含剝離的氮化硼的組合物和形成這樣的組合物的方法
【專利說明】含剝離的氮化棚的組合物和形成送樣的組合物的方法
[0001] 巧關申請的香叉引用
[0002] 本申請要求在2012年9月19號提交的題為"CompositionComprising ExfoliatedBoronNitrideAndMethodForFormingSuchCompositions"的美國臨時 專利申請第61/702, 776號和在2013年3月14號提交的題為"CompositionComprising ExfoliatedBoronNitrideAndMethodForFormingSuchCompositions"的美國申請第 13/828, 742號的權益，上述各申請在此通過引用全部并入本文。
技術領域
[0003] 本發明設及含氮化棚的組合物，特別地含剝離的氮化棚的組合物，和用于制備運 樣的組合物的方法。本發明也設及通過在樹脂材料中氮化棚的原位剝離形成含氮化棚的導 熱組合物的方法。
【背景技術】
[0004] 多種電子和光電子設備的熱管理日益引起注意，由于在運樣的設備中面臨的嚴峻 挑戰。在個人手持電子設備中繼續存在縮小尺寸和增加功能的趨勢。功率密度和因此需要 消散的熱密度已顯著增加，運提出了在運些設備中提供良好熱管理的重大挑戰。相似地，在 光電子設備，也叫做發光二極管（LE化）中，功率消耗和流明輸出是不斷增加的。熱管理問 題也廣泛存在于其它應用中，例如汽車中的電子元件，用于混合動力車的可充電電池系統 和功率逆變器等。不充分或無效的熱管理可對設備的性能和長期可靠性產生強而不利的影 響。 陽〇化]目前基于LED的燈泡被用來取代較舊的燈泡，并被設計W適應傳統的"Edison"套 接口。僅將L邸燈泡裝配入Edison套接口加劇了所述熱管理挑戰，因為熱消散受限于自然 對流。因此L邸燈泡需要良好設計的散熱片W有效且充分地消散余熱。無效的熱管理導致 較高的LE化的運行溫度，運通過LED的結點溫度（Tj)指示。當結點溫度從115°C增加至 135°C時，L邸的壽命（定義為損失30%光輸出即達到B30所消耗的時間）可能地從80,000h 下降至20,OOOh。
[0006] 基于與用于其他電子設備的散熱片的相似之處，侶散熱片是L邸應用的自然選 擇。然而，侶散熱片用于L邸燈泡具有數個挑戰。一個挑戰是散熱片與Edison套接口的電 絕緣。在安裝過程中金屬散熱片和所述套接口間的任何電連通或泄漏可能是非常危險的。 另一個挑戰是提供具有復雜形狀的散熱片，因為壓鑄熱翅化eatfin)形狀可能是困難的且 可能需要昂貴的二次機械加工操作。侶散熱片也可能是相當重的且可顯著增加燈泡的重 量，并因此增加燈泡的運輸成本。最后，侶散熱片將需要最后的涂漆步驟W平滑表面光潔度 并賦予消費者需要的顏色。
[0007] 塑料散熱片是侶散熱片的一個替代選擇。塑料為電絕緣的，通過注射成型更適合 于復雜的散熱片結構，重量輕，并可被自由著色W滿足美學或品牌需求。塑料也提供集成數 個部件的可能性，運可導致燈泡更簡單的整體裝配。然而，塑料具有非常差的熱導率-通常 只有約0.2W/mK，運比侶（約200W/mK)低幾乎兩個數量級。因此，塑料通常不足W滿足熱管 理挑戰。
[0008] 通常將填料添加至塑料中W形成獨特的復合材料。例如，添加增強材料例如玻璃 纖維W改善塑料的機械性能。相似地，近來將石墨、炭黑或其它碳形式，甚至包括碳納米管 添加至塑料中W形成導電的塑料基材料。有時也使用石墨和金屬粉末W增強熱導率，但運 通常也導致增加的電導率，因為運些性質通常是伴隨的。然而，一些陶瓷材料，例如二氧化 娃、氧化侶、氧化鋒、氧化儀、氮化侶、氮化棚（六方形或立方形式）等具有與塑料形成導熱 的但電絕緣的構型的機會，因為它們是良好的熱導體和電絕緣體。
[0009] 雖然已提出氮化棚/塑料復合物，氮化棚/塑料復合物具有數個缺點。氮化棚是 相對昂貴的材料，可比用侶合金復合的且與侶合金相比的塑料樹脂的費用高10-40倍。從 性能的角度，氮化棚/塑料復合物的面內熱導率僅為約2-lOW/mK，即使在高的氮化棚負載 下，例如，在25-60wt. % (15-45V01%)W上。氮化棚也是非常惰性的且不易被樹脂潤濕。 運導致有瑕疵的界面和填料與基體之間大的熱阻，有效降低復合物的熱導率因此導致實現 期望的熱導率所需的較高的BN負載。較高的填料負載使運些復合物的成本顯著上升，使其 在熱管理應用中具有較小的成本競爭性。所述填料和樹脂間差的界面也導致復合物差的物 理性質。因此，解決潤濕問題W實現高的熱導率和最佳的物理性質勢在必行。
