技术领域
[0001] 本
发明涉及一种高性能有机硅复合材料及其制备方法；属于导热绝缘有机硅复合材料技术领域。
背景技术
[0002]
电子器件特别是大功率化、微型化电子元器件的运行过程中会有大量的热量产生，若
散热不及时，积聚过多的热量将影响元器件的正常工作，严重时会使电子元器件失效甚至导致事故的发生。有数据表明，电子元器件
温度每升高2℃，可靠性下降10％；电子元器件使用温度每升高10℃，使用寿命可缩短5～8倍，因此散热成为电子元器件增加使用寿命和提高可靠性的主要问题。
[0003] 为了解决电子器件模
块热量积累问题，提高散热效率，通常需要在
传热间隙，填充导热介质，将热量传导至
外壳或者
散热器等，此外这类导热介质与发热部件和带电部位紧密
接触，因此还需要具备较好的
阻燃性能和电气绝缘性。这类导热介质主要有机硅材料和环
氧树脂材料两大类。由于有机硅材料具有热
稳定性好，耐候性强、耐高低温、耐
辐射、高透光率等物理化学性能，因而电子元器件、电源模块及印刷线路板等的散热材料以有机硅材料为主。
[0004] 硅
橡胶作为一类重要有机硅材料，常用于电子器件散热，主要分为加成型和缩合型两类。与缩合型有机硅橡胶相比，加成型有机硅橡胶
固化过程中无低分子副产物生成，易深层固化，对金属等材质的腔体或外壳无
腐蚀和优异的操作工艺性能，因而被广泛应用于
汽车电源系统、电子
电路集成系统及
LED灯系统及航空、航天和兵器等军事领域急需的导热绝缘材料。
[0005] 加成型有机硅橡胶是以含烯
烃基的聚硅氧烷低聚物为
基础聚合物、低摩尔
质量含氢聚硅氧烷为交联剂，通过硅氢加成反应，常温或加温固
化成弹性体。有机硅橡胶的导热率很低，为了改善其导热性能，需要填充氧化
铝、氧化锌、
碳化硅、氮化
硼、
石墨烯及碳
纤维等导热填料[US6169142][US6448329][US5008307][CN201310629967.1]，一般在某些散热性能要求高的大功率器件中，为提高硅橡胶的导热率，需要填充大量的导热绝缘填料，但即使硅橡胶中填充600份导热绝缘粉，导热率也不超过1.5W/m.K,[EP 0032050A2]，难以满足这些大功率电器件散热材料的要求，因此制备导热率更高的硅橡胶，如2.5～3.0W/m.K,需要填充更多的导热绝缘填料[US8119758B2]。然而，随着导热绝缘填料填充量增加，有机硅橡胶
力学性能降低、粘接强度降低、
粘度升高、
密度增加，成为其在高导热领域应用的突出问题。
[0006] 为了解决加成型有机硅橡胶导热率与复合材料粘度、力学性能的矛盾，易于构建导热网络体系的高长径比填料如碳
纳米管、
碳纤维、碳化硅纤维、氧化锌晶须等获得了较大的关注。无机导热绝缘填料通过高导热、高长径比填料架桥形成导热网链，实现复合协同效应，从而减少填料用量，降低密度和粘度，同时也可提高导热胶的拉伸强度。中国发明
专利[CN101492285]公开了一种含铍碳化硅纤维的制备方法，所制备的含铍碳化硅纤维具有高导热率、高耐温性、
耐腐蚀性、高绝缘性、高强度等优点。中国发明专利[CN102786721A]公开了一种高强高导热绝缘材料，以长径比为2-100的短切含铍碳化硅纤维、氧化锌晶须、氧化铝、氮化硼或
云母为导热填料，所制备的导热绝缘材料具备很高强度和优异的导热性能，然而填料处理过程繁琐，工艺操作性不好，而且采用常规聚硅氧烷低聚物无法满足航空、航天、兵器等领域特殊环境要求。航空航天领域中，存在高低温交变等恶劣的空间环境条件，虽然硅橡胶的耐高低温性能优异，但低于-70℃时，材料易变脆，硅橡胶的低温收缩量明显增大，导致导热绝缘材料失效。同时，在空间环境
