本發明涉及材料技術領域，具體涉及一種奈米材料及其制備方法與應用。
背景技術：
熱的傳導途徑只有三個，即傳導、對流和輻射。傳統在處理散熱問題皆由傳導和對流方式來解決，因為在一般常溫下，輻射散熱并不明顯，只有在300℃以上輻射的效果才會顯著。輻射散熱是熱不經物體傳導，也不借助液體會氣體捎帶，熱源直接以非線性360°方式傳播到各處的現象。不同與傳統對流，輻射之熱能是以電磁波(全波長)方式釋放出，故高溫物體于低溫環境間無需有物理接觸，兩者間也無需有介質。熱藉由輻射作用從熱源送至被輻射面上，再以熱輻射機制傳至大氣中。輻射散熱：在散熱體上coating輻射納米薄膜，利用波長散熱，輻射散熱公式為prad＝σ·ε·a·t4。斯特藩-玻爾茲曼常數σ＝5.6704×10-8，物體表面放射率ε介于0～1之間，黑體輻射為1，a為面積，散熱效能隨著溫差的四次方輻射出來。目前大多數散熱裝置技術是使用散熱鰭管或散熱鰭片，大部分均是以銅合金或鋁質片材料制成，借著內部冷卻水循環帶走熱量或藉由風扇加速散熱效果。然而傳統散熱鰭管或散熱鰭片，效率與空間要求搭配等技術能力均仍明顯不足。
技術實現要素：
針對現有技術中的缺陷，本發明目的在于提供一種奈米材料及其制備方法與應用，以提高奈米材料的快速交換冷熱的功能，可廣泛應用于制備散熱裝置的表面涂層；奈米材料可以采用簡單的噴涂、涂抹或浸泡等方式達到涂層的目的，不但可完全取代昂貴的真空鍍膜與解決3d曲面問題，其鍍膜特性也非常優異。
為實現上述目的，本發明提供的技術方案為：
第一方面，本發明提供了一種奈米材料，奈米材料的原料組分按重量份計，包括：高分子樹脂40～50重量份、溶劑25～30重量份、二氧化鈦10～12重量份、二氧化矽6～8重量份、矽基復方15～20重量份和類鉆碳復方20～25重量份。
在本發明的進一步實施方式中，高分子樹脂的原料組分按重量份計，包括丙烯酸酯有機硅15～20重量份、水性環氧改性樹脂20～30重量份、聚氯乙烯樹脂5～10重量份、三羥基甲基丙烷三甲基丙烯酸酯2～4重量份和2-丙烯酸十二烷基酯7～9重量份。需要說明的是，本發明采用的聚氯乙烯樹脂，其聚合度優選為800～1000。
在本發明的進一步實施方式中，丙烯酸酯有機硅是由丙烯酸和/或丙烯酸酯單體、功能基聚硅氧烷、有機硅單體經乳液聚合而得；其中，丙烯酸和/或丙烯酸酯單體、功能基聚硅氧烷、有機硅單體的質量比為(25～30):(12～15):1。
在本發明的進一步實施方式中，丙烯酸和/丙烯酸酯單體包括甲基丙烯酸甲基、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸和甲基丙烯酸中的一種或多種；功能基聚硅氧烷包括乙烯基封端聚二甲基硅氧烷和/或羥基封端聚二甲基硅氧烷；有機硅單體包括乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、甲基乙烯基二甲氧基硅烷、甲基乙烯基二乙氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧丙基三乙氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧丙基甲基二甲氧基硅烷和γ-甲基丙烯酰氧丙基甲基二乙氧基硅烷中的一種或多種。
在本發明的進一步實施方式中，水性環氧改性樹脂的制備方法包括如下步驟：在環氧樹脂e-51中加入單體和引發劑，72～80℃下反應7～8h，得到改性水性環氧樹脂；其中，單體為α-甲基丙烯酸，引發劑為過硫酸鉀，環氧樹脂、單體和引發劑的質量比為(220～250):100:(1.5～1.8)。
在本發明的進一步實施方式中，類鉆碳復方的原料組分按重量份計，包括：碳40～45重量份、硅15～18重量份和鍺22～25重量份。
在本發明的進一步實施方式中，矽基復方的原料組分按重量份計，包括：碳酸矽10～15重量份、矽酸鉀20～30重量份、碳化矽16～20重量份和氮化矽8～10重量份。
