导热弹性硅橡胶垫片的性能研究_赵红振

导热弹性硅橡胶垫片的性能研究

赵红振1,齐暑华1,周文英2,王彩凤3,袁江龙3,郭 建3

(1.西北工业大学理学院,陕西西安 710072;2.西安交通大学电气绝缘电力设备国家重点实验室,陕西西安 710049; 3.西安向阳航天材料有限公司,陕西西安 710025)

摘要:试验研究氧化铝和氧化镁晶须对导热弹性硅橡胶垫片性能的影响。结果表明,当氧化铝用量为150份时,甲基乙烯基硅橡胶胶料的导热系数达到1.08W (m K)-1,约为未加导热填料硅橡胶胶料的5倍;氧化铝与少量氧化镁晶须(氧化镁晶须质量分数为0.06)并用填充的硅橡胶导热性能优于氧化铝粒子填充硅橡胶,热稳定性明显提高,热膨胀系数明显减小;以氧化铝/氧化镁晶须填充的硅橡胶为基体、电子级玻璃布为增强材料制得的导热弹性垫片具有优良的导热性能和较高的撕裂强度。

关键词:甲基乙烯基硅橡胶;氧化铝;氧化镁晶须;导热系数

中图分类号:T Q336.4+2;T Q333.93 文献标识码:B 文章编号:1000 890X(2008)02 0100 05

作者简介:赵红振(1979 ),男,河南焦作人,西北工业大学在读硕士研究生,主要从事高分子材料学方面的研究。

导热弹性垫片(elasto meric therm al pads,ET P)主要由有机弹性体和导热填料制成,能够紧

密接触冷热金属界面,排除界面间空气并使低功率发热元器件,如移动处理器和集成块等散热效率提高

[1,2]

。硅橡胶涂覆玻璃布制得的ETP 在保

证绝缘性能的前提下,明显提高了发热元器件的散热功效,被广泛用于汽车、电脑、散热器、电源供应器、军工产品及电机控制器等产品

[3,4]

。

本工作以甲基乙烯基硅橡胶(M VQ)为基料,氧化铝粒子和氧化镁晶须为导热填料,电子级玻璃布为增强材料,经混炼、溶胶、浸胶、硫化等工序制备导热性能、电绝缘性能和物理性能优良的

ET P,并研究导热填料及其用量对ETP 导热性能和物理性能的影响。1 实验1.1 原材料

M VQ,牌号101 b,中昊晨光化工研究院产品;气相法白炭黑,沈阳化工股份有限公司产品;氧化铝(微米级 Al 2O 3),平均粒径5 m,纯度99 99%,大连路明纳米材料有限公司产品;氧化镁晶须,中科院上海硅酸盐研究所产品;羟基硅油,化学纯,成都有机硅研究中心产品;硫化剂双

25,化学纯,西北橡胶工业制品研究院产品;硅烷偶联剂,牌号KH 550(8 氨丙基三乙氧基硅烷),化学纯,南京翔飞化学研究所产品;2116型电子级玻璃布,珠海功控玻璃纤维有限公司产品。1.2 主要设备与仪器

SK 160B 型两辊开炼机,上海橡胶机械厂产品;SL 45型压力成型机,上海第一橡胶机械厂产品;DRM 2型热导率仪,西安意鑫电子有限公司产品;ZC36型高阻计,上海第六电表厂产品;石英膨胀计,无锡科教仪器厂产品;邵尔A 型硬度计,营口市材料机械厂产品;S914型介质损耗测试仪,上海爱仪电子设备有限公司产品;T NC 电压击穿试验仪,天津电器控制设备厂产品;Q50型热重分析仪,美国TA 仪器公司产品;AMRAY 1000B 型扫描电子显微镜(SEM ),美国AM RAY 公司产品。1.3 试样制备

(1)导热M VQ

试验配方:M VQ 100,白炭黑 20,羟基硅油 1,硫化剂双25 0.5~1,氧化铝和氧化镁晶须 变量。

将M VQ 投入开炼机,包辊后加入白炭黑、氧化铝、氧化镁晶须、羟基硅油和硫化剂,继续混炼至均匀,得到导热M VQ 胶料,硫化后按照规定尺寸取样。

(2)ETP

将混炼胶溶于蒸馏过的90#汽油中,调节胶液质量分数达到0.3~0.4。将预先经硅烷偶联剂处理过的电子玻璃布浸胶,待溶剂挥发后烘干,然后放入模具中置于平板硫化机上硫化,硫化条件为(1655)!/(6~10)MPa∀20min,制得表面柔软、光滑的ETP。

1.4 性能测试

导热系数、热阻、邵尔A型硬度、体积电阻率、撕裂强度、介电常数和热膨胀系数分别按照AST M D5470#1995,SJ20780#2000,GB/T 531#1999,GB/T1692#1992,GB/T528#1998, GB/T1694#1981和GB/T1036#1989进行测定。

2 结果与讨论

2.1 理化分析

ET P使用的导热硅橡胶必须具有导热性高、热稳定性好、热膨胀系数小、受压易变形、形状适应性强等特点,同时具有一定电绝缘性。M VQ、氧化铝和氧化镁晶须的理化分析结果见表1。

表1 主要原材料理化分析结果

项 目M VQ氧化铝氧化镁晶须

密度/(M g m-3) 1.05 3.98 3.2

热膨胀系数∀106/K-12857.213.5

导热系数/[W (m K)-1]0.23352

体积电阻率/( cm)∃1016∃1014∃1010

介电常数 3.57.09.8

2.2 氧化铝用量对MVQ导热性能的影响

由表1可见,氧化铝导热系数比MVQ大很多,填充氧化铝可以大幅提高MVQ的导热性能。氧化铝用量对MVQ导热性能的影响见图1。由图1可以看出,随着氧化铝填充量的增大,M VQ 的导热系数增大,同时热阻下降。分析原因认为,氧化铝用量较小时,氧化铝粒子被MVQ包覆,不能相互接触,导致热阻很大;当氧化铝用量较大时,氧化铝粒子之间相互接触,粒子堆积紧密,形成导热通路,使得M VQ导热系数明显增大;再增大氧化铝用量,由于粒子之间大部分已搭接连通,新的导热通路增加不明显,氧化铝粒子用量的影响已不起主要作用,如果继续增大用量,

会导致体

图1 氧化铝用量对MVQ导热性能的影响

%#导热系数;&#热阻。

系的加工性能和物理性能明显下降。因此,氧化铝的用量以150份为宜。填充150份氧化铝导热M VQ的SEM照片见图2

。

图2 填充150份氧化铝导热MVQ的SEM照片2.3 填充MVQ导热系数

晶须不仅具有高导热系数,而且与粒子和M VQ的接触面大,补强作用明显,同等条件下使M VQ导热系数继续增大,并且可提高M VQ的物理性能。氧化铝中引入少量氧化镁晶须(氧化镁晶须质量分数为0.06)替代氧化铝粒子,由于氧化镁晶须长径比较大,能够贯穿数个氧化铝粒子,显著增大彼此间接触几率,构成更多网络结点,加上协同效应,在橡胶基体中形成更多的导热通路,体系导热系数增大[3]。填充150份氧化铝/氧化镁晶须导热M VQ的SEM照片见图3。氧化铝与氧化铝/氧化镁晶须填充的MV Q导热系数如图4所示。

由图4可知,导热填料用量小于20份时,两种体系导热系数差别不大;随着导热填料用量增大,加入氧化镁晶须的体系导热系数比不加氧化镁晶须时高;当导热填料用量超过150份时,二者