CN106281257A - 一种具有石墨烯的热界面材料及其制备方法 - Google Patents

一种具有石墨烯的热界面材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具有石墨烯的热界面材料及其制备方法，其中该热界面材料包括铝金属箔、石墨烯薄膜和碳纳米管阵列，铝金属箔具有第一表面以及与第一表面相对的第二表面，石墨烯薄膜覆盖在铝金属箔的第一表面，碳纳米管阵列中的纳米管分布在石墨烯薄膜的表面和第二表面，铝金属箔的第二表面包括裸露的铝金属。本发明的热界面材料可降低界面热阻，提高热界面材料的导热性能。本发明还提供了一种具有石墨烯的热界面材料的制备方法。

Description

一种具有石墨烯的热界面材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料技术领域，特别涉及一种具有石墨烯的热界面材料及其制备方法。
背景技术
电子设备中芯片等发热元件工作时产生的热量通常需借助散热器件实现热量向外部的扩散。从微观角度看，发热元件与散热器件之间的接触界面都存在很多的凹凸不平，需使用热界面材料(Thermal Interface Materials，TIM)填充发热元件与散热器件的接触界面，降低接触热阻。随着电子设备的微型化、轻量化和高密度化的发展。
目前，业界导热效果比较好的热界面材料是通过在锆金属箔的两个表面生长碳纳米管阵列而形成的。但由于该热界面材料内锆金属箔的界面热阻较大，所以导致该热界面材料的导热性能相对较差。
发明内容
为了解决热界面材料内锆金属箔的界面热阻较大，导致该热界面材料的导热性能相对较差的问题，本发明提供了一种具有石墨烯的热界面材料，包括铝金属箔、石墨烯薄膜和碳纳米管阵列，铝金属箔具有第一表面以及与第一表面相对的第二表面，石墨烯薄膜覆盖在铝金属箔的第一表面，碳纳米管阵列中的纳米管分布在石墨烯薄膜的表面和第二表面，铝金属箔的第二表面包括裸露的铝金属。
本发明由于铝金属箔的第二表面包括裸露的金属，降低了热界面材料的界面热阻，提高了热界面材料的导热性能，且用铝金属代替现有技术中的锆金属，进一步提高了导热性。另一方面，石墨烯与碳纳米管均有优异的导热性能，石墨烯覆盖在铝金属箔的第一表面，更进一步提高了导热性。
在一些实施方式中，碳纳米阵列管垂直于石墨烯薄膜的表面和铝金属箔的第二表面。由此，尽量保证碳纳米管的垂直导热性。需要说明的是，此处的垂直不是百分百的垂直，在本领域技术误差范围内，即可认为垂直。
在一些实施方式中，碳纳米管阵列中相邻两个碳纳米管之间的空隙中填充有聚合纳米纤维。由此，由于热界面材料界面热阻主要是由于界面处金属基材表面的金属氧化物和碳纳米管之间的空气所致的，采用导热性能比现有技术的树脂更优秀的聚合纳米纤维来填充相邻两个碳纳米管之间的空隙，进一步提高热界面材料的导热性能。
在一些实施方式中，铝金属箔的厚度为10～50μm，石墨烯薄膜的厚度为10～50nm，碳纳米管的质量密度为0.2～0.3g/cm3。由此，这些参数的选择极大的提升了热界面材料的导热性能。
在一些实施方式中，碳纳米管之间的间距为10～100nm，聚合纳米纤维的直径尺寸为1～50nm。由此，即保证了碳纳米管的生长容易度，也保证了碳纳米管阵列的导热效果。
本发明还提供了一种用于制备上述的具有石墨烯的热界面材料的方法，包括以下步骤：
S1：在铝金属箔的第一表面生长石墨烯薄膜；
S2：在石墨烯薄膜的表面和铝金属箔的第二表面生长碳纳米管阵列；
S3：对铝金属箔的第二表面进行还原反应，使第二表面包括裸露的铝金属箔，得到的热界面材料。
本发明的制备具有石墨烯的热界面材料的方法在铝金属箔的表面形成碳纳米管阵列之后，对铝金属箔的第二表面进行还原反应，使得得到的界面材料中铝金属箔的第二表面包括裸露的铝金属，降低了热界面材料的界面热阻，提高了热界面材料的导热性能。
在一些实施方式中，还原反应具体为把生长有石墨烯薄膜和碳纳米管阵列的铝金属箔放在H2气氛中进行退火还原处理。由此，由于H2可以的与铝金属箔表面氧化物中的O原子进行还原反应，生成H2O，还原效果好，可以有效降低了热界面材料的界面热阻。
