CN106626578B - 一种导热石墨板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明旨公开了一种导热石墨板及其制备方法。所述导热石墨板的制备方法其包括如下步骤：S1、将PI石墨膜的至少一面涂覆粘接剂；S2、将多片涂覆有粘接剂的PI石墨膜平铺层叠至设计厚度形成石墨板坯；S3、将石墨板坯热压固化得板材，S4、进行降温后的板材进行低温热处理，处理温度为1200‑1500℃，升温速率为0.5‑3℃/min，保温0.5‑3h后得导热石墨板。本发明制得的石墨板具有高的导热系数，高的石墨板强度，导热板的使用温度范围可以高达1500℃，此外，石墨板的厚度可控。

Description

一种导热石墨板及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种导热石墨板及其制备方法，属于导热材料领域。
背景技术
一些特殊场合，如高温(大于500℃)、酸碱腐蚀等场合的散热是一件特别棘手的问题，它不仅需要散热材料能够承受如此高温的环境，同时还需要其能在酸碱环境下不被腐蚀。
碳材料是一种耐酸耐碱的材料，它的石墨化形态具有较高的导热系数，常用的石墨高导热材料主要有一维的碳纤维、二维的石墨纸和三维的石墨块。
碳纤维具极高的强度，同时在其轴线方向具有极高的导热系数，但是其很难作为平面散热材料。石墨纸通常为膨胀石墨压制而成，由于其内部为不规则的石墨微晶排列，导热性能较低，通常不超过400W/m·K。另一种新型的石墨纸是一种由聚酰亚胺高温热处理而来，聚酰亚胺是分子结构含有酰亚胺基链节的芳杂环高分子化合物，英文名Polyimide，简称PI。其内部为层面规则排列的石墨微晶，具有极高的导热性能，但是其厚度往往不超过200μm，并且强度较低；石墨块为石墨颗粒经过等静压及焙烧等工艺制备，内部结构同样为不规则排列的石墨微晶，导热性能通常不超过500W/m·K。
发明内容
本发明旨在提供一种导热石墨板及其制备方法，通过该制备方法制得的石墨板具有高的导热系数，高的石墨板强度，导热板的使用温度范围可以高达1500℃，此外，石墨板的厚度可控。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种导热石墨板的制备方法，其包括如下步骤：
S1、将PI石墨膜的至少一面涂覆粘接剂；
S2、将多片涂覆有粘接剂的PI石墨膜平铺层叠至设计厚度形成石墨板坯；
S3、将石墨板坯热压固化得板材，其中热压固化为：
首先以0.5-3℃/min升温至粘接剂软化点温度Tr，然后保温0.5-3h，再以0.1-2℃/min升温至1.2Tr-2Tr，保温1-5h，并施加压力20-80MPa，保压1-5h，最后降温得到板材；
S4、进行降温后的板材进行低温热处理，处理温度为1200-1500℃，升温速率为0.5-3℃/min，保温0.5-3h后得导热石墨板。
优选所述PI石墨膜为经过2800℃-3000℃热处理后的PI石墨膜。
优选地，在中间层的PI石墨膜的上下表面均涂覆有粘接剂。
根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：
为了进一步地提高石墨板的平面热导率，在步骤S4之后进行高温热处理，以1-5℃/min升温至2800-3000℃，保温0.5-3h得到石墨板。令人惊讶的是，经过此步骤处理后的石墨板的热导率达到了860W/m·K。
优选地，所述粘接剂包括沥青和树脂，其中沥青和树脂按如下质量份混合而成：
沥青 1份；
树脂 0.4-5份。
为了提高石墨板的结构强度，所述粘接剂包括沥青、树脂和提高石墨板强度的添加物，其中沥青、树脂和添加物按如下质量份混合而成：
沥青 1份；
树脂 0.4-5份；
添加物 0.01-0.5份。
优选地，所述粘结剂为沥青、树脂及添加物混合后于80-300℃搅拌均匀的混合物。
