CN103489836A - 基于高密度石墨烯的散热器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供基于高密度石墨烯的散热器，包括支架和高密度石墨烯板材制作的底座，所述支架包裹在所述底座的外侧；在所述底座上设置若干根立柱；在所述立柱上套有多层铝片，铝片是粘接在所述立柱上的。克服了金属材料表面粗糙与散热表面接触不良的缺点，根据客户的要求可以将石墨烯板材上部车削成柱状或者单粒状等各种形状的立柱，立柱之间的空隙为散热器通风道，在立柱上套有多层铝片，增加了散热面积，实现散热器横向与纵向两个方向的散热，散热效率是现有散热器的2-3倍。

Description

基于高密度石墨烯的散热器及其制备方法
技术领域
本发明创造涉及一种电子散热器，特别涉及一种高强度石墨烯散热材料的散热器。
背景技术
目前集成电路技术的快速发展，导致各种电子器件和产品的体积越来越小，集成器件周围的热流密度越来越大，以计算机CPU为例，其运行过程中产生的热流密度已经达到60-100W/cm2，半导体激光器中甚至达到103W/cm2数量级。另一方面，电子器件工作的可靠性对温度却十分敏感，器件温度在70-80℃水平上每增加1℃，可靠性就会下降5%。较高的温度水平已日益成为制约电子器件性能的瓶颈，而高效电子器件的温度控制目前已经成为一个研究热点。
目前常用的散热器多采用金属材料，金属材料具有良好的热传导能力，但金属材料的热容较小，碳、石墨材料也具有良好的热传导特性，同样存在热容较小的缺陷。普通风冷散热器选择的散热器材质一般是铝和铜，铜的热导率高，可以迅速将发热器件的热量传导出来，但铜的热容很小，如果风冷效率不足，铜材的温度将会升高较快，形成的温差较小，热传导速度将下降，从而达不到CPU超频的目的，而且铜的密度较大，比较笨重和贵重；铝材的热导率低于铜，但密度较小，热容比铜稍大，但纯铝性软，需加工成铝合金，散热性能将大打折扣。金属材料表面一般是硬质表面，而且粗糙，与散热表面接触不良，也会造成热量传递的不可控因素。
发明内容
本发明创造要解决的问题是提供一种基于高密度石墨烯的散热器，克服了金属材料表面粗糙与散热表面接触不良的缺点，充分利用了石墨烯的平面导热率高的特点，而且重量轻、热阻小、表面进行平整加工较容易，硬度强。
为解决上述技术问题，本发明创造采用的技术方案是：基于高密度石墨烯的散热器，包括支架和高密度石墨烯板材制作的底座，所述支架包裹在所述底座的外侧；在所述底座上设置若干根立柱；在所述立柱上套有多层铝片。
进一步，所述铝片是粘接在所述立柱上的。
一种制作基于高密度石墨烯的散热器的方法，高密度石墨烯包括如下原料经混合制备得到：
石墨烯：70-99份；
石墨纤维：5-25份；
粘合剂：2-3份；
上述份数为重量份数，以上各原料重量份数之和是100份；
高密度石墨烯的底座的制作步骤如下：
1）热压烧结：混合的石墨烯、石墨纤维和粘合剂在温度是800-2000℃、压力是300-700㎏/㎝2的条件下热压烧结形成石墨烯板材；
2）车削：在石墨烯板材表面车削出多根立柱，制成底座；
3）封装：使用气象悬浮法在温度是500-1200℃的条件下，使用封装材料封装步骤2）中得到的底座，其中封装材料是石墨烯、碳纤维、碳化硅、铜粉、银粉中的一种或几种；并且封装膜的厚度是1μm-12μm。
作为上述制备方法的一种优选方案，高密度石墨烯包括如下原料经混合制备得到：
石墨烯：73-90份；
石墨纤维：7-17.5份；
粘合剂：2.5份；
上述份数为重量份数，以上各原料重量份数之和是100份；