在一些实施方式中，在H2气氛中进行退火还原处理过程中，H2流量为50～80sccm，气压为0.1～0.5MPa，退火处理温度为400～500℃，退火处理时间为10～20min。此为经试验所得到的，H2与铝金属箔表面氧化物中的O原子进行还原反应的效果最佳的条件。
在一些实施方式中，还包括步骤S4：在真空中采用蒸镀工艺，在碳纳米管阵列中相邻两个碳纳米管之间填充聚合纳米纤维，得到热界面材料。由此，由于热界面材料界面热阻主要是由于界面处金属基材表面的金属氧化物和碳纳米管之间的空气所致的，采用导热性能比现有技术的树脂更优秀的聚合纳米纤维来填充相邻两个碳纳米管之间的空隙，进一步提高热界面材料的导热性能。
在一些实施方式中，蒸镀工艺条件：温度为100～200℃，工作气压为10～30Torr。此为经多次试验得到的最佳条件。
附图说明
图1是本发明实施例1的具有石墨烯的热界面材料示意图；
图2是本发明实施例2的具有石墨烯的热界面材料的示意图；
图3是本发明实施例3的具有石墨烯的热界面材料的制备方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步说明。
实施例1
如图1所示，本实施例中的具有石墨烯的热界面材料包括铝金属箔1、石墨烯薄膜2和碳纳米管阵列3，铝金属箔具有第一表面以及与第一表面相对的第二表面，石墨烯薄膜覆盖在铝金属箔的第一表面，碳纳米管阵列中的纳米管分布在石墨烯薄膜的表面和第二表面，铝金属箔的第二表面包括裸露的铝金属。由于铝金属箔的第二表面包括裸露的金属，降低了热界面材料的界面热阻，提高了热界面材料的导热性能，且用铝金属代替现有技术中的锆金属，进一步提高了导热性。另一方面，石墨烯与碳纳米管均有优异的导热性能，石墨烯覆盖在铝金属箔的第一表面，更进一步提高了导热性。本实施里中碳纳米管阵列3垂直于石墨烯薄膜2的表面和铝金属箔1的第二表面。这样可尽量保证碳纳米管的垂直导热性。需要说明的是，此处的垂直不是百分百的垂直，在本领域技术误差范围内，即可认为垂直。本实施例中，铝金属箔1的厚度为30μm，石墨烯薄膜2的厚度为20nm，碳纳米管的质量密度为0.2g/cm3。这些参数的选择极大的提升了热界面材料的导热性能。
实施例2
由于热界面材料界面热阻主要是由于界面处金属基材表面的金属氧化物和碳纳米管之间的空气所致的，在实施例1的基础上，如图2所示，在碳纳米管阵列3中相邻两个碳纳米管之间的空隙中填充有聚合纳米纤维4，采用导热性能比现有技术的树脂更优秀的聚合纳米纤维4来填充相邻两个碳纳米管之间的空隙，进一步提高热界面材料的导热性能。本实施例中铝金属箔1的厚度为40μm，石墨烯薄膜2的厚度为40nm，碳纳米管的质量密度为0.3g/cm3，碳纳米管之间的间距为80nm，聚合纳米纤维4的直径尺寸为30nm。这些参数保证了碳纳米管的生长容易度，也保证了碳纳米管阵列的导热效果。通过电解过程生产制造出了排列整齐的聚合物纳米纤维。该聚合物纳米纤维用作导热新材料，其导热效率比常规聚合物导热效率提高了20倍，经过改善的聚合物纳米纤维导热材料在温度高达200摄氏度时仍具有非常高的可靠性。
在其它实施方式中，各参数可在以下范围内选择：铝金属箔的厚度为10～50μm，石墨烯薄膜的厚度为10～50nm，碳纳米管的质量密度为0.2～0.3g/cm3，碳纳米管之间的间距为10～100nm，聚合纳米纤维的直径尺寸为1～50nm。
本发明的热界面材料可应用于导热片或两种需要导热的介质的中间连接部件中。
实施例3
如图3所示，本实施例中的用于制备上述的热界面材料的方法，包括以下步骤：
S1：在铝金属箔的第一表面生长石墨烯薄膜；石墨烯薄膜的生长方法为本领域中的现有技术方法，本发明不作规定。
S2：在石墨烯薄膜的表面和铝金属箔的第二表面生长碳纳米管阵列；碳纳米管阵列的生长方法也是通过催化法，采用本领域的现有技术制备，本发明不作规定。