优选地，所述添加物为碳纤维，和/或添加碳纳米管、石墨烯、热解石墨微片中的至少一种、或金属粉末、或陶瓷粉末AlN、BN、Al2O3、BeO、MgO、BC、SiC中的一种。
根据本发明的实施例，所述沥青为中间相沥青和/或煤沥青，沥青的粒径10μm-200μm，优选沥青为中间相沥青；优选所述沥青先经过预氧化，预氧化温度100-300℃，保温1-8h，降温后研磨至10μm-200μm。
优选地，所述树脂为环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂和沥青树脂中的一种。
本发明优选所述PI石墨膜的密度为0.5g/cm3-2.2g/cm3，优选PI石墨膜的密度为1.6g/cm3-2.2g/cm3；所述PI石墨膜的厚度为5-200μm，优选PI石墨膜的厚度为10-50μm。
基于同一个发明构思，本发明还提供了一种导热石墨板，其由上述的导热石墨板的制备方法制得。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的石墨板导热系数高，令人惊讶的是，导热系数高可达近900W/m·K。此外，石墨板强度高，导热石墨板使用温度可达1500℃，石墨板厚度可控，PI石墨膜生产过程中产生的边角料的利用。
具体实施方式
以下将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
一种导热石墨板的制备方法，将每一片PI石墨膜的两面均匀涂覆粘结剂，之后平铺至所需厚度，将层叠后的石墨膜热压固化得到导热板，进一步提高导热板的导热性能，需要经过低温热处理和高温热处理得到。将经过3000℃热处理的PI石墨膜裁剪为10mm*80mm的细条形备用，其中PI石墨膜的厚度为35μm，密度为1.9g/cm3。
PI石墨膜可以为长条形、方形、或三角形，优选为长条形(宽度为5-100mm，长度为10-800mm)，密度0.5-2.2g/cm3，优选>1.6g/cm3，厚度5-200μm，优选10-50μm，导热系数>800W/m·K，石墨膜表面平整。(PI石墨膜是指PI经过低温碳化、高温石墨化处理后的石墨化结构的PI薄膜)。
每一片PI石墨膜两面涂覆均匀的粘结剂，再均匀平铺叠层，每层平铺可以为无序状，也可以为每两层之间存在一定夹角，如5°、10°、20°、30°、45°、60°、90°等，层铺后表面平整，各处厚度一致。
粘结剂为沥青、树脂及添加物的混合物，优选质量比例为：1份沥青，0.4-5份树脂，0.01-0.5份添加物，三者混合后于80-300℃搅拌均匀。
沥青为中间相沥青、煤沥青，优选中间相沥青。优选沥青的粒径为10-200μm。
树脂可以为环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、沥青树脂中的一种。
沥青可以先经过预氧化，预氧化温度为100-300℃，保温1-8h，降温后研磨至10-200μm。
热压固化升温速率及时间：将粘结剂均匀涂覆在石墨膜表面，装入磨具后放置到热压机上，以0.5-3℃/min升温至沥青软化点(Tr)，保温0.5-3h，再以0.1-2℃/min升温至1.2-2Tr，保温1-5h，施加压力20-80MPa，并保压1-5h，随后降温得到板材。
将100质量份的中间相沥青(粒径为30μm，软化点280℃)、30质量份的聚酰亚胺树脂、2质量份的碳纳米管(100-500nm)在300℃下机械搅拌3h，得到混合均匀的粘结剂。
将PI石墨膜在基底上无序平铺一层，将粘结剂均匀涂覆在PI石墨膜表面，涂层厚度50-80μm，再在其上无序平铺一层PI石墨膜，如此反复，至5mm厚度得到样品1。
将样品1以2℃/min升温至400℃，保温30min，再以1℃/min升温至900℃，保温1h，为进一步提高石墨板的导热性能，强热压后的板材进行低温热处理，处理温度为1200-1500℃，升温速率为0.5-3℃/min，保温0.5-3h，优选在以3℃/min升温至1500℃保温1h得到样品2。