高密度石墨烯的底座的制作步骤如下：
1）热压烧结：混合的石墨烯、石墨纤维和粘合剂在温度是800-2000℃、压力是300-700㎏/㎝2的条件下热压烧结形成石墨烯板材；
2）车削：在石墨烯板材表面车削出多根立柱，制成底座；
3）封装：使用气象悬浮法在温度是500-1200℃的条件下，使用封装材料封装步骤2）中得到的底座，其中封装材料是石墨烯、碳纤维、碳化硅、铜粉、银粉中的一种或几种；并且封装膜的厚度是3μm-10μm。
作为上述制备方法的一种优选方案，高密度石墨烯包括如下原料经混合制备得到：石墨烯：80份；石墨纤维：17.5份；粘合剂：2.5份；
高密度石墨烯的底座的制作步骤如下：
1）热压烧结：混合的石墨烯、石墨纤维和粘合剂在温度是800-2000℃、压力是300-700㎏/㎝2的条件下热压烧结形成石墨烯板材；
2）车削：在石墨烯板材表面车削出多根立柱，制成底座；
3）封装：使用气象悬浮法在温度是500-1200℃的条件下，使用封装材料封装步骤2）中得到的底座，其中封装材料是石墨烯、碳纤维、碳化硅、铜粉、银粉中的一种或几种；并且封装膜的厚度是6μm-8μm。
进一步，所述石墨烯的粒径在1μm-15μm之间；所述粘合剂是环氧基粘合剂或丙烯酸基粘合剂。
进一步，所述环氧基粘合剂是环氧基树脂，所述丙烯酸基粘合剂是丙烯酸基树脂。
基于高密度石墨烯的散热器应用在任何手提、便携、电子设备、云计算服务器及高功率发热电子设备。
本发明创造具有的优点和积极效果是：本发明采用石墨烯作为散热器的主要材料，是因为石墨烯的导热系数可高达5300W/m·K。将原料石墨烯和石墨纤维通过热压烧结形成密度是1.65-2.25g/cm3的石墨烯板材。根据客户的要求可以将石墨烯板材上部车削成柱状或者单粒状等各种形状的立柱，立柱之间的空隙为散热器通风道，在立柱上套有多层铝片，增加了散热面积，实现散热器横向与纵向两个方向的散热，散热效率是现有散热器的2-3倍。采用石墨烯、碳纤维、碳化硅、铜粉、银粉中的一种或几种封装散热器后不掉粉末。电子元件热点通过与散热器底座平面接触，利用散热器本身导热的方向性迅速将热点传导到散热鳍片上进行散热，散热器最佳导热方向上的导热系数可达到1200-1500W/m·K。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的主视图。
图中：1、支架     2、立柱     3、铝片    4、底座
具体实施方式
结合以下实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
基于高密度石墨烯的散热器，包括支架1和高密度石墨烯板材制作的底座4，所述支架1包裹在所述底座4的外侧；在所述底座4上设置若干根立柱2；在所述立柱2上套有多层铝片3。所述铝片3是粘接在所述立柱2上的。高密度石墨烯包括如下原料经混合制备得到：石墨烯：70-99份；石墨纤维：5-25份；粘合剂：2-3份；上述份数为重量份数，以上各原料重量份数之和是100份；
高密度石墨烯的底座4的制作步骤如下：
1）热压烧结：混合的石墨烯、石墨纤维和粘合剂在温度是800-2000℃、压力是300-700㎏/㎝2的条件下热压烧结形成石墨烯板材；石墨烯的粒径选择在1μm-15μm之间；粘合剂是环氧基粘合剂或丙烯酸基粘合剂，环氧基粘合剂是环氧基树脂，丙烯酸基粘合剂是丙烯酸基树脂；
2）车削：在石墨烯板材表面车削出多根立柱2，制成底座4；
3）封装：使用气象悬浮法在温度是500-1200℃的条件下，使用封装材料封装步骤2）中得到的底座4，其中封装材料是石墨烯、碳纤维、碳化硅、铜粉、银粉中的一种或几种；并且封装膜的厚度是12μm。
