 2-5，AlN 3-7，聚乙烯醇縮丁醛1-2，硬脂酸1-2，Ag微粒2-4，二甲基矽油1-3，石墨烯1-3，聚甲基三乙氧基矽烷(PTS)1-2，二月桂酸二丁基錫1-3，多壁碳納米管3-6，2,4-咪唑1-2，金剛石粉2-4，銅粉1-3，金屬鉻1-2，HF溶液、丙酮、乙醇、蒸餾水適量。

一種LED用金剛石粉-銅粉高導熱型複合材料的製備方法，其特徵在於，按以下步驟進行：

a. 把矽烷偶聯劑A1100、乙醇和水按20:70:8-10的體積比混合，攪拌水解10-30min後，加入SiC、鋁粉和SiO2，在60-80℃下攪拌30-50min，超聲分散1-2h，醇洗3-5次，於105-125℃下真空乾燥3-5h，待用；

b. 向2-3份的AlN中1:2-4加入Y2O3和乙醇，混合球磨2-4h，加入聚乙烯醇縮丁醛的無水乙醇溶液，然後置於馬弗爐內升溫到450-550℃，保溫1-2h，在氮氣氣氛中升溫至1700-1900℃保溫燒結2-3h；

c. 將硬脂酸1:3-5與乙醇混合，加熱到60-80℃攪拌均勻，加入Ag微粒和b中所得物料，恆溫攪拌10-30min後，放入75-95℃烘箱烘乾1-2h，然後與二甲基矽油、石墨烯混合，放入膠體攪拌器攪拌1-2h，在140-160℃下焙燒2-4h，再取出攪拌1-2h，待用；

d. 將環氧樹脂828、PTS和剩餘的AlN混合，升溫至75-95℃攪拌均勻，1:2-5滴加二月桂酸二丁基錫和蒸餾水，在80-95℃反應3-5h，然後與多壁碳納米管混合，於60-80℃超聲1-2h，加入2,4-咪唑，繼續超聲振蕩攪拌1-2h；

e. 把金剛石粉和銅粉混合，用磁控濺射的方法在其表面鍍覆金屬鉻，然後放入模具中，置於等離子體真空高壓燒結爐中，在10-20min升溫到1000-1100℃、壓強20-40MPa、燒結10-30min；燒結後在氬氣氛圍下於150-200MPa、1000-1050℃做熱等靜壓處理，保溫2-4h，得金剛石粉-銅粉複合材料；

f. 將a、c、d、e中所得物料與蒙脫土混合，在60-80℃下攪拌1-2h，加入固化劑和乳化矽油，攪拌20-40min，放入真空乾燥箱中在65-85℃下真空脫泡1-2h，然後倒入模具，放在乾燥箱中於60-85℃固化3-5h，75-95℃下老化3-6h，脫模，即得到一種LED用金剛石粉-銅粉高導熱型複合材料。

本發明的反應機理如下：

（1）在AlN粉體中添加Y2O3製備AlN陶瓷，二者的協同作用有效地促進AlN陶瓷的緻密燒結，AlN粉體的高比表面能也促進AlN陶瓷的緻密化進程，能在較低的燒結溫度下獲得具有較高熱導率的AlN陶瓷。

（2）以二甲基矽油為基礎油，以Ag微粒作為增強填料製備的導熱矽脂具有較高熱導率，用硬脂酸處理能提高矽脂的導熱性能，製備的導熱矽脂可用於LED散熱。

（3）用聚甲基三乙氧基矽烷(PTS)通過化學改性的方法，成功製備了有機矽改性環氧樹脂，PTS的水解物主要是與環氧樹脂中的羥基發生反應，將有機矽成功引入環氧樹脂，化學改性環氧樹脂產物具有優良的拉伸強度及斷裂伸長率、熱穩定性。

（4）製備了AlN-碳納米管/環氧樹脂複合材料，以環氧樹脂作為基體相，以二月桂酸二丁基錫為催化劑，以填料AlN和多壁碳納米管作為功能相，AlN能改善多壁碳納米管在樹脂中的分散性，兩者有協同效應，賦予了樹脂良好的導熱和加工性能，以及優異的介電和阻燃性能。

（5）利用銅材料的延展性，把銅填充在金剛石顆粒的空隙中，製成的複合材料熱導率高，複合材料的表面粗糙，增大了與空氣的接觸面積，增強對流熱輻射，有利於用做LED照明的散熱裝置。

具體實施方式

為了使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。

實施例

一種LED用金剛石粉-銅粉高導熱型複合材料，由下述重量份(g)的原料製得：

SiC 13，鋁粉5，SiO2 5，Y2O38，矽烷偶聯劑A1100 1.5，蒙脫土2，固化劑3，乳化矽油1，環氧樹脂828 2，AlN 7，聚乙烯醇縮丁醛1，硬脂酸2，Ag微粒4，二甲基矽油3，石墨烯1，聚甲基三乙氧基矽烷(PTS)2，二月桂酸二丁基錫3，多壁碳納米管6，2,4-咪唑1，金剛石粉4，銅粉3，金屬鉻2，HF溶液、丙酮、乙醇、蒸餾水適量。

一種LED用金剛石粉-銅粉高導熱型複合材料的製備方法，其特徵在於，按以下步驟進行：

a. 把矽烷偶聯劑A1100、乙醇和水按20:70:8的體積比混合，攪拌水解30min後，加入SiC、鋁粉和SiO2，在60-70℃下攪拌40min，超聲分散1h，醇洗3次，於115-125℃下真空乾燥3h，待用；

b. 向2份的AlN中1:2加入Y2O3和乙醇，混合球磨2h，加入聚乙烯醇縮丁醛的無水乙醇溶液，然後置於馬弗爐內升溫到500-530℃，保溫1h，在氮氣氣氛中升溫至1800-1900℃保溫燒結2h；

c. 將硬脂酸1:3與乙醇混合，加熱到70-80℃攪拌均勻，加入Ag微粒和b中所得物料，恆溫攪拌30min後，放入85-95℃烘箱烘乾1h，然後與二甲基矽油、石墨烯混合，放入膠體攪拌器攪拌1h，在140-150℃下焙燒2h，再取出攪拌1h，待用；

d. 將環氧樹脂828、PTS和剩餘的AlN混合，升溫至75-85℃攪拌均勻，1:3滴加二月桂酸二丁基錫和蒸餾水，在85-90℃反應3h，然後與多壁碳納米管混合，於60-70℃超聲1h，加入2,4-咪唑，繼續超聲振蕩攪拌1h；

e. 把金剛石粉和銅粉混合，用磁控濺射的方法在其表面鍍覆金屬鉻，然後放入模具中，置於等離子體真空高壓燒結爐中，在20min內升溫到1050-1100℃、壓強20MPa、燒結30min；燒結後在氬氣氛圍下於200MPa、1000-1050℃做熱等靜壓處理，保溫2h，得金剛石粉-銅粉複合材料；

f. 將a、c、d、e中所得物料與蒙脫土混合，在60-70℃下攪拌1h，加入固化劑和乳化矽油，攪拌40min，放入真空乾燥箱中在65-75℃下真空脫泡1h，然後倒入模具，放在乾燥箱中於75-85℃固化3h，85-95℃下老化3h，脫模，即得到一種LED用金剛石粉-銅粉高導熱型複合材料。

上述實施例製備的一種LED用金剛石粉-銅粉高導熱型複合材料的性能檢測結果如下所示：

導熱係數為352.95W/m K，熱膨脹係數為13.45×10-6·K-1(50-150℃)，拉伸強度為68.44MPa，斷裂伸長率達13.55%。