CN105885804B - 一种石墨烯全碳复合热界面材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种石墨烯全碳复合热界面材料的制备方法。将蠕虫石墨压制成松散多孔的柔性石墨纸；将石墨烯粉体材料分散在溶剂中，经过剪切乳化和超声处理，获得均匀分散的石墨烯分散液；将石墨烯分散液均匀填充到步骤1获得的石墨纸的微孔和表面得到复合材料；将复合材料进行真空干燥，除去溶剂得到石墨纸‑石墨烯复合膜半成品；将复合膜半成品进行多级滚压，最终得到石墨烯全碳复合柔性膜。本发明将柔性石墨纸易加工性和石墨烯极高的导热性有机的结合，以石墨纸为基体，石墨烯为热性能增强体，通过新型复合工艺,提供了一种制备石墨纸‑石墨烯复合热界面材料的方法，获得全碳型复合热界面材料。

Description

一种石墨烯全碳复合热界面材料的制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种复合材料的制备方法，具体地说是一种石墨烯与石墨纸复合材料的制备方法。
背景技术
柔性石墨纸是以天然石墨或热解石墨为原料，经酸化、膨胀处理之后延压而成。它除了具有一般石墨的耐高温、抗腐蚀等特性之外，还具有独特的柔性、良好的压缩性和回弹性，而且其还具有良好的耐高低温性和良好的导热性、电热性能以及耐腐蚀性。
石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，碳原子之间相互连接成六角网络。2004年，英国曼彻斯特大学的物理学家在实验中成功从石墨中分离出石墨烯，并获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯具有特殊的单层原子结构和新奇的物理性质，强度达130GPa、热导率约5000J/(m·K·s)、禁带宽度几乎为零、载流子迁移率达到2×105cm2(V·s)、高透明度(约97.7％)、比表面积理论计算值为2630m2/g，石墨烯的杨氏模量(1100GPa)和断裂强度(125GPa)与碳纳米管相当，它还具有分子霍尔效应、量子霍尔铁磁性和零载流子浓度极限下的最小量子电导率等一系列性质。
石墨纸和石墨烯的优异的导热性能和耐腐蚀性能使其作为热界面材料具有独特的优势。石墨纸易于加工成型，且其力学性能等各项性能可满足散热膜和电热材料制备的要求，而由石墨烯粉体制备散热膜成型困难，往往需要添加粘结剂以提高其强度和加工性能，导致石墨烯热界面膜材料性能下降，且制备成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备的复合热界面材料不含有任何粘结剂，易于加工成型，导热性能优异，制造成本低的石墨烯全碳复合热界面材料的制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
步骤1：将蠕虫石墨压制成松散多孔的柔性石墨纸，柔性石墨纸的厚度为0.01mm～1mm；
步骤2：将石墨烯粉体材料分散在溶剂中，经过剪切乳化和超声处理，获得均匀分散的石墨烯分散液，剪切乳化转速为5000～20000r/min、剪切乳化时间为1～15min，超声处理功率为500W、超声处理时间为30～180min；
步骤3：将步骤2中得到的石墨烯分散液均匀填充到步骤1获得的石墨纸的微孔和表面得到复合材料；
步骤4：将步骤3中的复合材料进行真空干燥，除去溶剂得到石墨纸-石墨烯复合膜半成品；
步骤5：将步骤4中得到的复合膜半成品进行多级滚压，最终得到石墨烯全碳复合柔性膜。
本发明还可以包括：
1、柔性石墨纸的厚度选为0.03mm～0.5mm。
2、所述溶剂是乙醇或NMP(N-甲基吡咯烷酮)，石墨烯用量为溶剂质量的0.5～10％
3、石墨烯用量选为溶剂质量的1.0～5.0％。
4、剪切乳化时间选为5～10min，超声处理时间选为120min。
5、填充方式为喷雾法、涂布法或过滤法。
6、所述滚压为单层滚压或多层一起滚压。
7、真空干燥的温度为80～150℃，干燥时间为6～18h。
本发明将柔性石墨纸易加工性和石墨烯极高的导热性有机的结合，以石墨纸为基体，石墨烯为热性能增强体，通过新型复合工艺,提供了一种制备石墨纸-石墨烯复合热界面材料的方法，获得全碳型复合热界面材料。
