CN106947436A - 一种热界面材料及其制备和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热界面材料及其制备和应用。具体地，本发明公开了一种热界面材料，所述热界面材料由层叠结构经弯曲褶皱、任选的水平压制和任选的高温处理得到，所述热界面材料的上下表面的二维高导热纳米片具有水平堆栈结构，位于所述热界面材料的所述上下表面之间的中间部分的二维高导热纳米片兼具垂直堆栈结构和弯曲堆栈结构。本发明还公开了所述热界面材料的制备方法和应用。所述热界面材料兼具优异的导热性和压缩性，所述制备方法具有工艺简单、成本低、安全环保的特点，因此所述热界面材料可有效解决电子工业产品的散热问题。

Description

一种热界面材料及其制备和应用
技术领域
本发明涉及材料领域，具体地涉及一种热界面材料及其制备和应用。
背景技术
热界面材料以填充空气间隙的方式连接热源与热沉，保证电子设备在工作时产生的热量能够有效地从热源转移于热沉上以达到散热效果，在电子工业中扮演着重要的角色。传统的热界面材料主要是指一些高分子基体填充以高导热陶瓷颗粒，如氮化铝、氮化硼、氧化铝等，热导率大多为1-5W/mK。但是随着电子工业的快速发展，传统的热界面材料已经难以满足随之提升的功率密度带来的散热问题。
碳纳米材料如碳纳米管和石墨烯，由于其超高的热导率，现已被广泛用于解决散热问题。对于热界面材料，传统的应用方式是将石墨烯或者碳纳米管直接共混于高分子基体以达到导热增强的效果。然而，所得到的热界面材料的纵向热导率难以超过10W/mK，这种大相径庭的表现与碳纳米材料超高的本征热导率不符。这主要是因为像碳纳米管和石墨烯这类低维材料的热导率是各向异性的，而传统的共混方式仅仅使这些各项异性填料随机分布于基体中，导致没有很好的利用这种各向异性特性。为了提高这种各向异性导热率的利用率，目前以碳纳米管和石墨烯作为增强相来提高热界面材料的导热性能主要集中于构筑高顺向垂直结构，例如垂直碳纳米管和垂直石墨烯结构。
垂直碳纳米管结构可由化学气相沉积(CVD)方法获得，纵向热导率可超过30W/mK。但是由于垂直碳纳米管较强的基板依赖性、难以提高的表观密度以及较高的界面热阻(30-70Kmm2/W)等限制了该材料在热界面领域的广泛应用。和垂直碳纳米管类似，垂直石墨烯结构也可以用CVD方法制备。Achour等(Applied Physics Letters 102.6(2013):061903.)在氮化铝基板上生长出了垂直石墨烯纳米墙，其热导率可达80W/mK。但是CVD法制备的垂直石墨烯结构难以有效的从氮化铝基板剥离，严重限制了其实际应用。垂直石墨烯结构还可以用导向法制备，可分为微观导向和宏观导向法两种。Wong等(Chemistry of Materials28.17(2016):6096-6104.)利用冰晶诱导氧化石墨烯在形成气凝胶时自组装形成垂直结构，是一种典型的微观导向法，该法制备的垂直石墨烯/环氧树脂复合材料的热导率为2.13W/mK，石墨烯含量极低。但是这种极低的含量却难以通过自组装的方式提高，严重限制了其产物的导热率上限。Park等采用L型管将水平排列的石墨烯转向垂直排列而制备了垂直石墨烯/聚偏氟乙烯复合材料，热导率约10W/mK。但是这种宏观导向的方法所制备的垂直石墨烯结构排列不是很好，并且制备难以放大，不具备实际应用能力。另外，垂直石墨烯结构还可以通过重新组装石墨烯纸的方式制备，比如将石墨烯纸卷起并垂直切片，或者将石墨烯纸切片后重排。Bai等(Carbon 109(2016):552-557)将商业石墨烯纸卷起后用PDMS粘连并切片，制备出热界面材料热导率可达600W/mK，但是其样品的弹性模量亦高达500Mpa，不具备可压缩性，无法应付多芯片连用时的芯片公差，同时界面热阻高，难以作为热界面材料使用。
综上，垂直石墨烯热界面材料的确拥有较高的导热性能，但是完全垂直的石墨烯材料不具备可压缩性，难以作为热界面材料使用，因此本领域急需开发一种既能保证高导热，又能维持压缩性的高性能石墨烯基热界面材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种兼具优异导热性和压缩性的热界面材料及其制备和应用。
