碳納米管散熱涂料的制備及其在金屬材料上的應用

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1、碳納米管散熱涂料的制備研究及其在金屬材料上的應用中國科學院成都有機化學有限公司中科時代納米事業(yè)部一、碳納米管散熱涂料的研究概況電子元件在工作時會產(chǎn)生較多熱量，為了盡快散熱，通常要加裝金屬散熱片，因為金屬具有較高的導熱系數(shù)，常用材料包括銅、鋁或鋁的合金。但是，金屬表面的熱輻射系數(shù)很低，在沒有對流傳熱的條件下，匯集到金屬表面的熱量很難散發(fā)出去。通過涂層技術改善金屬表面的熱輻射效率，是提高金屬材料散熱性能的重要途徑。在電子工業(yè)迅速發(fā)展的今天，散熱涂料被廣泛關注。我們知道，大多數(shù)涂料的熱輻射系數(shù)是很高的，也很接近。紅外熱像儀對于涂料的

2、發(fā)射率可設置為0.95，相同材質(zhì)、不同顏色的涂料其發(fā)射率非常近，誤差通常不超過測量精度范圍。所以，散熱涂料的技術挑戰(zhàn)，不僅僅集中在如何提高熱輻射系數(shù)，更重要在于如何降低涂層的熱阻，包括降低涂層和金屬之間的接觸熱阻、涂層材料自身的熱阻。實現(xiàn)涂層熱阻小的途徑，包括兩個方面：（1）提高涂層的導熱系數(shù)，使用高性能高結(jié)構的導熱功能體。（2）提高涂層的機械性能，降低涂層厚度，使得涂層在很薄的時候，就能滿足附著力好、耐撓曲性好、抗沖擊性好、致密性好等性能。碳納米管（CNTs）是散熱涂料最理想的功能填料。理論計算和實際測量表明，單壁碳納米管的

3、室溫導熱系數(shù)高達6600W／m.K，多壁碳納米管的室溫導熱系數(shù)達3000W／m.K，CNTs是目前世界上已知的最好的導熱材料之一。物體輻射或吸收的能量與它的溫度、表面積、黑度等因素有關。CNTs是一維納米材料，比表面積大，被譽為世界上最黑的物質(zhì)，這種物質(zhì)對光線的折射率只有0.045%，吸收率可以達到99.5%以上，輻射系數(shù)接近1。納米纖維狀的CNTs，與顆粒狀的其它散熱填料相比，更容易形成導熱網(wǎng)絡，對涂層增強增韌效果明顯，涂層很薄時，比如5-10微米，就能形成均勻光潔、機械性能優(yōu)異的膜，而其它填料的涂膜，推薦使用厚度30-50

4、微米。根據(jù)散熱涂料使用場所的要求，可以選擇不同性能的水性成膜材料，單組份水性聚氨酯樹脂，涂層柔軟，雙組份水性環(huán)氧樹脂，涂層硬度更高，耐腐蝕性更好。我們開發(fā)CNTs散熱涂料，主要的研究內(nèi)容是CNTs的分散、CNTs對涂層導熱性能的優(yōu)化。二、碳納米管分散研究為了涂料施工方便和涂層達到厚度要求，涂料的固含量不能太低，這就要求CNTs分散液中CNTs的含量要盡量高。CNTs的含量與CNTs的管徑、比表面積密切相關。目前，大部分碳納米管供應商只能提供一種管徑規(guī)格的工業(yè)化產(chǎn)品，而且是小管徑、高比表面積的產(chǎn)品，這些CNTs制成的水性分散液，

5、經(jīng)離心沉降，含量都小于2%，不適合繼續(xù)開發(fā)散熱涂料。中國科學院成都有機化學有限公司（CIOC），擁有自主知識產(chǎn)權的反應器和催化劑體系，掌握了CNTs管徑可控制備技術，向市場供應管徑范圍8-80nm、五個系列工業(yè)化規(guī)模的產(chǎn)品，產(chǎn)品及分散性能總結(jié)于表1。我們選擇TNIM8為原料開發(fā)散熱涂料。表1CIOC工業(yè)級CNTs產(chǎn)品及分散性能產(chǎn)品編號外徑范圍nm比表面積m2/g分散劑量（相對于CNTs的量）分散液CNTs含量wt%TNIM28-15250-3001.001.0TNIM310-20180-2000.504.0TNIM410-30

6、140-1600.406.0TNIM620-40100-1200.308.0TNIM850-8060-800.2010.0采用離心沉降的宏觀方法判斷CNTs分散程度，根據(jù)不同的應用要求設置離心沉降條件。通過考察分散液離心沉降的收率，可以指導分散劑的篩選、分散設備的組合、分散工藝的優(yōu)化。采用分散液輥涂成膜、測試一定厚度涂層的方塊電阻的方法來驗收和檢驗CNTs分散液的性能，因為方塊電阻與分散劑用量和分散程度相關。對于TNIM8，采用0.2倍TNWDIS分散劑、高剪切膠體磨分散、經(jīng)3000轉(zhuǎn)/分、30分鐘離心沉降后，得到CNTs含量

7、10%的分散液，分散液儲存穩(wěn)定期至少半年，用100μm的涂飾棒輥涂于PET膜上，方塊電阻30-40Ω/□（涂層厚度9-11μm），涂層光亮平滑，肉眼觀察看不到顆粒。三、碳納米管用量對涂料導熱系數(shù)的影響碳納米管分散液與美國瀚森化工有限公司水性環(huán)氧體系共混形成涂料，涂料輥涂在PET膜上，干燥后，揭下涂層。由于CNTs是一維納米纖維材料，各向異性，垂直涂層方向和平行涂層方向的導熱作用不同。垂直方向的導熱作用是熱傳導，將一個面的熱量傳到另外一個面，而水平方向的導熱作用是熱平分，將一個點的熱量傳導到一個面。CNTs軸向的導熱系數(shù)遠遠大于

8、徑向，所以，涂層水平方向?qū)嵯禂?shù)遠遠大于垂直方向。涂層中CNTs含量與垂直涂層方向?qū)嵯禂?shù)的關系如圖1。CNTs含量4%時，導熱系數(shù)達到最大值，1.61W／m.K，表面電阻處于絕緣范圍。增加CNTs含量到10%，導熱系數(shù)略有降低，表面電阻處于導靜電范圍。涂層中導電通路形成后，