本发明的特点在于：
1、石墨纸基体的厚度可控，石墨烯涂层的厚度以及石墨烯添加量可控。
2、由于石墨烯粉体材料质量较轻，在加工过程中不易控制，直接将石墨烯粉体滚压在石墨纸表面成膜工艺难度大，成本高。而将石墨烯配制成分散液，通过控制剪切乳化时间和超声时间即可得到均匀的石墨烯分散液，工艺简单且可控性强。
3、成本低廉、适于批量化生产。
4、在保留石墨纸高导热性、良好的拉伸强度、易于加工成型等优点的基础上，通过复合石墨烯，进一步提高复合材料的导热性能，克服了纯石墨烯导热膜制备困难，需要添加粘结剂等缺点。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
将蠕虫石墨压制成松散多孔的柔性石墨纸，石墨纸尺寸为70mm*50mm*1mm，质量为0.16g。然后称量50g无水乙醇，1.25g石墨烯，将石墨烯分散在乙醇中，10000r/min条件下剪切乳化5min，500W功率条件下超声120min。然后将分散液移入喷雾器中，在石墨纸表面均匀的喷涂石墨烯分散液，将复合材料在80℃进行真空干燥，干燥时间为12h，得到复合膜半成品，称其质量为0.18g，表面石墨烯薄膜质量为0.02g。最后将干燥得到的复合膜半成品经单层多级滚压，将其厚度滚压至0.05mm，最终得到石墨烯全碳复合柔性膜。
将没有喷涂石墨烯的柔性石墨纸经多级滚压至其厚度为0.05mm，对石墨纸和全碳复合柔性膜进行导热系数的测试，经测试，全碳复合柔性膜的导热系数为568W/(m·K)，而纯石墨纸的导热系数为443.581W/(m·K)，全碳复合柔性膜表现出极好的导热性能。
实施例2
将蠕虫石墨压制成松散多孔的柔性石墨纸，石墨纸尺寸为70mm*50mm*1mm，质量为0.16g。然后称量50g NMP(N-甲基吡咯烷酮)，1.25g石墨烯，将石墨烯分散在NMP(N-甲基吡咯烷酮)中，10000r/min条件下剪切乳化5min，500W功率条件下超声120min。然后将分散液移入喷雾器中，在石墨纸表面均匀的喷涂石墨烯分散液，将复合材料在80℃进行真空干燥，干燥时间为12h，得到复合膜半成品，称其质量为0.185g，表面石墨烯薄膜质量为0.025g。最后将干燥得到的复合膜半成品经单层多级滚压，将其厚度滚压至0.05mm，最终得到石墨烯全碳复合柔性膜。
将没有喷涂石墨烯的柔性石墨纸经多级滚压至其厚度为0.05mm，对石墨纸和全碳复合柔性膜进行导热系数的测试，经测试，全碳复合柔性膜的导热系数为585.145W/(m·K)，而纯石墨纸的导热系数为443.581W/(m·K)，全碳复合柔性膜表现出极好的导热性能。
实施例3
将蠕虫石墨压制成松散多孔的柔性石墨纸，石墨纸尺寸为70mm*50mm*1mm，质量为0.16g。然后称量50g无水乙醇，1.25g石墨烯，将石墨烯分散在乙醇中，10000r/min条件下剪切乳化5min，500W功率条件下超声120min。然后取2g分散液移入漏斗中过滤，在石墨纸表面得到一层石墨烯薄膜，将带有石墨烯薄膜的石墨纸取出后在80℃进行真空干燥，干燥时间为12h，得到复合膜半成品，称其质量为0.192g，表面石墨烯薄膜质量为0.032g。最后将干燥得到的复合膜半成品经单层多级滚压，将其厚度滚压至0.05mm，最终得到石墨烯全碳复合柔性膜。
将没有喷涂石墨烯的柔性石墨纸经多级滚压至其厚度为0.05mm，对石墨纸和全碳复合柔性膜进行导热系数的测试，经测试，全碳复合柔性膜的导热系数为604.606W/(m·K)，而纯石墨纸的导热系数为443.581W/(m·K)，全碳复合柔性膜表现出极好的导热性能。
实施例4
将蠕虫石墨压制成松散多空的柔性石墨纸，石墨纸尺寸为70mm*50mm*1mm，质量为0.16g。然后称量50g无水乙醇，2.5g石墨烯，将石墨烯分散在乙醇中，10000r/min条件下剪切乳化5min，500W功率条件下超声120min。然后将分散液移入喷雾器中，在石墨纸表面均匀的喷涂石墨烯分散液，将复合材料在80℃进行真空干燥，干燥时间为12h，得到复合膜半成品，称其质量为0.2g，表面石墨烯薄膜质量为0.04g。最后将干燥得到的复合膜半成品经单层多级滚压，将其厚度滚压至0.05mm，最终得到石墨烯全碳复合柔性膜。
