211_090-007AP-TW
發佈日期 :
2009-04-29
| 發明專利說明書 | |
| ※申請案號： | |
| ※申請日期： ※ＩＰＣ分類： | |
| 一、發明名稱： (中文/英文)
|
|
| 超高導熱高分子聚合物複合材料及其製備(全文下載)
|
|
| 二、申請人： 共 人
|
|
| 指定 為應受送達人
|
|
| 三、發明人： | |
| ◎專利代理人： | |
| 四、聲明事項 | |
|
|
|
| □主張專利法第二十七條第一項國際優先權：
|
|
| □主張專利法第二十九條第一項國內優先權：
|
|
| □ 主張專利法第二十六條微生物：
|
|
| □ 熟習該項技術者易於獲得，不須寄存 | |
| 五、中文發明摘要： | |
| 本發明提供包含石墨化氣相成長碳纖維墊(graphitized vapor grown carbon fiber mat)的一種高分子聚合物複合材料。石墨化氣相成長碳纖維墊包含半連續性 (semi-continuous)的氣相成長碳纖維(vapor grown carbon fiber，簡稱VGCF)。生產此種複合材料較佳的方法包含提供至少一VGCF墊的步驟，以及將液化的高分子聚合物材料，以熱壓程序(hot press process)，滲透入VGCF墊的空隙(interstice)中。所得到的高分子聚合物複合材料具有 400W/m-K以上的導熱率、1.10到1.40 g/cc之間的密度、以及電性絕緣面。此高分子聚合物複合材料可使用於電子元件、航空器具、太空船、可攜式電子產品以及其他產品之熱管理應用(thermal management application)上。 | |
| 六、英文發明摘要： | |
| A polymer matrix composite is provided comprising graphitized vapor grown carbon fiber mats. A mat comprises semi-continuous vapor grown carbon fiber. The preferred method of producing the composite includes the steps of providing at least one mat of vapor grown carbon fiber and infiltrating liquidized polymeric material into the interstices of the mat by a hot press process. The resulting polymer matrix composite has a thermal conductivity between 400 W/m-K and 700 W/m-K, a density between 1.10-1.40 g/cc, and an insulating surface, and is useful as a component in electronic devices, aircraft, spacecraft, portable electronics, and other thermal management applications. | |
| 七、指定代表圖： | |
| （一）本案指定代表圖為： | |
| （二）本代表圖之元件代表符號簡單說明：
|
|
| 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： | |
| 九、發明說明： | |
| 發明領域 本發明係關於可用於熱管理應用的一高分子聚合物複合材料，並且係關於製造這種高分子聚合物複合材料的方法。 發明背景 複合材料過去以在結構上的應用而廣為週知。近幾年來，複合材料亦被使用於熱管理應用上。舉例來說，複合材料可用於電子封裝的散熱上。一般典型用於電子封裝的散熱材料會有熱膨脹係數匹配之問題，然而因為複合材料的熱膨脹係數可藉由改變強化材料的數量、種類與結構而調整，所以便免了熱膨脹係數匹配之問題。一般所使用強化材料傳統碳纖維、碳化矽顆粒〈silicon carbide particle〉、氮化硼顆粒〈boron nitride particle〉、氮化鈦顆粒〈titanium nitride particle〉、以及鑽石顆粒〈diamond particle〉。