真空及高低温交变协同作用下，硅橡胶基础聚合物中少量的不反应的低分子量物质及硫化过程中的副产物逸出，会引起严重的热真空出气问题。美国的NASA和欧洲ESA提出空间材料25℃收集面上的可凝性挥发成分不大-4于0.1％，在125℃，1.3×10 Pa环境下24小时材料总失重不大于1％。此外，为了防止硅橡胶与发热的功能性器件模块和硅橡胶与外壳或散热器之间的间隙产生，降低传热热阻，及电子元器件的固定，硅橡胶还应具有较强的粘接力。因此，研制具有高导热率、高粘接强度、低密度、低粘度、高尺寸稳定性、耐高低温、耐辐射及低挥发性成分含量的有机硅橡胶，对提高国家国防军事
水平，促进军事力量稳定快速的发展，突破了美国、日本对我军用导热绝缘材料领域的禁运，对我国突破汽车电源系统、
电子电路集成系统及LED灯系统导热绝缘材料
瓶颈具有重要意义。
发明内容
[0007] 针对
现有技术中的有机硅橡胶导热材料存在的
缺陷，本发明的目的是在于提供一种具有
热稳定性好、导热率高、粘接力强、质量轻、强度高、挥发性成份少的有机硅橡胶导热材料。
[0008] 本发明的另一个目的是在于提供一种操作简单、成本低、产品稳定性好的制备所述有机硅复合材料的方法。
[0009] 为了实现本发明的目的，本发明提供了一种有机硅复合材料，该有机硅复合材料由以下质量份组分原料通过混合、固化得到：含烯基聚硅氧烷100份；含氢聚硅氧烷0.5～10份；环氧基聚硅氧烷0.1～5份；导热填料300～900份；硅氢化反应催化剂0.1～3份；
反应
抑制剂0.05～0.1份；助剂0.1～2份；
[0010] 所述的含烯烃基聚硅氧烷至少含有三个烯烃基；
[0011] 所述的含氢聚硅氧烷至少含有两个硅氢键；
[0012] 所述的环氧基聚硅氧烷至少含有两个环氧基团及至少两个硅氢键。
[0013] 优选的方案，含烯烃基聚硅氧烷中烯烃基可以位于聚硅氧烷分子链任意
位置，但最好在聚硅氧烷分子链末端。
[0014] 优选的方案，含烯烃基聚硅氧烷具有如下通式：
[0015] R2(R1R2R3SiO)2SiO(R2R3SiO)aSiR2R3R1，其中，R1选自C2～C7的含烯基团，R2和R3各自独立地选自C1～C7烷烃基、C1～C7卤代烷烃基、苯基或取代苯基，a为50～1500。
[0016] 较优选的方案，上述含烯烃基聚硅氧烷通式中R1为乙烯基、烯丙基或己烯基，R2和3
R各自独立地选自甲基、乙基、丙基、戊基、环己基、苯基、苯甲基、2-苯乙基、3,3,3-三氟丙基或3-氯丙基。
[0017] 进一步优选的方案，含烯烃基聚硅氧烷可以是：
[0018](其中a为50～1500)中的至少一种。
[0019] 本发明的含烯烃基聚硅氧烷通过两步共
水解缩合方法制备，其骨架结构可以为直链、支链或环状结构，并利用热真空处理法去除产物中小分子物质。
[0020] 较优选的方案，含烯烃基聚硅氧烷中甲基摩尔百分比含量不低于60％。含烯烃基聚硅氧烷中甲基摩尔百分比含量最优选为不低于80％。
[0021] 较优选的方案，在压强为101.325kPa，温度为25℃的条件下，含烯烃基聚硅氧烷的动力学粘度为0.05～50Pa.s。
[0022] 优选的方案，环氧基聚硅氧烷具有如下通式：R5(R6R7SiO)bSi(SiR8)2R5，其中，R5为[0023] R6和R7各自独立地选自C1～C7烷烃基、C1～C7卤代烷烃基、苯基或取代苯基，R8为氢，b为1～10。