将没有喷涂石墨烯的柔性石墨纸经多级滚压至其厚度为0.05mm，对石墨纸和全碳复合柔性膜进行导热系数的测试，经测试，全碳复合柔性膜的导热系数为613.033W/(m·K)，而纯石墨纸的导热系数为443.581W/(m·K)，全碳复合柔性膜表现出极好的导热性能。
实施例5
将蠕虫石墨压制成松散多孔的柔性石墨纸，石墨纸尺寸为70mm*50mm*1mm，质量为0.16g。然后称量50g无水乙醇，1.25g石墨烯，将石墨烯分散在乙醇中，10000r/min条件下剪切乳化5min，500W功率条件下超声120min。然后将分散液移入喷雾器中，在石墨纸表面均匀的喷涂石墨烯分散液，将复合材料在80℃进行真空干燥，干燥时间为12h，得到复合膜半成品，称其质量为0.185g，表面石墨烯薄膜质量为0.025g。最后将干燥得到的复合膜半成品经单层多级滚压，将其厚度滚压至0.03mm，最终得到石墨烯全碳复合柔性膜。
将没有喷涂石墨烯的柔性石墨纸经多级滚压至其厚度为0.03mm，对石墨纸和全碳复合柔性膜进行导热系数的测试，经测试，全碳复合柔性膜的导热系数为621.178W/(m·K)，而纯石墨纸的导热系数为493.997W/(m·K)，全碳复合柔性膜表现出极好的导热性能。
实施例6
将蠕虫石墨压制成松散多孔的柔性石墨纸，石墨纸尺寸为70mm*50mm*1mm，质量为0.16g。然后称量50g无水乙醇，1.25g石墨烯，将石墨烯分散在乙醇中，10000r/min条件下剪切乳化5min，500W功率条件下超声120min。然后将分散液移入喷雾器中，在石墨纸表面均匀的喷涂石墨烯分散液，将复合材料在80℃进行真空干燥，干燥时间为12h，得到复合膜半成品，称其质量为0.18g，表面石墨烯薄膜质量为0.02g。最后将干燥得到的两个复合膜半成品未喷涂石墨烯的表面贴合，经双层多级滚压，将其厚度滚压至0.05mm，最终得到石墨烯全碳复合柔性膜。
将没有喷涂石墨烯的柔性石墨纸经多级滚压至其厚度为0.05mm，对石墨纸和全碳复合柔性膜进行导热系数的测试，经测试，全碳复合柔性膜的导热系数为606.152W/(m·K)，而纯石墨纸的导热系数为443.581W/(m·K)，全碳复合柔性膜表现出极好的导热性能。

Claims (8)

1.一种石墨烯全碳复合热界面材料的制备方法，其特征是：
步骤1：将蠕虫石墨压制成松散多孔的柔性石墨纸，柔性石墨纸的厚度为0.01mm～1mm；
步骤2：将石墨烯粉体材料分散在溶剂中，经过剪切乳化和超声处理，获得均匀分散的石墨烯分散液，剪切乳化转速为5000～20000r/min、剪切乳化时间为1～15min，超声处理功率为500W、超声处理时间为30～180min；
步骤3：将步骤2中得到的石墨烯分散液均匀填充到步骤1获得的柔性石墨纸的微孔和表面得到复合材料；
步骤4：将步骤3中的复合材料进行真空干燥，除去溶剂得到石墨纸-石墨烯复合膜半成品；
步骤5：将步骤4中得到的复合膜半成品进行多级滚压，最终得到石墨烯全碳复合热界面材料。
2.根据权利要求1所述的石墨烯全碳复合热界面材料的制备方法，其特征是：所述溶剂是乙醇或N-甲基吡咯烷酮，石墨烯用量为溶剂质量的0.5～10％。
3.根据权利要求2所述的石墨烯全碳复合热界面材料的制备方法，其特征是：石墨烯用量选为溶剂质量的1.0～5.0％。
4.根据权利要求1所述的石墨烯全碳复合热界面材料的制备方法，其特征是：柔性石墨纸的厚度选为0.03mm～0.5mm。
5.根据权利要求1所述的石墨烯全碳复合热界面材料的制备方法，其特征是：剪切乳化时间选为5～10min，超声处理时间选为120min。
6.根据权利要求1所述的石墨烯全碳复合热界面材料的制备方法，其特征是：填充方式为喷雾法、涂布法或过滤法。
7.根据权利要求1所述的石墨烯全碳复合热界面材料的制备方法，其特征是：所述滚压为单层滚压或多层一起滚压。
8.根据权利要求1所述的石墨烯全碳复合热界面材料的制备方法，其特征是：真空干燥的温度为80～150℃，干燥时间为6～18h。
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