实施例2
基于高密度石墨烯的散热器，包括支架1和高密度石墨烯板材制作的底座4，所述支架1包裹在所述底座4的外侧；在所述底座4上设置若干根立柱2；在所述立柱2上套有多层铝片3。所述铝片3是粘接在所述立柱2上的。高密度石墨烯包括如下原料经混合制备得到：石墨烯：73-90份；石墨纤维：7-17.5份；粘合剂：2.5份；上述份数为重量份数，以上各原料重量份数之和是100份；
高密度石墨烯的底座4的制作步骤如下：
1）热压烧结：混合的石墨烯、石墨纤维和粘合剂在温度是800-2000℃、压力是300-700㎏/㎝2的条件下热压烧结形成石墨烯板材；石墨烯的粒径选择在1μm-15μm之间；粘合剂是环氧基粘合剂或丙烯酸基粘合剂，环氧基粘合剂是环氧基树脂，丙烯酸基粘合剂是丙烯酸基树脂；
2）车削：在石墨烯板材表面车削出多根立柱2，制成底座4；
3）封装：使用气象悬浮法在温度是500-1200℃的条件下，使用封装材料封装步骤2）中得到的底座4，其中封装材料是石墨烯、碳纤维、碳化硅、铜粉、银粉中的一种或几种；并且封装膜的厚度是3μm。
实施例3
基于高密度石墨烯的散热器，包括支架1和高密度石墨烯板材制作的底座4，所述支架1包裹在所述底座4的外侧；在所述底座4上设置若干根立柱2；在所述立柱2上套有多层铝片3。所述铝片3是粘接在所述立柱2上的。高密度石墨烯包括如下原料经混合制备得到：石墨烯：80份；石墨纤维：17.5份；粘合剂：2.5份；上述份数为重量份数，以上各原料重量份数之和是100份；
高密度石墨烯的底座4的制作步骤如下：
1）热压烧结：混合的石墨烯、石墨纤维和粘合剂在温度是800-2000℃、压力是300-700㎏/㎝2的条件下热压烧结形成石墨烯板材；石墨烯的粒径选择在1μm-15μm之间；粘合剂是环氧基粘合剂或丙烯酸基粘合剂，环氧基粘合剂是环氧基树脂，丙烯酸基粘合剂是丙烯酸基树脂；
2）车削：在石墨烯板材表面车削出多根立柱2，制成底座4；
3）封装：使用气象悬浮法在温度是500-1200℃的条件下，使用封装材料封装步骤2）中得到的底座4，其中封装材料是石墨烯、碳纤维、碳化硅、铜粉、银粉中的一种或几种；并且封装膜的厚度是6μm。
实施例4
基于高密度石墨烯的散热器，包括支架1和高密度石墨烯板材制作的底座4，所述支架1包裹在所述底座4的外侧；在所述底座4上设置若干根立柱2；在所述立柱2上套有多层铝片3。所述铝片3是粘接在所述立柱2上的。高密度石墨烯包括如下原料经混合制备得到：石墨烯：80份；石墨纤维：17.5份；粘合剂：2.5份；上述份数为重量份数，以上各原料重量份数之和是100份；
高密度石墨烯的底座4的制作步骤如下：
1）热压烧结：混合的石墨烯、石墨纤维和粘合剂在温度是800-2000℃、压力是300-700㎏/㎝2的条件下热压烧结形成石墨烯板材；石墨烯的粒径选择在1μm-15μm之间；粘合剂是环氧基粘合剂或丙烯酸基粘合剂，环氧基粘合剂是环氧基树脂，丙烯酸基粘合剂是丙烯酸基树脂；
2）车削：在石墨烯板材表面车削出多根立柱2，制成底座4；
3）封装：使用气象悬浮法在温度是500-1200℃的条件下，使用封装材料封装步骤2）中得到的底座4，其中封装材料是石墨烯、碳纤维、碳化硅、铜粉、银粉中的一种或几种；并且封装膜的厚度是8μm。
对比试验：
组装的散热器底座面积为15cm2，按照同样的方式组装铝片散热器，铝片底座采用精密磨床打磨。铝板的导热率为186W/mK。采用自制的散热效果装置测试，测试方法为：测试装置中有一面为铜质光滑放热面，其他面均为绝热面，热流采用加热的纯净水，水流压头和流量进行控制，将散热器的底座分别与装置的放热面通过装配螺栓紧密接触，定流量给装置通水，测量在规定的时间内（5分钟）装置的进出口水流温差，温差代表散热器的散热能力。测试结果如下：