然而以這些強化材料所製造的複合材料並未有太多實質的導熱率改善。因此近年來已經有人研究新的碳纖維，亦即氣相成長的碳纖維，在熱管理上的應用。氣相成長碳纖維〈簡稱VGCF〉係透過碳氫化合物氣體〈hydrocarbon gas〉在金屬觸媒〈metal catalyst〉上裂解〈pyrolysis〉而成長出來。VGCF比任何其他的碳纖維具有更高的導熱率，而且VGCF可以以較低的成本生產。VGCF亦為所有已知碳纖維中具有最高度石墨化〈highest degree of graphitic perfection〉的碳纖維。 如美國專利案案號第5,814,408所揭露者，鋁基複合材料〈aluminum matrix composite〉與一碳基複合材料〈carbon matrix composite〉已經由此種碳纖維製作而成，且所製成的複合材料具有高熱導熱率。然而，這兩種複合材料均具導電性，這項特性是許多應用中所不允許的。此外，鋁基複合材料的製造需要高於鋁固相線〈aluminum solidus〉的溫度，約為660℃或1220℉，且必須施加高壓以壓鑄熔融態的鋁。此外，必須提供一充滿鈍性氣體的保護環境，以防止鋁的氧化。碳基複合材料的製造亦需要高於1100℃或2012℉的溫度，並需要較低的壓力〈reduced pressure〉。同時鋁基複合材料或碳基複合材料的製造都需要一預成形〈preform〉。另外鋁基複合材料需要將鋁材與預成形分別加熱，碳基複合材料亦常常需要碳材與預成形的分別加熱。這些都會加諸到成本中。 因此熱管理用之複合材料技術仍然必須加以改良，此外，改良之技術必須提供具有更高之導熱率、電性絕緣面、低密度、低成本生產之一種複合材料。 發明目的與概述 本發明的一目的是提供一高分子聚合物複合材料，此高分子聚合物複合材料具有高導熱率，且具有絕緣之表面與低密度的特性。 本發明的另一目的是提供一適合於熱管理應用上的高分子聚合物複合材料之製備方法。 本發明藉由提供一高分子聚合物複合材料而滿足理應用上的需要，這種高分子聚合物複合材料具有高導熱率、低密度、與一電性絕緣表面。此高分子聚合物複合材料的製備不需要預成型且只需大氣壓環境。本發明的高分子聚合物複合材料特別可使用於各種需要電性絕緣與低密度的熱管理應用中。 本發明之高分子聚合物複合材料係由現場(in-situ)交織、石墨化的氣相成長碳纖維〈簡稱VGCF〉墊的堆疊所構成，因此可以免除成長後(post growth)交織及預成形的製造。 依據本發明的一較佳實施例，提供一高分子聚合物複合材料，此高分子聚合物複合材料包含石墨化之VGCF交織墊的堆疊；並將高分子聚合物材料滲透入堆疊內含之空隙。 此堆疊中的VGCF墊較佳係由半排列〈semi-aligned〉、半連續〈semi-continuous〉的VGCF所構成，這些VGCF係在生長過程中於現場〈in-situ〉交織〈interwoven〉。這些纖維較佳係經過石墨化處理的，也就是以約2600℃或更高的溫度下熱處理，以將此碳纖維中所含碳的一部分轉換成石墨碳〈graphitic carbon〉。 本發明之VGCF墊的室溫導熱率較佳係高於1500W/m-K，如此所造成之高分子聚合物複合材料具有高於400W/m-K的導熱率。 本發明亦提供製造此高分子聚合物複合材料的方法，此方法一般而言包含提供至少一石墨化VGCF墊的步驟，以及將液化的高分子聚合物材料滲透入此石墨化VGCF墊的空隙中。 於一較佳實施例中，高分子聚合物材料係以熱壓技術，滲透入石墨化VGCF墊中。在熱壓技術中，高分子聚合物材料與與石墨化VGCF墊皆同時被加熱到比高分子聚合物材料之熔點更高的溫度。當高分子聚合物材料與石墨化VGCF墊的堆疊到達所需要的狀態時，則在大氣環境下對高分子聚合物材料與石墨化VGCF墊的堆疊施加壓力以起始滲透入程序。 本發明的方法由於使用了高分子聚合物材料而符合成本效益且具有高效率，而不需要高溫、預成形、保護環境、較低的壓力或高壓力以及分別加熱。此外，VGCF墊的使用免除了在使用VGCF於複合材料之前以機械方式編織個別碳纖維以形成墊的必要性。 這樣的熱壓技術使得纖維體積百分比〈fiber loading〉落在有用範圍，也就是從10體積百分比〈volume percent〉到60體積百分比，並允許單一方向〈uni-directional〉或同平面正交〈in-plane orthogonal (two-directional)〉的纖維架構，而不會造成不均勻的滲透入〈inhomogeneous infiltration〉。