[0024] 较优选的方案，环氧基聚硅氧烷中R8为氢，R6和R7各自独立地选自甲基、乙基、丙基、戊基、环己基、苯基、苯甲基、2-苯乙基、3,3,3-三氟丙基或3-氯丙基。
[0025] 优选的方案，环氧基聚硅氧烷为
[0026]
[0027] 和
[0028] 中的至少一种，b为1～10。
[0029] 较优选的方案，含氢聚硅氧烷为
[0030]
[0031] 中的至少一种，其中m+n＝8～60。
[0032] 优选的方案，一分子含烯烃基聚硅氧烷与一分子含氢聚硅氧烷中烯烃基与硅氢的的总数目不少于5个，且含氢聚硅氧烷中的氢
原子数目是烯烃基聚硅氧烷中烯烃基数目的0.3至2.0倍。
[0033] 优选的方案，导热填料为通过硅烷
偶联剂预处理过的球形氧化铝和/或氧化锌，和通过硅烷偶联剂预处理过的含铍碳化硅纤维和/或四针氧化锌晶须。
[0034] 本发明采用的球形氧化铝的粒径分别为0.4～0.8μm、3～10μm、45～50μm。
[0035] 氧化锌的粒径为0.5～3μm。
[0036] 四针氧化锌晶须针状体长度为10～20μm。
[0037] 针状体根部直径为0.5～5μm。
[0038] 含铍碳化硅纤维铍的质量百分比含量为0.5～2.5％，密度为2.55g/cm3，直径为5～500um。
[0039] 本发明采用的球形氧化铝、氧化锌、四针氧化锌晶须、含铍碳化硅纤维均为常规市售产品。
[0040] 本发明的球形氧化铝、氧化锌、四针氧化锌晶须和含铍碳化硅纤维在使用之前，需要采用硅烷交联剂预处理。球形氧化铝、氧化锌、四针氧化锌晶须和含铍碳化硅纤维分别用
溶剂、清水洗涤后，烘干，待用；含铍碳化硅纤维则短切为长径比为2～45，
研磨60min后，再用溶剂、清水洗涤后，烘干，再用硅烷偶联剂进行处理。所述硅烷偶联剂为甲基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷、3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷中的一种或几种，均为市购。
[0041] 优选的方案，硅氢化反应催化剂为氯铂酸-1,3-二乙烯基-1,1,3,3-四甲基二硅氧烷络合物、氯铂酸-四甲基二乙烯基二硅氧烷络合物和氯铂酸-四甲基四乙烯基环四硅氧烷络合物中的至少一种。
[0042] 优选的方案，反应抑制剂为3-甲基-3-戊烯-1-炔、3,5-二甲基-3-己烯-1-炔、2-甲基-3-丁炔-2-醇、2-苯基-3-丁炔-2-醇、乙烯基三(甲基丁炔氧基)硅烷和乙炔环己醇中的至少一种。
[0043] 较优选的方案，助剂为碳黑、
钛白粉或桃红与含乙烯基聚硅氧烷及氧化锌的混合物；其中，含乙烯基硅氧烷为
[0044](其中a为50～1500)中的至少一种。
[0045] 为有效降低羟基含量，避免硅氢加成过程中产生氢气，本发明采用的含烯烃基聚硅氧烷利用 (其中R1～R5独立地选自甲基、乙基、丙基、戊基、环己基、苯基、苯甲基、2-苯乙基、3,3,3-三氟丙基或3-氯丙基)，通过两步共水解缩合方法制备，含氢聚硅氧烷为市购。
[0046] 本发明采用的环氧基聚硅氧烷是利用端环氧或端氢聚硅氧烷的基团转化方法设计与制备，主要通过含氢硅油与烯丙基
环氧树脂在催化剂存在的条件下通过硅氢加成反应制备而成，该路线已在大功率LED封装材料中应用。