[0010] 然而，重要的是要注意即使導熱塑料的熱導率不與侶金屬一樣高，但對于在LED 燈泡和其他對流限制的應用中的熱管理應用是足夠的。氮化棚/塑料復合物是各向異性 的，運也可為可能限制氮化棚/塑料復合物適用性的問題。 W11] 圖1中顯示了六方BN的晶體結構。a-b晶體平面是由緊密的共價鍵合的棚和氮原 子組成。所述a-b平面沿著C方向是重復的，由弱的范德華力結合在一起。由于該晶體結 構，六方BN顆粒的天然顆粒形狀是薄片并通常具有縱橫比（~10-50)。
[0012] 在各向異性是可接受的地方，BN的高縱橫比可能是一個優勢。典型地，其它所有 等同時，縱橫比越高，熱導率越高。
[0013] 圖1中顯示的六方BN的晶體結構與石墨非常相似。石墨的剝離已被用作增加 石墨顆粒的縱橫比并增強導熱性能的方式。與石墨相反，由于棚和氮原子的部分離子或 極性特征，六方BN的剝離是非常困難的。已在實驗室中顯示了BN晶體的插入和剝離，但 通過異常困難的方式，運造成規模化和商業化的數個挑戰。（化en等人，"Intercalation of Hexagonal Boron Nitride by Strong Oxidizers and Evidence for the Metallic Na化re of化e Products", Journal of Solid State Qiemistry，vl47, pp74-81 (1999).) D 即使BN晶體被成功剝離，將這些納米尺度的高表面積材料復合成樹脂，實現填料被基體良 好的分散和浸潤也將是非常具有挑戰性的。
【發明內容】
[0014]在一個方面，本發明提供含剝離的氮化棚的組合物。在另一個方面，本發明提供用 于制備含剝離的氮化棚的組合物的方法。所述組合物可具有高的熱導率。
[0015] 在一個實施方案中，本發明提供含樹脂材料、剝離的氮化棚、任選的功能添加劑和 硬度高于六方氮化棚的硬填充材料的組合物，其中在所述硬填料存在下，通過混合氮化棚 晶體與樹脂材料原位制備剝離的氮化棚。
[0016] 在另一個實施方案中，本發明提供形成含剝離的氮化棚的導熱組合物的方法，所 述方法包括通過在樹脂材料中混合氮化棚晶體和硬度高于所述氮化棚晶體的硬填充材料 原位剝離氮化棚晶體。
[0017] 在樹脂基體中氮化棚晶體的原位剝離允許形成具有相對高的熱導率而不必須在 與樹脂材料復合前在單獨的步驟中剝離氮化棚。
[0018] 在一個方面，本發明提供含樹脂材料、剝離的氮化棚、任選的功能添加劑和硬度比 六方氮化棚的硬度高的硬填充材料，其中在所述硬填料存在時，通過使氮化棚晶體和樹脂 材料混合原位制備剝離的氮化棚。
[0019] 在一個實施方案中，所述組合物包含從約15wt%至約60wt%的氮化棚，從約 Iwt%至約55wt%的硬填充材料，從約Owt%至約15wt%的功能添加劑，和從約20wt%至約 75wt%的樹脂材料。
[0020] 在一個實施方案中，所述組合物包含從約lOwt%至約50wt%的氮化棚，從約 20wt%至約50wt%的硬填充材料，從約0.Iwt%至約7wt%的功能添加劑，和從約20wt%至 約75wt%的樹脂材料。
[0021] 在一個實施方案中，所述組合物包含從約15體積％至約50體積％的氮化棚。
[0022] 在一個實施方案中，所述含剝離的氮化棚的組合物具有比在不含所述硬填充材料 的組合物中的氮化棚體積更多的氮化棚顆粒數。
[0023] 在一個實施方案中，所述剝離的氮化棚具有約1微米或更小，約0. 5微米或更小， 甚至約0. 2微米或更小的平均厚度。
[0024] 在一個實施方案中，硬填充材料與氮化棚的體積比為至少從約20:1至約1:20,體 積比從約15:1至約1:15,體積比從約10:1至約1:10,體積比從約3:1至約1:3。權利要求 1-8任一項所述的組合物，其中硬填充材料與氮化棚的體積比為至少從約2:1至約1:2,甚 至體積比約1:1。