在本發明的進一步實施方式中，溶劑的原料組分按重量份計，包括：水20～30重量份、戊烷15～20重量份、3-甲基-1-丁醇6～9重量份和乙酸丁酯12～15重量份。
第二方面，本發明提供了奈米材料的制備方法，包括如下步驟：將所有原料組分分散均勻，調節ph值至4.5～4.8，然后從室溫以2～3℃/min的升溫速率升至55～60℃，保溫60～70min；然后調節ph值至7.2～7.4，再以1.5～2℃/min的升溫速率升至80～95℃，保溫30～40min；接著以1～2℃/min的降溫速率降至室溫，得到奈米材料。需要說明的是，本發明所述的室溫是指15～30℃。
第三方面，本發明提供了奈米材料在制備散熱裝置表面涂層中的應用。
本發明提供的技術方案，具有如下的有益效果：(1)本發明提供的奈米材料，具有快速交換冷熱的功能，可廣泛應用于制備散熱裝置的表面涂層；(2)本發明提供的奈米材料，采用簡單的噴涂、涂抹或浸泡等方式達到涂層的目的，不但可完全取代昂貴的真空鍍膜與解決3d曲面問題，其鍍膜特性也非常優異；(3)本發明提供的奈米材料，導熱系數高，涂在外表面，可以高效散熱，涂在內表面，可以高效聚熱；(4)本發明提供的奈米材料的制備方法簡單，生產成本低。
本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例，對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發明的技術方案，因此只是作為示例，而不能以此來限制本發明的保護范圍。
下述實施例中的實驗方法，如無特殊說明，均為常規方法。下述實施例中所用的試驗材料，如無特殊說明，均為自常規商店購買得到的。以下實施例中的定量試驗，均設置三次重復實驗，數據為三次重復實驗的平均值或平均值±標準差。
本發明提供一種奈米材料，奈米材料的原料組分按重量份計，包括：高分子樹脂40～50重量份、溶劑25～30重量份、二氧化鈦10～12重量份、二氧化矽6～8重量份、矽基復方15～20重量份和類鉆碳復方20～25重量份。
優選地，高分子樹脂的原料組分按重量份計，包括丙烯酸酯有機硅15～20重量份、水性環氧改性樹脂20～30重量份、聚氯乙烯樹脂5～10重量份、三羥基甲基丙烷三甲基丙烯酸酯2～4重量份和2-丙烯酸十二烷基酯7～9重量份。
優選地，丙烯酸酯有機硅是由丙烯酸和/或丙烯酸酯單體、功能基聚硅氧烷、有機硅單體經乳液聚合而得；其中，丙烯酸和/或丙烯酸酯單體、功能基聚硅氧烷、有機硅單體的質量比為(25～30):(12～15):1；丙烯酸和/丙烯酸酯單體包括甲基丙烯酸甲基、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸和甲基丙烯酸中的一種或多種；功能基聚硅氧烷包括乙烯基封端聚二甲基硅氧烷和/或羥基封端聚二甲基硅氧烷；有機硅單體包括乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、甲基乙烯基二甲氧基硅烷、甲基乙烯基二乙氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧丙基三乙氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧丙基甲基二甲氧基硅烷和γ-甲基丙烯酰氧丙基甲基二乙氧基硅烷中的一種或多種。
優選地，水性環氧改性樹脂的制備方法包括如下步驟：在環氧樹脂e-51中加入單體和引發劑，72～80℃下反應7～8h，得到改性水性環氧樹脂；其中，單體為α-甲基丙烯酸，引發劑為過硫酸鉀，環氧樹脂、單體和引發劑的質量比為(220～250):100:(1.5～1.8)。
優選地，類鉆碳復方的原料組分按重量份計，包括：碳40～45重量份、硅15～18重量份和鍺22～25重量份。
優選地，矽基復方的原料組分按重量份計，包括：碳酸矽10～15重量份、矽酸鉀20～30重量份、碳化矽16～20重量份和氮化矽8～10重量份。