[0047] 本发明还提供了一种所述的有机硅复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0048] (1)将含烯烃基聚硅氧烷与导热填料在真空捏合机中于115～125℃温度下捏合后，与含烯烃基聚硅氧烷、含氢聚硅氧烷、环氧基聚硅氧烷及反应抑制剂加入到真空型高速分散机中搅拌分散混合，真空
脱泡，得到A组分；
[0049] (2)将含烯烃基聚硅氧烷与导热填料在真空捏合机中于115～125℃温度下捏合后，与含烯烃基聚硅氧烷、催化剂及助剂加入到真空型高速分散机中搅拌分散混合，真空脱泡，得到B组分；
[0050] (3)将(1)和(2)分别得到的A组分和B组分混合，固化，即得。
[0051] 优选的方案，有机硅复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0052] (1)将部分含烯烃基聚硅氧烷加入真空捏合机中，再分多批次加入部分导热填料搅拌均匀，在115～125℃温度下捏合1～2h，降温至室温，捏合料转移至真空型高速分散机中，再加入部分烯烃基聚硅氧烷、氢聚硅氧烷、环氧基聚硅氧烷和反应抑制剂，搅拌均匀，真空脱泡，得到A组分；
[0053] (2)将部分含烯烃基聚硅氧烷加入真空捏合机中，再分多批次加入部分导热填料搅拌均匀，在115～125℃温度下捏合1～2h，降温至室温，捏合料转移至真空型高速分散机中，再加入部分烯烃基聚硅氧烷、催化剂及助剂，搅拌均匀，真空脱泡，得到B组分；
[0054] (3)将A组分和B组分均匀混合，在室温或加温条件下固化，即得。
[0055] 进一步优选的技术方案中有机硅复合材料的制备方法包括以下步骤：
[0056] 制备A组分：在真空捏合机中加入30份的含烯基聚硅氧烷，加入39～50um球形氧化铝，搅拌30min～60min，再加入3～10μm球形氧化铝，搅拌30min～60min，最后加入0.2～0.7μm球形氧化铝，搅拌30min～60min；再依次加入氧化锌、含铍碳化硅纤维或四针氧化锌晶须，共计150-400份，于115～125℃捏合1～2h并降温至室温后，转移至真空型高速分散机中再加入20份的含烯基聚硅氧烷、0.5-13份含氢聚硅氧烷、0.1-5份环氧基聚硅氧烷、0.01-0.1份反应抑制剂，共计100份，搅拌60min，真空脱泡，出料；
[0057] 制备B组分：在真空捏合机中加入30份的含烯烃基聚硅氧烷、加入39～50μm球形氧化铝，搅拌30min～60min，再加入3～10μm球形氧化铝，搅拌30min～60min，最后加入0.2～0.7μm球形氧化铝，搅拌30min～60min，再依次加入氧化锌、含铍碳化硅纤维或四针氧化锌晶须，共计150-400份于115～125℃捏合1～2h并降温至室温后，转移至真空型高速分散机中再加入30份的含烯基聚硅氧烷、0.1-3份催化剂及0.1～2份助剂，共计100份，搅拌30min，真空脱泡，出料；
[0058] 制备有机硅复合材料：由组分A与组分B按重量比1：1均匀混合后室温或加温固化产物。
[0059] 相对现有技术，本发明的技术方案带来的有益技术效果：制备的有机硅复合材料-4在125℃、1.3×10 Pa环境下24小时材料总失重小于1％，具有耐高低温、高导热、质量轻、强度高、粘接性好、电气绝缘性等特点，能满足功能组件大功率化、微型化、轻质化、高可靠性发展需求，作为航空、航天和兵器等军事领域和大功率LED照明系统及电子电路集成系统等民生领域急需的高性能导热绝缘材料。
