碳納米管散熱涂料的制備及其在金屬材料上的應(yīng)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(yīng)用中國科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)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(dǎo)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(shù)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(guān)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

2、于涂料的發(fā)射率可設(shè)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(shù)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(dǎo)熱系數(shù)，使用高性能高結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱功能體。（2）提高涂層的機(jī)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

3、，單壁碳納米管的室溫導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)6600W／m.K，多壁碳納米管的室溫導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)3000W／m.K，CNTs是目前世界上已知的最好的導(dǎo)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(guān)。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(dá)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(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，對涂層增強(qiáng)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(jī)械性能優(yōu)異的膜，而其它填料的涂膜

4、，推薦使用厚度30-50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(dǎo)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(dá)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(guān)。目前，大部分碳納米管供應(yīng)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

5、，這些CNTs制成的水性分散液，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(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司（CIOC），擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的反應(yīng)器和催化劑體系，掌握了CNTs管徑可控制備技術(shù)，向市場供應(yīng)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-

6、2000.504.0TNIM410-30140-1600.406.0TNIM620-40100-1200.308.0TNIM850-8060-800.2010.0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(yīng)用要求設(shè)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(dǎo)分散劑的篩選、分散設(shè)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(guān)。對于TNIM8，采用0.2倍TNWDIS分散劑、高剪切膠體磨分散、經(jīng)30

7、00轉(zhuǎn)/分、30分鐘離心沉降后，得到CNTs含量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(dǎo)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(dǎo)熱作用不同。垂直方向的導(dǎo)熱作用是熱傳導(dǎo)，將一個面的熱量傳到另外一個面，而水平方向的導(dǎo)熱作用是熱平分，將

8、一個點的熱量傳導(dǎo)到一個面。CNTs軸向的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于徑向，所以，涂層水平方向?qū)嵯禂?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(guān)系如圖1。CNTs含量4%時，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)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(dǎo)熱系數(shù)略有降低，表面電阻處于導(dǎo)靜電范圍。涂層中導(dǎo)電通路形成后，