優選地，溶劑的原料組分按重量份計，包括：水20～30重量份、戊烷15～20重量份、3-甲基-1-丁醇6～9重量份和乙酸丁酯12～15重量份。
另外，本發明還提供了上述奈米材料的制備方法，包括如下步驟：
將所有原料組分分散均勻，調節ph值至4.5～4.8，然后從室溫以2～3℃/min的升溫速率升至55～60℃，保溫60～70min；然后調節ph值至7.2～7.4，再以1.5～2℃/min的升溫速率升至80～95℃，保溫30～40min；接著以1～2℃/min的降溫速率降至室溫，得到奈米材料。
下面結合具體實施例對本發明提供的奈米材料及其制備方法作進一步說明。
實施例一
本實施例提供一種奈米材料，原料組分按重量份計，包括：高分子樹脂40重量份、溶劑30重量份、二氧化鈦10重量份、二氧化矽8重量份、矽基復方15重量份和類鉆碳復方25重量份；
其中，高分子樹脂的原料組分按重量份計，包括丙烯酸酯有機硅15重量份、水性環氧改性樹脂30重量份、聚氯乙烯樹脂5重量份、三羥基甲基丙烷三甲基丙烯酸酯4重量份和2-丙烯酸十二烷基酯7重量份；丙烯酸酯有機硅是由甲基丙烯酸甲基(丙烯酸單體)、乙烯基封端聚二甲基硅氧烷(功能基聚硅氧烷)、乙烯基三甲氧基硅烷(有機硅單體)以25:12:1的質量比乳液聚合而得；水性環氧改性樹脂的制備方法包括如下步驟：在環氧樹脂e-51中加入單體和引發劑，72℃下反應7h，得到改性水性環氧樹脂；其中，單體為α-甲基丙烯酸，引發劑為過硫酸鉀，環氧樹脂、單體和引發劑的質量比為220:100:1.5；
類鉆碳復方的原料組分按重量份計，包括：碳40重量份、硅18重量份和鍺22重量份；
矽基復方的原料組分按重量份計，包括：碳酸矽10重量份、矽酸鉀30重量份、碳化矽20重量份和氮化矽8重量份；
溶劑的原料組分按重量份計，包括：水20重量份、戊烷20重量份、3-甲基-1-丁醇6重量份和乙酸丁酯15重量份。
按上述的原料，采用本發明提供的奈米材料的制備方法，制備奈米材料：
將所有原料組分分散均勻，調節ph值至4.5，然后從室溫以2℃/min的升溫速率升至55℃，保溫60min；然后調節ph值至7.2，再以1.5℃/min的升溫速率升至80℃，保溫30min；接著以1℃/min的降溫速率降至室溫，得到奈米材料。
實施例二
本實施例提供一種奈米材料，原料組分按重量份計，包括：高分子樹脂50重量份、溶劑25重量份、二氧化鈦12重量份、二氧化矽6重量份、矽基復方20重量份和類鉆碳復方20重量份；
其中，高分子樹脂的原料組分按重量份計，包括丙烯酸酯有機硅20重量份、水性環氧改性樹脂20重量份、聚氯乙烯樹脂10重量份、三羥基甲基丙烷三甲基丙烯酸酯2重量份和2-丙烯酸十二烷基酯9重量份；丙烯酸酯有機硅是由甲基丙烯酸甲基(丙烯酸單體)、乙烯基封端聚二甲基硅氧烷(功能基聚硅氧烷)、乙烯基三甲氧基硅烷(有機硅單體)以30:15:1的質量比乳液聚合而得；水性環氧改性樹脂的制備方法包括如下步驟：在環氧樹脂e-51中加入單體和引發劑，80℃下反應8h，得到改性水性環氧樹脂；其中，單體為α-甲基丙烯酸，引發劑為過硫酸鉀，環氧樹脂、單體和引發劑的質量比為250:100:1.8；
類鉆碳復方的原料組分按重量份計，包括：碳45重量份、硅15重量份和鍺25重量份；
矽基復方的原料組分按重量份計，包括：碳酸矽15重量份、矽酸鉀20重量份、碳化矽16重量份和氮化矽10重量份；
溶劑的原料組分按重量份計，包括：水30重量份、戊烷15重量份、3-甲基-1-丁醇9重量份和乙酸丁酯12重量份。
按上述的原料，采用本發明提供的奈米材料的制備方法，制備奈米材料：
將所有原料組分分散均勻，調節ph值至4.8，然后從室溫以3℃/min的升溫速率升至60℃，保溫70min；然后調節ph值至7.4，再以2℃/min的升溫速率升至95℃，保溫40min；接著以2℃/min的降溫速率降至室溫，得到奈米材料。
實施例三
本實施例提供一種奈米材料，原料組分按重量份計，包括：高分子樹脂45重量份、溶劑28重量份、二氧化鈦11重量份、二氧化矽7重量份、矽基復方17重量份和類鉆碳復方22重量份；