這也使得熱膨脹係數與其他複合材料的特性可以在較大的範圍內進行控制，因而增加可使用此複合材料應用端的種類數目。 另外，所形成的高分子聚合物複合材料比以其他任何碳纖維加強的複合材料顯現更高的導熱率。 此外，所造成的高分子聚合物複合材料比其他用於熱管理的複合材料具有更低的密度。 此高分子聚合物複合材料可用於許多熱管理應用上，包含航空器具、太空船、電子元件以及可攜式電子產品。 基於此，本發明的一特徵是，提供由交織的VGCF墊所形成的一高分子聚合物複合材料，此高分子聚合物複合材料具有高導熱率、低密度以及可改變的熱膨脹係數。本發明的另一特點是提供一符合成本效益的方法，以生產這樣的高分子聚合物複合材料。熟悉本項技術者，在閱讀以下詳細說明並參考隨附圖式與申請專利範圍後，將清楚了解本發明的這些與其他特點與優點。 [圖式簡單說明] 圖1A係為一顯微照片，其例示本發明的VGCF墊，以顯示VGCF的方向；圖2A圖示具有單一方向纖維的堆疊架構；圖2B圖示具有同平面正交織維的堆疊架構；圖3A係為本發明之模具打開時的示意圖，高分子聚合物材料放在模具的底部；圖3B係為本發明之模具打開時的示意圖，高分子聚合物材料放在模具的底部，高分子聚合物材料上有VGCF 墊的堆疊；以及圖3C係為本發明之模具打開時的示意圖，高分子聚合物材料放在模具的底部，高分子聚合物材料上有VGCF墊的堆疊，而VGCF墊的堆疊上還有另一層高分子聚合物材料。 發明之詳細說明 本發明之以氣相成長碳纖維加強的基體複合材料，相較於使用其他基體材料，如鋁，或使用其他強化材料，如傳統碳纖維的複合材料，可提供更多的有利條件。舉例來說，處理高分子聚合物需要溫度很低，也不需要保護的環境與較低的壓力或高壓力。此外，VGCF墊堆疊的使用免除了預成形的製作。還有，VGCF墊具有所有碳纖維中最高的導熱率，也使得所形成的複合材料具有高導熱率。此外，其他的碳纖維在使用於複合材料之前，必須以機械方式交織，而本發明的VGCF墊是由半連續的纖維所組成，在現場成長時即已交織，不需成長後再另行交織。 據此，本發明的高分子聚合物複合材料的生產成本遠低於傳統複合材料的成本生產。高分子聚合物複合材料包含由石墨化VGCF交織墊所構成的堆疊。吾人應該了解此複合材料可以依據其最後的用途而具有不同的形狀。 這些VGCF墊係由半排列、半連續的VGCF構成，如圖1所示。在一墊中，大部分的纖維具有相同的排列方向，然而會有一些會呈現不同程度的方向排列性〈mis-orientation or mis-alignment〉。墊中纖維的排列方向與編織可以藉由纖維成長時氣體流動條件而控制之。 吾人應當了解堆疊中之VGCF墊的數量可依照想要的複合材料尺寸與最終用途而作改變。個別VGCF墊的尺寸也可依照需要作修改。 VGCF墊較佳係成長於一基板上，此基板事先已經佈好鐵顆粒〈iron particle〉所構成的晶種〈seed〉，或者基板會放置於接近一佈滿鐵晶種的基板。此基板放置於一反應器中，並在1000℃的溫度下，引入碳氫化合物與氫氣的流動氣體混合物。此碳氫化合物較佳是甲烷〈methane〉。在成長過程中，纖維順著相互交叉的氣體流線〈streamlines〉之方向成長而交織。結果纖維在成長過程中變厚，造成交織纖維間相互連接，因而形成纖維墊。 接著，在一鈍性氣氛中，以2600℃的溫度熱處理以此種方式製作的VGCF墊，以將其石墨化。將石墨化的交織VGCF墊堆放起來至一預定數量以形成一端疊，如圖2A與圖2B所示。其中圖2A與2B分別代表單一方向的纖維架構與同平面正交織維架構。 高分子聚合物複合材料的製作可藉由熱壓方式完成。此程序包括放置想要數量的高分子聚合物材料到一打開的模具中，如圖3A所示。接著放置適當數量纖維墊到高分子聚合物材料的上方，如圖3B所示，其中所有纖維墊具有適當尺寸且具有想要之纖維排列方向。然後再添加一次高分子聚合物材料到前述VGCF墊堆疊上，如圖3C所示。然後以一模具壓蓋，將具有三明治般高分子聚合物材料-堆疊-高分子聚合物材料的模具蓋上，並將其加熱到比此高分子聚合物材料之熔點更高的溫度。當溫度到達時，對模具壓蓋施加一正向力，使得熔融的高分子聚合物材料滲透入VGCF墊的空隙中。此正向力較佳約在1大氣壓到70大氣壓的範圍內。吾人應該了解滲透入所需的壓力與溫度，可以依照所使用的特定高分子聚合物材料與堆疊的特性而改變。接著，將模具冷卻，高分子聚合物材料也隨之再次固化〈re-solidifies〉。而後將高分子聚合物基體從模具中取出。 吾人應該注意堆疊的順序是可以改變的。此高分子聚合物材料與石墨化VGCF墊亦可以以每一VGCF墊插入兩層高分子聚合物材料的方式放入模具中。