CN106269445A - 一种低成本石墨烯导热片的制备方法 - Google Patents

一种低成本石墨烯导热片的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低成本石墨烯导热片的制备方法，该方法在超临界流体状态下，通过高速和高压剥离石墨得到石墨烯，并利用压力膨胀剥开石墨烯片层，制备时间短，产量高，且使用的有机或无机固相氮源具有成本低及易取得的优点，可有效降低制造成本。

Description

一种低成本石墨烯导热片的制备方法
技术领域
本发明涉及电子产品散热领域，具体涉及一种低成本石墨烯导热片的制备方法。
背景技术
对于电子产品而言，其各个部件有效的散热来获得较低的工作温度对其使用寿命和运行速度会产生极其重要的影响。随着科技的不断发展和进步，特别是计算机芯片多核化已经成为主流，且运行速度不断加快，功率也随之增长，有效的散热对其运行速度起着举足轻重的作用。目前，市场上的散热主流产品为石墨类导热膜，然而，其散热性能远远满足不了电子信息产品散热器件的散热需求，成为了大多电子产品的散热瓶颈。
石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格（honeycomb crystal lattice）排列构成的单层平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm2/(V·s)，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6 Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。石墨烯具有如此优异的物理化学性能，已逐渐用于透明导电薄膜，纳米电子器件（晶体管，晶体管电路互联内存半导体），导电墨水，太阳能电池、锂电池、超级电容器、传感器和生物医药等领域。
墨烯的制备主要采用氧化还原法，但是存在成本高，工艺复杂，存在大量工艺废水等缺点。日本东北大学教授本间格介绍了一种利用乙醇等有机溶剂的超临界液体来剥离石墨烯。由于不进行氧化处理，因此几乎没有氧及氢等杂质；而且，此次还开发出了可连续剥离石墨烯的“流动反应器”，对于5g原料，一次剥离处理的时间仅为1小时左右。但此方法不能大规模生产单层石墨烯。该方法属于实验设备生产，一次处理的石墨量小于10克。
发明内容
本发明提供一种低成本石墨烯导热片的制备方法，该方法在超临界流体状态下，通过高速和高压剥离石墨得到石墨烯，并利用压力膨胀剥开石墨烯片层，制备时间短，产量高，且使用的有机或无机固相氮源具有成本低及易取得的优点，可有效降低制造成本。
为了实现上述目的，本发明提供了一种低成本石墨烯导热片的制备方法，该方法包括如下步骤：
（1）制备石墨烯
向石墨粉中充入二氧化碳气体，使系统压力处于10~15MPa，并注入液化的二氧化碳，得到石墨分散液；将已制备的石墨分散液进行快速搅拌或剪切，搅拌或剪切的速率为3000~5000rpm，得到粗产物；将粗产物先进行高速破碎、剥离，再进行高压摩擦、剥离，或者将粗产物先进行高压摩擦、剥离，再进行高速破碎、剥离，得到石墨烯初级产品；重复上述步骤，再得到石墨烯初级产品；将得到的石墨烯初级产品进行瞬间泄压、气爆，收集气体，并获得最终的石墨烯粉末产品；
（2）氮掺杂石墨烯
固相含氮前驱物与上述石墨烯粉末固相混合形成该混合物，固相氮源可选自C6H12N4、C6H5COONH4、(NH4)2CO3、HOC(CO2NH4)(CH2CO2NH4)2、HCO2NH4、C3H3N6、C11H7N、C10H6(CN)2及C12H7NO2中的至少一种；石墨烯与固相含氮前驱物混合的重量比例为1：2至1：10；将所述混合物于500℃至700℃的温度下进行烧结，烧结的时间为4～7小时，得到氮掺杂石墨烯；
（3）制备石墨烯散热片
将上述方法所制得的氮掺杂石墨烯与高分子粘结剂进行混合，以形成浆料混合物，将该浆料混合物涂布于金属基材的至少一表面上，以形成复合材料；将该复合材料置入高温烘箱进行干燥形成散热片。
优选的，在所述步骤（1）中，所述液化的二氧化碳的体积百分比为20~35%，所述高速破碎的转速为3000~5000rpm，所述石墨粉为鳞片石墨粉或者膨胀石墨粉，石墨烯初级产品的气爆压力为10~50MPa，在所述步骤（3）中，该高分子粘结剂为羧甲基纤维素(CMC)，浆料混合物中的氮掺杂石墨烯含量为65-86wt％，该金属基材为银箔。
本发明的优点在于，在超临界流体状态下，通过高速和高压剥离石墨得到石墨烯，并利用压力膨胀剥开石墨烯片层，制备时间短，产量高，且使用的有机或无机固相氮源具有成本低及易取得的优点，可有效降低制造成本。
具体实施方式
实施例一
向石墨粉中充入二氧化碳气体，使系统压力处于10MPa，并注入液化的二氧化碳，得到石墨分散液；将已制备的石墨分散液进行快速搅拌或剪切，搅拌或剪切的速率为3000rpm，得到粗产物；将粗产物先进行高速破碎、剥离，再进行高压摩擦、剥离，或者将粗产物先进行高压摩擦、剥离，再进行高速破碎、剥离，得到石墨烯初级产品；重复上述步骤，再得到石墨烯初级产品；将得到的石墨烯初级产品进行瞬间泄压、气爆，收集气体，并获得最终的石墨烯粉末产品；其中，所述液化的二氧化碳的体积百分比为20%，所述高速破碎的转速为3000rpm，所述石墨粉为鳞片石墨粉或者膨胀石墨粉，石墨烯初级产品的气爆压力为10MPa。
固相含氮前驱物与上述石墨烯粉末固相混合形成该混合物，固相氮源可选自C6H12N4、C6H5COONH4、(NH4)2CO3、HOC(CO2NH4)(CH2CO2NH4)2、HCO2NH4、C3H3N6、C11H7N、C10H6(CN)2及C12H7NO2中的至少一种；石墨烯与固相含氮前驱物混合的重量比例为1：2；将所述混合物于500℃的温度下进行烧结，烧结的时间为4小时，得到氮掺杂石墨烯。
将上述方法所制得的氮掺杂石墨烯与高分子粘结剂进行混合，以形成浆料混合物，将该浆料混合物涂布于金属基材的至少一表面上，以形成复合材料；将该复合材料置入高温烘箱进行干燥形成散热片。该高分子粘结剂为羧甲基纤维素(CMC)，浆料混合物中的氮掺杂石墨烯含量为65wt％，该金属基材为银箔。
实施例二
向石墨粉中充入二氧化碳气体，使系统压力处于15MPa，并注入液化的二氧化碳，得到石墨分散液；将已制备的石墨分散液进行快速搅拌或剪切，搅拌或剪切的速率为5000rpm，得到粗产物；将粗产物先进行高速破碎、剥离，再进行高压摩擦、剥离，或者将粗产物先进行高压摩擦、剥离，再进行高速破碎、剥离，得到石墨烯初级产品；重复上述步骤，再得到石墨烯初级产品；将得到的石墨烯初级产品进行瞬间泄压、气爆，收集气体，并获得最终的石墨烯粉末产品；其中，所述液化的二氧化碳的体积百分比为35%，所述高速破碎的转速为5000rpm，所述石墨粉为鳞片石墨粉或者膨胀石墨粉，石墨烯初级产品的气爆压力为50MPa。
固相含氮前驱物与上述石墨烯粉末固相混合形成该混合物，固相氮源可选自C6H12N4、C6H5COONH4、(NH4)2CO3、HOC(CO2NH4)(CH2CO2NH4)2、HCO2NH4、C3H3N6、C11H7N、C10H6(CN)2及C12H7NO2中的至少一种；石墨烯与固相含氮前驱物混合的重量比例为1：10；将所述混合物于700℃的温度下进行烧结，烧结的时间为7小时，得到氮掺杂石墨烯。
将上述方法所制得的氮掺杂石墨烯与高分子粘结剂进行混合，以形成浆料混合物，将该浆料混合物涂布于金属基材的至少一表面上，以形成复合材料；将该复合材料置入高温烘箱进行干燥形成散热片。该高分子粘结剂为羧甲基纤维素(CMC)，浆料混合物中的氮掺杂石墨烯含量为86wt％，该金属基材为银箔。