其中，高分子樹脂的原料組分按重量份計，包括丙烯酸酯有機硅19重量份、水性環氧改性樹脂24重量份、聚氯乙烯樹脂8重量份、三羥基甲基丙烷三甲基丙烯酸酯3重量份和2-丙烯酸十二烷基酯8重量份；丙烯酸酯有機硅是由甲基丙烯酸甲基(丙烯酸單體)、乙烯基封端聚二甲基硅氧烷(功能基聚硅氧烷)、乙烯基三甲氧基硅烷(有機硅單體)以28:14:1的質量比乳液聚合而得；水性環氧改性樹脂的制備方法包括如下步驟：在環氧樹脂e-51中加入單體和引發劑，75℃下反應7.5h，得到改性水性環氧樹脂；其中，單體為α-甲基丙烯酸，引發劑為過硫酸鉀，環氧樹脂、單體和引發劑的質量比為235:100:1.7；
類鉆碳復方的原料組分按重量份計，包括：碳42重量份、硅16重量份和鍺24重量份；
矽基復方的原料組分按重量份計，包括：碳酸矽12重量份、矽酸鉀25重量份、碳化矽18重量份和氮化矽9重量份；
溶劑的原料組分按重量份計，包括：水25重量份、戊烷18重量份、3-甲基-1-丁醇7重量份和乙酸丁酯14重量份。
按上述的原料，采用本發明提供的奈米材料的制備方法，制備奈米材料：
將所有原料組分分散均勻，調節ph值至4.6，然后從室溫以2.5℃/min的升溫速率升至58℃，保溫65min；然后調節ph值至7.3，再以1.8℃/min的升溫速率升至85℃，保溫36min；接著以1.5℃/min的降溫速率降至室溫，得到奈米材料。
對比例一
本對比例提供一種奈米材料，原料組分按重量份計，包括：高分子樹脂45重量份、溶劑28重量份、二氧化鈦11重量份、二氧化矽7重量份、矽基復方17重量份和類鉆碳復方22重量份；
其中，高分子樹脂的原料組分按重量份計，包括丙烯酸酯有機硅19重量份、聚氯乙烯樹脂8重量份、三羥基甲基丙烷三甲基丙烯酸酯3重量份和2-丙烯酸十二烷基酯8重量份；丙烯酸酯有機硅是由甲基丙烯酸甲基(丙烯酸單體)、乙烯基封端聚二甲基硅氧烷(功能基聚硅氧烷)、乙烯基三甲氧基硅烷(有機硅單體)以28:14:1的質量比乳液聚合而得；
類鉆碳復方的原料組分按重量份計，包括：碳42重量份、硅16重量份和鍺24重量份；
矽基復方的原料組分按重量份計，包括：碳酸矽12重量份、矽酸鉀25重量份、碳化矽18重量份和氮化矽9重量份；
溶劑的原料組分按重量份計，包括：水25重量份、戊烷18重量份、3-甲基-1-丁醇7重量份和乙酸丁酯14重量份。
按上述的原料，采用本發明提供的奈米材料的制備方法，制備奈米材料：
將所有原料組分分散均勻，調節ph值至4.6，然后從室溫以2.5℃/min的升溫速率升至58℃，保溫65min；然后調節ph值至7.3，再以1.8℃/min的升溫速率升至85℃，保溫36min；接著以1.5℃/min的降溫速率降至室溫，得到奈米材料。
對比例二
本對比例提供一種奈米材料，原料組分按重量份計，包括：高分子樹脂45重量份、溶劑28重量份、二氧化鈦11重量份、二氧化矽7重量份、矽基復方17重量份和類鉆碳復方22重量份；
其中，高分子樹脂的原料組分按重量份計，包括水性環氧改性樹脂24重量份、聚氯乙烯樹脂8重量份、三羥基甲基丙烷三甲基丙烯酸酯3重量份和2-丙烯酸十二烷基酯8重量份；水性環氧改性樹脂的制備方法包括如下步驟：在環氧樹脂e-51中加入單體和引發劑，75℃下反應7.5h，得到改性水性環氧樹脂；其中，單體為α-甲基丙烯酸，引發劑為過硫酸鉀，環氧樹脂、單體和引發劑的質量比為235:100:1.7；
類鉆碳復方的原料組分按重量份計，包括：碳42重量份、硅16重量份和鍺24重量份；
矽基復方的原料組分按重量份計，包括：碳酸矽12重量份、矽酸鉀25重量份、碳化矽18重量份和氮化矽9重量份；
溶劑的原料組分按重量份計，包括：水25重量份、戊烷18重量份、3-甲基-1-丁醇7重量份和乙酸丁酯14重量份。
按上述的原料，采用本發明提供的奈米材料的制備方法，制備奈米材料：