Claims (8)

1.基于高密度石墨烯的散热器，其特征在于：包括支架（1）和高密度石墨烯板材制作的底座（4），所述支架（1）包裹在所述底座（4）的外侧；在所述底座（4）上设置若干根立柱（2）；在所述立柱（2）上套有多层铝片（3）。
2.根据权利要求1所述的基于高密度石墨烯的散热器，其特征在于：所述铝片（3）是粘接在所述立柱（2）上的。
3.制作如权利要求1或2所述的基于高密度石墨烯的散热器的方法，其特征在于：高密度石墨烯包括如下原料经混合制备得到：
石墨烯：70-99份；
石墨纤维：5-25份；
粘合剂：2-3份；
上述份数为重量份数，以上各原料重量份数之和是100份；
高密度石墨烯的底座（4）的制作步骤如下：
1）热压烧结：混合的石墨烯、石墨纤维和粘合剂在温度是800-2000℃、压力是300-700㎏/㎝2的条件下热压烧结形成石墨烯板材；
2）车削：在石墨烯板材表面车削出多根立柱（2），制成底座（4）；
3）封装：使用气象悬浮法在温度是500-1200℃的条件下，使用封装材料封装步骤2）中得到的底座（4），其中封装材料是石墨烯、碳纤维、碳化硅、铜粉、银粉中的一种或几种；并且封装膜的厚度是1μm-12μm。
4.制作如权利要求1或2所述的基于高密度石墨烯的散热器的方法，其特征在于：高密度石墨烯包括如下原料经混合制备得到：
石墨烯：73-90份；
石墨纤维：7-17.5份；
粘合剂：2.5份；
上述份数为重量份数，以上各原料重量份数之和是100份；
高密度石墨烯的底座（4）的制作步骤如下：
1）热压烧结：混合的石墨烯、石墨纤维和粘合剂在温度是800-2000℃、压力是300-700㎏/㎝2的条件下热压烧结形成石墨烯板材；
2）车削：在石墨烯板材表面车削出多根立柱（2），制成底座（4）；
3）封装：使用气象悬浮法在温度是500-1200℃的条件下，使用封装材料封装步骤2）中得到的底座（4），其中封装材料是石墨烯、碳纤维、碳化硅、铜粉、银粉中的一种或几种；并且封装膜的厚度是1μm-10μm。
5.制作如权利要求1或2所述的基于高密度石墨烯的散热器的方法，其特征在于：高密度石墨烯包括如下原料经混合制备得到：石墨烯：80份；石墨纤维：17.5份；粘合剂：2.5份；
高密度石墨烯的底座（4）的制作步骤如下：
1）热压烧结：混合的石墨烯、石墨纤维和粘合剂在温度是800-2000℃、压力是300-700㎏/㎝2的条件下热压烧结形成石墨烯板材；
2）车削：在石墨烯板材表面车削出多根立柱（2），制成底座（4）；
3）封装：使用气象悬浮法在温度是500-1200℃的条件下，使用封装材料封装步骤2）中得到的底座（4），其中封装材料是石墨烯、碳纤维、碳化硅、铜粉、银粉中的一种或几种；并且封装膜的厚度是3μm-8μm。
6.根据权利要求5所述的基于高密度石墨烯的散热器的方法，其特征在于：所述石墨烯的粒径在1μm-15μm之间；所述粘合剂是环氧基粘合剂或丙烯酸基粘合剂。
7.根据权利要求6所述的基于高密度石墨烯的散热器的方法，其特征在于：所述环氧基粘合剂是环氧基树脂，所述丙烯酸基粘合剂是丙烯酸基树脂。
8.权利要求1或2所述的基于高密度石墨烯的散热器在任何手提、便携、电子设备、云计算服务器及高功率发热电子设备中的应用。
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