CN103450857A - 一种导热率可控的复合石墨导热膜材料及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种导热率可控的复合石墨导热膜材料及其制备工艺，属于导热散热材料技术领域。本发明通过调配导热膜中高定向石墨膜与膨胀石墨的比例，开发出导热率在400～1200W/m·K可控的复合石墨导热膜。该导热膜热传导性能可控，成本低廉，机械性能及再加工性能良好，薄膜厚度5～50微米之间，可满足多种工况条件下热传导要求。
Description
技术领域
本发明属于导热散热材料技术领域，尤其涉及石墨导热膜领域。
背景技术
电子工业、核工业、新能源、通信、化工等诸多领域中，设备运转过程中产生的热量如不能及时散失，则将会影响设备的稳定性、寿命及安全性。
目前传统的散热方式是在需散热部件上装上铜板或铝板，进而采用叶片或风扇散热。随着工业设备向小型化、集成化发展，要求散热系统要高效、小型、轻质、稳定。传统以铝、铜为代表的金属导热材料，已难以满足现代工业的散热要求。
碳材料时代的来临,众多碳材料的应用层出不穷，其中石墨膜材料凭借其极高的导热率、轻薄等特点深受电子产品的青睐。随着智能手机、平板电脑市场的推新换代，导热石墨膜的市场需求逐步上升。
目前商业化应用的导热石墨膜材料主要用两种，一种是高分子膜经热解石墨化后形成的高定向石墨膜；另一种是膨胀石墨碾压后得到石墨膜。高温热解形成的高定向石墨膜，导热率可达2000 W/m·K，但成本偏高且可加工性能也有待于提高，目前仅应用高端电子产品；膨胀石墨碾压成的石墨膜，导热率在500~800 W/m·K之间，其热传导性能低于高定向石墨膜，但比传统铝铜材料已有较大程度提升，由于其成本较低，已广泛的应用于各类产品中。
目前，针对两类石墨膜所存在问题已存在较多的有益尝试。例如专利[CN101193837A]中在石墨膜表面涂覆有一层低于100nm的金属层来增强石墨膜的表面，防止颗粒脱落；专利[CN202439289U]中采用石墨纤维织物来获得大面积高导热石墨膜，增强石墨膜的机械拉伸性能，这些专利均限于某类石墨膜的改性与提高工作，尚不能从根本上改变或解决导热石墨膜行业中高导热高成本、低成本低性能的产品局面。
两类石墨膜性能与成本之间的两极分化限定了其应用范围，不利于导热石墨膜产品在众多行业中大规模、多层次的使用。如能结合两类石墨膜的特点，取长补短，开发兼顾成本与性能之间的中间产品，可大大拓展导热石墨膜在新的应用领域。
基于两类石墨膜的特点，通过调配石墨膜的成分比例，实现石墨膜导热性能与成本的调控，开发出可适应多种工状条件的导热石墨膜，是本专利解决的主要问题。
发明内容
本发明提供一种导热率可控的复合石墨导热膜材料及其制备工艺，提供一种将膨胀石墨与高定向热解石墨两者相结合的散热膜材料，该材料具有热导率可控、成本可控、易加工等特点，应用于导热散热领域。
一种导热率可控的复合石墨导热膜材料，其由特定类高分子材料石墨膜化形成的高定向石墨和膨胀石墨组成，导热率在400~1200W/m·K之间可控。
高定向石墨膜由聚丙烯腈、聚苯、聚砜酰胺、聚酰亚胺、聚芳醚酮、中间相沥青等易石墨化材料石墨化后制得。
膨胀石墨均匀分散于复合石墨膜中，其质量分数在30~80%之间，高定向石墨的质量分数在10~30%，膨胀石墨与高定向石墨的比例决定复合石墨膜的导热率。
一种导热率可控的复合石墨导热膜材料，其导热结构为高定向石墨充当平面导热骨架，膨胀石墨填充其中提高薄膜的纵向传热性能。
一种导热率可控的复合石墨导热膜材料，其厚度在5微米到50微米之间，厚度优选为10微米到25微米之间。
一种导热率可控的复合石墨导热膜材料的制备工艺，按一定比例将膨胀石墨均匀分散于特定类高分子材料的聚合物中，经碾压、烘干、石墨化、碾压过程后制得具有高定向石墨与膨胀石墨复合结构的导热石墨膜材料。其中特定类高分子材料是聚丙烯腈、聚苯、聚砜酰胺、聚酰亚胺、聚芳醚酮、中间相沥青等易石墨化材料。
本发明的优点在于：将膨胀石墨与高定向石墨两者复合，通过调配两者在石墨膜中的比例，可获得不同导热率范围的石墨膜，同时可以改善其机械加工性能，降低导热石墨膜的成本。
附图说明
附图1是本发明一种导热率可控的复合石墨导热膜的骨架结构示意图。
附图2是本发明一种导热率可控的复合石墨导热膜的制备工艺流程图。
具体实施方式
在本发明中，利用高定向石墨与膨胀石墨的复合作用，实现石墨膜热传导性能的可控调节，同时消除石墨导热膜的部分缺陷，降低石墨导热膜的成本。下面结合具体实施例，对本发明做进一步的详细介绍。
具体实施例1：将均苯四甲酸酐和4’4-二氨基二苯醚以摩尔比1：1混合，在低温和氮气条件下缩聚生成聚酰胺酸，将聚酰胺酸作为粘接剂与蠕虫状膨胀石墨以质量比2:8的比例混合，分散均匀和脱除部分溶剂后热压成型，经3~5道碾压工序后复合薄膜厚度在30微米。将复合薄膜在高纯氩气和20MPa压力下，以如下热处理工艺进行热解石墨化：1℃/min速率升温至550℃，保温2小时；2℃/min升温至900℃，恒温2小时；2℃/min速率升温至2400℃，恒温2小时；随炉自然冷却至室温。所制得复合石墨导热膜经碾压紧实后，膜厚度为25±3μm，纵向导热率22W/m·K，横向导热率为930W/m·K。
具体实施例2：采用质量分数50%聚丙烯腈的分散液与膨胀石墨粉混合，聚丙烯腈与膨胀石墨质量比在3：7。采用与具体实例1相同的工艺完成成膜、热处理工艺后，制得复合石墨导热膜厚度20±2μm左右，石墨膜纵向导热率27W/m·K，横向导热率为770W/m·K。
Claims (6)
1.一种导热率可控的复合石墨导热膜材料，其特征在于：石墨膜材料中含有两种石墨结构，一种是特定类高分子材料经热解石墨化形成的高定向石墨，一种是膨胀石墨。
2.权利要求1所述一种导热率可控的复合石墨导热膜材料，其通过调配高定向石墨与膨胀石墨的比例，实现复合石墨导热膜的导热率在400~1200W/m·K之间可控。
3.权利要求1所述一种导热率可控的复合石墨导热膜材料，其膨胀石墨与高定向石墨比例在0.1~9之间。
4.权利要求1所述一种导热率可控的复合石墨导热膜材料，其导热结构为高定向石墨充当导热骨架，膨胀石墨填充其中，形成一种三维高效导热结构。
5.高定向石墨由特定类高分子材料石墨化后获得，特定类高分子材料包括聚丙烯腈、聚苯、聚砜酰胺、聚酰亚胺薄膜、聚芳醚酮、中间相沥青。
6.一种导热率可控的复合石墨导热膜材料制备工艺，其特征在于利用特定类高分子材料的聚合物作为粘接剂，与膨胀石墨按特定比例混合后碾压成薄膜，再依次经历烘干、热解和石墨化后制得复合石墨导热膜。
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