將所有原料組分分散均勻，調節ph值至4.6，然后從室溫以2.5℃/min的升溫速率升至58℃，保溫65min；然后調節ph值至7.3，再以1.8℃/min的升溫速率升至85℃，保溫36min；接著以1.5℃/min的降溫速率降至室溫，得到奈米材料。
對比例三
本對比例提供一種奈米材料，原料組分按重量份計，包括：高分子樹脂45重量份、溶劑28重量份、二氧化鈦11重量份、二氧化矽7重量份、矽基復方17重量份和類鉆碳復方22重量份；
其中，高分子樹脂的原料組分按重量份計，包括丙烯酸酯有機硅19重量份、水性環氧改性樹脂24重量份、聚氯乙烯樹脂8重量份、三羥基甲基丙烷三甲基丙烯酸酯3重量份和2-丙烯酸十二烷基酯8重量份；丙烯酸酯有機硅是由甲基丙烯酸甲基(丙烯酸單體)、乙烯基封端聚二甲基硅氧烷(功能基聚硅氧烷)、乙烯基三甲氧基硅烷(有機硅單體)以28:14:1的質量比乳液聚合而得；水性環氧改性樹脂的制備方法包括如下步驟：在環氧樹脂e-51中加入單體和引發劑，75℃下反應7.5h，得到改性水性環氧樹脂；其中，單體為α-甲基丙烯酸，引發劑為過硫酸鉀，環氧樹脂、單體和引發劑的質量比為235:100:1.7；
類鉆碳復方的原料組分按重量份計，包括：碳42重量份、硅16重量份和鍺24重量份；
矽基復方的原料組分按重量份計，包括：碳酸矽12重量份、矽酸鉀25重量份和氮化矽9重量份；
溶劑的原料組分按重量份計，包括：水25重量份、戊烷18重量份、3-甲基-1-丁醇7重量份和乙酸丁酯14重量份。
按上述的原料，采用本發明提供的奈米材料的制備方法，制備奈米材料：
將所有原料組分分散均勻，調節ph值至4.6，然后從室溫以2.5℃/min的升溫速率升至58℃，保溫65min；然后調節ph值至7.3，再以1.8℃/min的升溫速率升至85℃，保溫36min；接著以1.5℃/min的降溫速率降至室溫，得到奈米材料。
將本發明實施例一至實施例三制備得到的奈米材料，通過功能學試驗來系統評價其效果，并以對比例一至對比例三制備得到的奈米材料作為對比。
1、熱傳導系數
對本發明實施例一至實施例三、對比例一至對比例三制備得到的奈米材料分別進行熱傳導系數(27℃，300k)的測定，并測定增石材、六方氮化硼奈米材、碳化矽、氮化鋁、氧化鈹、石墨xy(平面)、氧化鋁、矽晶片、矽、鋁、金、銅、銀的熱傳導系數(27℃，300k)。具體測定結果如下表1所示。
表1熱傳導系數比較結果表
2、奈米材料性能
將本發明實施例一至實施例三、對比例一至對比例三制備得到的奈米材料制成納米薄膜，其中透明納米薄膜的厚度為3～5μm，有色納米薄膜的厚度為13～15μm，對其性能進行測定，具體見下表2所示。
表2奈米材料性能比較結果表
需要說明的是，除了上述實施例一至實施例三列舉的情況，選用其他的原料組分配比及其制備方法參數也是可行的。
本發明提供的技術方案，具有如下的有益效果：(1)本發明提供的奈米材料，具有快速冷熱交換的功能，可廣泛應用于制備散熱裝置的表面涂層；(2)本發明提供的奈米材料，采用簡單的噴涂、涂抹或浸泡等方式達到涂層的目的，不但可完全取代昂貴的真空鍍膜與解決3d曲面問題，其鍍膜特性也非常優異；(3)本發明提供的奈米材料，導熱系數高，涂在外表面，可以高效散熱，涂在內表面，可以高效聚熱；(4)本發明提供的奈米材料的制備方法簡單，生產成本低。
需要注意的是，除非另有說明，本申請使用的技術術語或者科學術語應當為本發明所屬領域技術人員所理解的通常意義。除非另外具體說明，否則在這些實施例中闡述的部件和步驟的相對步驟、數字表達式和數值并不限制本發明的范圍。在這里示出和描述的所有示例中，除非另有規定，任何具體值應被解釋為僅僅是示例性的，而不是作為限制，因此，示例性實施例的其他示例可以具有不同的值。
在本發明的描述中，需要理解的是，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。在本發明的描述中，“多個”的含義是兩個以上，除非另有明確具體的限定。
最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍，其均應涵蓋在本發明的保護范圍當中。