Claims (2)

1.一种低成本石墨烯导热片的制备方法，该方法包括如下步骤：
（1）制备石墨烯
向石墨粉中充入二氧化碳气体，使系统压力处于10~15MPa，并注入液化的二氧化碳，得到石墨分散液；将已制备的石墨分散液进行快速搅拌或剪切，搅拌或剪切的速率为3000~5000rpm，得到粗产物；将粗产物先进行高速破碎、剥离，再进行高压摩擦、剥离，或者将粗产物先进行高压摩擦、剥离，再进行高速破碎、剥离，得到石墨烯初级产品；重复上述步骤，再得到石墨烯初级产品；将得到的石墨烯初级产品进行瞬间泄压、气爆，收集气体，并获得最终的石墨烯粉末产品；
（2）氮掺杂石墨烯
固相含氮前驱物与上述石墨烯粉末固相混合形成该混合物，固相氮源可选自C6H12N4、C6H5COONH4、(NH4)2CO3、HOC(CO2NH4)(CH2CO2NH4)2、HCO2NH4、C3H3N6、C11H7N、C10H6(CN)2及C12H7NO2中的至少一种；石墨烯与固相含氮前驱物混合的重量比例为1：2至1：10；将所述混合物于500℃至700℃的温度下进行烧结，烧结的时间为4～7小时，得到氮掺杂石墨烯；
（3）制备石墨烯散热片
将上述方法所制得的氮掺杂石墨烯与高分子粘结剂进行混合，以形成浆料混合物，将该浆料混合物涂布于金属基材的至少一表面上，以形成复合材料；将该复合材料置入高温烘箱进行干燥形成散热片。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤（1）中，所述液化的二氧化碳的体积百分比为20~35%，所述高速破碎的转速为3000~5000rpm，所述石墨粉为鳞片石墨粉或者膨胀石墨粉，石墨烯初级产品的气爆压力为10~50MPa，在所述步骤（3）中，该高分子粘结剂为羧甲基纤维素(CMC)，浆料混合物中的氮掺杂石墨烯含量为65-86wt％，该金属基材为银箔。
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