[0060] 本发明的技术方案是以环氧基聚硅氧烷、含烯基聚硅氧烷和端氢聚硅氧烷液体树脂构成的基体树脂，通过硅氢加成进行固化，并通过基体树脂分子量、活性基团含量的调控，以及选择合适的填料种类及配比，以达到调控导热胶粘度、粘接性能、导热系数、介电性能、绝缘性能、耐高低温性能的目的。本发明中为了改进常规的加成型有机硅复合材料粘接强度低、高低温冲击易失效的难题，采用甲基苯基链节进行相容性和耐低温的调整，同时加入端环氧基聚硅氧烷增强粘接力。
[0061] 在本发明的技术方案中，利用端环氧或端氢聚硅氧烷的基团转化方法，进行端环氧聚硅氧烷的设计及制备，该树脂不仅保持聚硅氧烷耐高低温，具有良好的强度，为了保持较低的温度，使用含有甲基苯基的端氢聚硅氧烷，所制备的环氧树脂含有良好的柔性聚醚线性结构和聚硅氧烷结构，该树脂与传统的加成型硅橡胶相比，具有良好的粘接力。
[0062] 本发明的技术方案中通过两步共水解缩合方法制备含烯基聚硅氧烷，可有效降低羟基含量，避免硅氢加成过程中产生氢气，来降低真空下质量损失和可凝挥发物含量。此外，本发明中采用填料球形导热填料通过高导热含铍碳化硅短纤维及四针氧化锌晶须架桥形成导热通路，降低填料用量，降低粘度，同时也可提高导热胶的拉伸强度。本发明中，基体树脂与填料采用密闭式捏合机与分散机进行混合，保证混合均匀，隔绝空气和湿气。通过该工艺保证氢含量，防止填料吸潮，保证质量稳定。
具体实施方式
[0063] 为了进一步说明本发明，下面结合实例对高性能有机硅复合材料及其制备方法进行详细地描述，但需要指出的是这些实例仅仅为描述性的，而非限制本发明使用范围。
[0064] 本发明的评价指标及测试方法如下：
[0065] 1.导热系数：GB/T 11205-2009；2.密度：GB/T533-2008；3.真空下质量损失：QJ1322-1987；4.真空下可凝挥发物：QJ1371-1988；5.击穿
电压：GB1408.1-20066.剪切强度：GB/T12830-2008；7.
热膨胀系数：GB/T28194-2011；9.吸水率GB/T1034-2008；10.防火等级：GB/T10707-2008；11.
介电常数(1.2MHz)：GB/T1693-2007。
[0067] 在真空捏合机中加入30份乙烯基聚硅氧烷：(a为200，粘度为0.47Pa.s，)[0068]
[0069] (其中乙烯基含量0.535％)，加入39μm球形氧化铝(KH-560处理)，搅拌45min，再加入4.7μm球形氧化铝(KH-560处理)，搅拌45min，最后加入0.5μm球形氧化铝(KH-560处理)，搅拌45min，再依次加入长径比为KH-560处理过的2～5的含铍碳化硅纤维，共计400份，于120℃捏合2h并降温至室温后，转移至真空型高速分散机中再加入20份的乙烯基聚硅氧烷、2.6份 (其中m＝20，黏度(25℃)为15mPa.s，氢的质量分数为1.48％)、2.5份环氧基聚硅氧烷：
0.01 份 3- 甲 基 -3- 戊
烯-1-炔，搅拌1h，真空脱泡，出料。
[0070] 在真空捏合机中加入30份的烯烃基聚硅氧烷、加入39μm球形氧化铝(KH-560处理)，搅拌45min，再加入4.7μm球形氧化铝(KH-560处理)，搅拌45min，最后加入0.5μm球形氧化铝(KH-560处理)，搅拌45min，再依次加入长径比为2～5的KH-560处理过的含铍碳化硅纤维，共计400份，于120℃捏合2h并降温至室温后，转移至真空型高速分散机中再加入20份的乙烯基聚硅氧烷、1份氯铂酸-1,3-二乙烯基-1,1,3,3-四甲基二硅氧烷络合物及0.17份碳黑与乙烯基聚硅氧烷及氧化锌的混合物，搅拌60min，真空脱泡，出料。