S3：对铝金属箔的第二表面进行还原反应，使第二表面包括裸露的铝金属箔，得到的热界面材料。还原反应具体为把生长有石墨烯薄膜和碳纳米管阵列的铝金属箔放在H2气氛中进行退火还原处理。由于H2可以的与铝金属箔表面氧化物中的O原子进行还原反应，生成H2O，还原效果好，可以有效降低了热界面材料的界面热阻。在H2气氛中进行退火还原处理过程中，H2流量为60sccm，气压为0.3MPa，退火处理温度为500℃，退火处理时间为10min。此为经试验所得到的，H2与铝金属箔表面氧化物中的O原子进行还原反应的效果最佳的条件。在其它实施方式中，还原参数可从以下范围中选择：H2流量为50～80sccm，气压为0.1～0.5MPa，退火处理温度为400～500℃，退火处理时间为10～20min。
S4：在真空中采用蒸镀工艺，在碳纳米管阵列中相邻两个碳纳米管之间填充聚合纳米纤维，得到热界面材料。由于热界面材料界面热阻主要是由于界面处金属基材表面的金属氧化物和碳纳米管之间的空气所致的，采用导热性能比现有技术的树脂更优秀的聚合纳米纤维来填充相邻两个碳纳米管之间的空隙，进一步提高热界面材料的导热性能。聚合纳米纤维也可采用现有技术中的静电纺丝法、熔喷法、界面聚合法等制备，本发明不对其制备方法限定，目前较好的制备方法为电解法。本实施例中的蒸镀工艺条件：温度为200℃，工作气压为10Torr。此为经多次试验得到的最佳条件。在其它实施方式中，蒸镀工艺条件可从以下范围中选择：蒸镀工艺条件：温度为100～200℃，工作气压为10～30Torr。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的创造构思的前提下，还可以做出其它变形和改进，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有石墨烯的热界面材料，其特征在于，包括铝金属箔、石墨烯薄膜和碳纳米管阵列，所述铝金属箔具有第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述石墨烯薄膜覆盖在铝金属箔的第一表面，所述碳纳米管阵列中的纳米管分布在所述石墨烯薄膜的表面和所述第二表面，所述铝金属箔的第二表面包括裸露的铝金属。
2.根据权利要求1所述的具有石墨烯的热界面材料，其特征在于，所述碳纳米阵列管垂直于所述石墨烯薄膜的表面和所述铝金属箔的第二表面。
3.根据权利要求2所述的具有石墨烯的热界面材料，其特征在于，所述碳纳米管阵列中相邻两个碳纳米管之间的空隙中填充有聚合纳米纤维。
4.根据权利要求3所述的具有石墨烯的热界面材料，其特征在于，所述铝金属箔的厚度为10～50μm，所述石墨烯薄膜的厚度为10～50nm，碳纳米管的质量密度为0.2～0.3g/cm3。
5.根据权利要求4所述的具有石墨烯的热界面材料，其特征在于，所述碳纳米管之间的间距为10～100nm，所述聚合纳米纤维的直径尺寸为1～50nm。
6.一种用于制备如权利要求1-5任一项所述的具有石墨烯的热界面材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在铝金属箔的第一表面生长石墨烯薄膜；
S2：在石墨烯薄膜的表面和铝金属箔的第二表面生长碳纳米管阵列；
S3：对铝金属箔的第二表面进行还原反应，使第二表面包括裸露的铝金属箔，得到所述的热界面材料。
7.根据权利要求6所述的制备具有石墨烯的热界面材料的方法，其特征在于，所述还原反应具体为把生长有所述石墨烯薄膜和碳纳米管阵列的铝金属箔放在H2气氛中进行退火还原处理。
8.根据权利要求7所述的制备具有石墨烯的热界面材料的方法，其特征在于，在所述H2气氛中进行退火还原处理过程中，H2流量为50～80sccm，气压为0.1～0.5MPa，退火处理温度为400～500℃，退火处理时间为10～20min。
9.根据权利要求8所述的制备具有石墨烯的热界面材料的方法，其特征在于，还包括步骤S4：在真空中采用蒸镀工艺，在所述碳纳米管阵列中相邻两个碳纳米管之间填充聚合纳米纤维，得到热界面材料。
10.根据权利要求9所述的制备具有石墨烯的热界面材料的方法，其特征在于，所述蒸镀工艺条件：温度为100～200℃，工作气压为10～30Torr。
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