实施例2
将样品2的石墨板以1-5℃/min升温至2800-3000℃，保温0.5-3h得到高温处理的石墨板，导热性能更佳，优选继续以3℃/min升温至3000℃，保温1h得到样品3。
实施例3
为保证石墨板强度，可以在叠层时的每层中增加添加剂，添加剂可以为有序或者无序排列的碳纤维，碳纤维的与沥青的质量比为30wt％，或者碳纳米管、石墨烯、热解石墨微片中的至少一种，最高含量不超过沥青的含量。与样品3的不同在于，样品4在每层PI石墨膜混乱均匀平铺一层碳纤维，其中碳纤维的型号为T700，长度为50mm，厚为10μm。
实施例4
为改善石墨板的其他性能，可以在叠层时每层中增加添加剂，金属粉末(如：Ag、Cu、Al、Si、B等)或者AlN、BN、Al2O3、BeO、MgO、BC、SiC等陶瓷粉末(不超过沥青40％wt)。样品5与样品3的不同在于，粘结剂中添加占沥青质量百分比5wt％的BN。
表1五种样品对比表
实施例5
一种导热石墨板，其由实施例1-4的导热石墨板的制备方法制得。
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种导热石墨板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将PI石墨膜的至少一面涂覆粘接剂；
S2、将多片涂覆有粘接剂的PI石墨膜平铺层叠至设计厚度形成石墨板坯；所述粘接剂包括沥青、树脂和提高石墨板强度的添加物，其中沥青、树脂和添加物按如下质量份混合而成：
沥青 1份；
树脂 0.4-5份；
添加物 0.01-0.5份；
所述添加物为碳纤维，和/或添加碳纳米管、石墨烯、热解石墨微片中的至少一种、或金属粉末、或陶瓷粉末AlN、BN、Al2O3、BeO、MgO、BC、SiC中的一种；
S3、将石墨板坯热压固化得板材，其中热压固化为：
首先以0.5-3℃/min升温至粘接剂软化点温度Tr，然后保温0.5-3h，再以0.1-2℃/min升温至1.2 Tr -2Tr，保温1-5h，并施加压力20-80MPa，保压1-5h，最后降温得到板材；
S4、进行降温后的板材进行低温热处理，处理温度为1200-1500℃，升温速率为0.5-3℃/min，保温0.5-3h后得导热石墨板；
步骤S4之后进行高温热处理，以1-5℃/min升温至2800-3000℃，保温0.5-3h得到石墨板。
2.根据权利要求1所述的导热石墨板的制备方法，其特征在于，所述粘结剂为沥青、树脂及添加物混合后于80-300℃搅拌均匀的混合物。
3.根据权利要求1或2所述的导热石墨板的制备方法，其特征在于，所述沥青为中间相沥青和/或煤沥青，沥青的粒径10μm-200μm。
4.根据权利要求3所述的导热石墨板的制备方法，其特征在于，所述沥青为中间相沥青。
5.根据权利要求3所述的导热石墨板的制备方法，其特征在于，所述沥青先经过预氧化，预氧化温度100-300℃，保温1-8h，降温后研磨至10μm-200μm。
6.根据权利要求1或2所述的导热石墨板的制备方法，其特征在于，所述树脂为环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂和沥青树脂中的一种。
7.根据权利要求1或2所述的导热石墨板的制备方法，其特征在于，所述PI石墨膜的密度为0.5 g/cm³-2.2g/cm³。
8.根据权利要求7所述的导热石墨板的制备方法，其特征在于，PI石墨膜的密度为1.6g/cm³-2.2g/cm³；所述PI石墨膜的厚度为5-200μm。
9.根据权利要求8所述的导热石墨板的制备方法，其特征在于，PI石墨膜的厚度为10-50μm。
10.一种导热石墨板，其特征在于，由权利要求1-9中任一项所述的导热石墨板的制备方法制得。
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