[0071] 将上述组分A与组份B按重量比1：1均匀混合后，即可获得一种室温或加温固化新型有机硅导热复合材料。
[0072] 经测试：所制备有机硅导热复合材料的导热系数为2.73W/m·k，密度为2.85g/3 -3
cm，剪切强度为1.29MPa，
击穿电压大于10KV/mm，
热膨胀系数小于1×10 ，阻燃等级为
94V-0，吸水率小于0.1％，介电常数(1.2MHz)小于4，真空下质量损失和真空下可凝挥发物含量均较低，分别小于1％和0.1％。
[0073] 实施例2
[0074] 在真空捏合机中加入30份乙烯基聚硅氧烷：(a为120，粘度为0.29Pa.s，)(其中乙烯基含量0.87％)
[0075]
[0076] ，加入45um球形氧化铝(KH-560处理)，搅拌45min，再加入5um球形氧化铝(KH-560处理)，搅拌45min，最后加入0.5um球形氧化铝(KH-560处理)，搅拌45min，再加入KH-560处理过的四针氧化锌晶须，共计430份，于120℃捏合2h并降温至室温后，转移至真空型高速分散机中再加入20份的乙烯基聚硅氧烷、5.5份 (其中m＝20，黏度(25℃)为15mPa.s，氢的质量分数为1.48％)、2份环氧基聚硅氧烷：
[0077]
[0078] 、0.01份3-甲基-3-戊烯-1-炔，搅拌60min，真空脱泡，出料。
[0079] 在真空捏合机中加入30份的乙烯基聚硅氧烷、加入45um(KH-560处理)球形氧化铝，搅拌45min，再加入5um(KH-560处理)球形氧化铝，搅拌45min，最后加入0.5um(KH-560处理)球形氧化铝，搅拌45min，再依次加入KH-560处理过的四针氧化锌晶须，共计430份，于120℃捏合2h并降温至室温后，转移至真空型高速分散机中再加入20份的乙烯基聚硅氧烷、1份氯铂酸-1,3-二乙烯基-1,1,3,3-四甲基二硅氧烷络合物及0.17份碳黑与乙烯基聚硅氧烷及氧化锌的混合物，共计100份，搅拌30min，真空脱泡，出料。
[0080] 将上述组分A与组份B按重量比1：1均匀混合后，即可获得一种室温或加温固化新型有机硅复合材料.
[0081] 经测试：所制备有机硅导热复合材料的导热系数为3.14W/m·k，密度为2.97g/3 -3
cm，剪切强度为1.05MPa，击穿电压大于10KV/mm，热膨胀系数小于1×10 ，阻燃等级为
94V-0，吸水率小于0.1％，介电常数(1.2MHz)小于4，真空下质量损失和真空下可凝挥发物含量均较低，分别小于1％和0.1％。
[0082] 实施例3
[0083] 在真空捏合机中加入30份含烯基聚硅氧烷：(a为120，粘度为0.29Pa.s，)(其中乙烯基含量0.87％)
[0084]
[0085] ，加入45um(KH-560处理)球形氧化铝，搅拌45min，再加入5um(KH-560处理)球形氧化铝，搅拌45min，最后加入0.5um(KH-560处理)球形氧化铝，搅拌45min，再加入KH-560处理过长径比为2～5的含铍碳化硅纤维，共计380份，于120℃捏合2h并降温至室温后，转移至真空型高速分散机中再加入20份的烯烃基聚硅氧烷、5.5份(其中m＝20，黏度(25℃)为15mPa.s，氢的质量分数为1.48％)、2.1份环氧基聚硅氧烷：