任何可以使高分子聚合物材料在墊中均勻分佈的堆疊順序皆為本發明所意圖保護的範疇。 若欲生產較厚的高分子聚合物複合材料，在加熱並加壓此模具與其內含物之前，此堆疊程序可以執行不只一次。 所造成的高分子聚合物複合材料可具有約為400-700W/m-K之間的導熱率。本發明的高分子聚合物複合材料特別適合使用於電子元件與封裝、航空器具、太空船以及可攜式電子產品上。 以下例子係為了例示本發明，不應當認為有限制隨附申請專利範圍的作用。 實施例1 現在依照本發明製備環氧樹酯〈Epoxy resin〉基體複合材料。首先，成長VGCF墊並將其從反應器中移出。接著以2600℃的溫度，在氬氣氣氛中熱處理〈石墨化〉此VGCF墊。從已經石墨化的、大塊的VGCF墊上切出尺寸較小之5公分乘10公分見方的的小VGCF墊，並以此小VGCF墊形成堆疊。然後將此堆疊放入一模具中，而此模具中已經預先裝載想要數量的環氧樹酯。接著於此VGCF墊堆疊的上方再加上環氧樹酯，如圖3C所示。然後關閉此此模具並將之加熱到180℃。當溫度到達時，施加1大氣壓到70大氣壓的壓力於模具，使得環氧樹酯開始滲透入VGCF墊的空隙中。而後冷卻此模具，從模具中取出形成的環氧樹酯基體複合材料。 根據此方法形成七種複合材料。結果表列於表1中。由表1可見，VGCF墊的使用大大地增加環氧樹酯的導熱率，其中環氧樹酯原本的導熱率低於0.1 W/m-K。藉由使用少於14纖維體積百分比的VGCF，環氧樹酯的導熱率相較於純環氧樹酯增長了200,000%。  在表1中，X代表主要纖維方向〈the primary fiber direction〉，而Y代表同平面上垂直X的方向。Vf代表VGCF的體積比率。1D與2D分別代表一維〈單一方向〉與二維〈平面正交〉。 請注意此高分子聚合物複合材料的密度約在1.2到1.4g/cc之間，其為美國專利案第5,814,408號中鋁基複合材料密度的一半。較低的密度意謂著較低的重量，這項特徵對一般可攜式裝置皆較為有利。 雖然在上述實施例中，我們採用環氧樹酯作為高分子聚合物複合材料的高分子聚合物材料，在理解相關敘述與圖式後，熟悉本項技術者亦會清楚了解在本發明範疇中其他高分子聚合物材料的選用也是可行的。所有例示的實施例與細節皆是為了說明本發明。熟悉本項技術者將清楚了解，在不脫離申請專利範圍所界定範疇的前提下，可以對本發明揭露之方法與材料做許多均等的修改與變化。
|
|
| 十、申請專利範圍： | |
| 1.一種高分子聚合物複合材料包含：至少一石墨化氣相成長碳纖維墊，該石墨化氣相成長碳纖維墊中具有空隙；以及一高分子聚合物材料；其中該高分子聚合物材料滲透入該石墨化氣相成長碳纖維墊的該空隙中。 2.如申請專利範圍第1項所述之高分子聚合物複合材料，其中該石墨化氣相成長碳纖維係於成長中現場〈in-situ〉交織。 3.如申請專利範圍第1項所述之高分子聚合物複合材料，其中該石墨化氣相成長碳纖維在室溫下具有高於1500W/m-K的導熱率。 4.如申請專利範圍第1項所述之高分子聚合物複合材料具有高於400W/m-K的導熱率。 5.如申請專利範圍第1項所述之高分子聚合物複合材料，其中該石墨化氣相成長碳纖維至少部分是半排列、半連續的以形成該石墨化氣相成長碳纖維墊。 6.如申請專利範圍第1項所述之高分子聚合物複合材料，其中該石墨化氣相成長碳纖維係以高於2600℃的溫度熱處理而石墨化。 7.一種方法，供製造一種高分子聚合物複合材料，該方法包含下列步驟：提供至少一石墨化氣相成長碳纖維墊，該石墨化氣相成長碳纖維墊中具有空隙；以及於高於一高分子聚合物材料之熔點的溫度下，以該高分子聚合物材料滲透入該空隙中。 8.如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該石墨化氣相成長碳纖維係於成長中現場交織。 9.如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該石墨化氣相成長碳纖維至少係部分半排列、半連續的。 10.如申請專利範圍第7項所述之方法，其中以該高分子聚合物材料滲透入該空隙中的步驟進一部包含下列步驟：將該石墨化氣相成長碳纖維墊放置於預先裝載該高分子聚合物材料的一模具中；添加該高分子聚合物材料於該模具中的該石墨化氣相成長碳纖維墊上；以一模具壓蓋將該模具蓋上；將該蓋上的模具加熱到高於該高分子聚合物材料熔點的溫度；以及對該模具壓蓋施加以正向力。 |
|
| 十一、圖式： | |
      |
|
瀏覽數:
分享