本发明的第一方面，提供了一种热界面材料，所述热界面材料由层叠结构经弯曲褶皱、任选的水平压制和任选的高温处理得到，所述热界面材料的上下表面的二维高导热纳米片具有水平堆栈结构，位于所述热界面材料的所述上下表面之间的中间部分的二维高导热纳米片兼具垂直堆栈结构和弯曲堆栈结构。
在另一优选例中，所述“层叠结构”与“二维高导热纳米片水平堆栈形成的纸状层叠宏观结构体”可互换使用。
在另一优选例中，所述热界面材料的中间部分的厚度为所述热界面材料的厚度的60－99.8％，较佳地80－98％，更佳地84－90％。
在另一优选例中，所述热界面材料的上表面的厚度为所述热界面材料的厚度的0.1－20％，较佳地1－10％，更佳地5－8％。
在另一优选例中，所述热界面材料的下表面的厚度为所述热界面材料的厚度的0.1－20％，较佳地1－10％，更佳地5－8％。
在另一优选例中，所述热界面材料的厚度为10－2000μm，较佳地100－1500μm，更佳地200－1000μm。
在另一优选例中，所述热界面材料的上表面的厚度为1－100μm，较佳地5－50μm，更佳地10－30μm。
在另一优选例中，所述热界面材料的下表面的厚度为1－100μm，较佳地5－50μm，更佳地10－30μm。
在另一优选例中，所述热界面材料的中间部分的厚度为8－1800μm，较佳地90－1400μm，更佳地180－940μm。
在另一优选例中，所述“上下表面的二维高导热纳米片具有水平堆栈结构”是指所述热界面材料的上下表面部分的所述二维高导热纳米片具有基本与水平面平行的堆栈结构(二面角夹角在-15°至15°范围)。
在另一优选例中，所述热界面材料的中间部分中，所述垂直堆栈结构和所述弯曲堆栈结构的体积比为1－9：1－9，较佳地2－8：2－8，更佳地3－7：3－7。
在另一优选例中，所述热界面材料的中间部分中，所述垂直堆栈结构的体积含量为10－90％，较佳地30－80％，更佳地60－90％。
在另一优选例中，所述热界面材料的中间部分中，所述弯曲排列结构的体积含量为10－90％，较佳地15－50％，更佳地15－40％。
在另一优选例中，所述“垂直堆栈结构”是指所述热界面材料的中间部分的所述二维高导热纳米片呈基本垂直于水平面堆栈的结构。
在另一优选例中，所述“弯曲排列结构”是指所述热界面材料的中间部分的所述二维高导热纳米片呈非垂直堆栈结构(如呈S型排列)。
在另一优选例中，所述热界面材料的纵向热导率为10-600W/mK，较佳地80-480W/mK，更佳地100-300W/mK，最佳地110-148W/mK；和/或
所述热界面材料的压缩率为5-80％，较佳地8-50％，更佳地10-40％，更佳地10-35％，最佳地20-30％。
在另一优选例中，所述热界面材料的密度为0.4-3.5g/cm3，较佳地0.6-2.4g/cm3，更佳地1.0-2.2g/cm3，最佳地1.2-2.0g/cm3。
在另一优选例中，所述热界面材料具有图4所示结构。
在另一优选例中，所述热界面材料是如下制备的：
a-1)提供层叠结构；
a-2)基于模量不匹配原理加工所述层叠结构，得到褶皱的层叠结构；
a-3)沿所述褶皱的层叠结构的水平方向以第一压力压制所述褶皱的层叠结构，接着任选地在第一温度下退火处理第一时间段，得到所述热界面材料。
在另一优选例中，所述层叠结构是如下制备的：
b-1)提供第一分散液，所述第一分散液包含第一溶剂和分散于所述第一溶剂中的高导热纳米材料；
b-2)抽滤和/或蒸发所述第一分散液，得到所述层叠结构。
在另一优选例中，所述第一分散液经搅拌和/或超声处理。
在另一优选例中，所述第一溶剂选自下组：水、乙醇、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、四甲基亚砜、或其组合。
在另一优选例中，所述高导热纳米材料选自下组：石墨烯、氧化石墨烯、氮化硼、膨胀石墨片、碳化/石墨化的聚酰亚胺、或其组合。
在另一优选例中，所述层叠结构可直接选用商用导热纸，如天然石墨纸、人工石墨纸、人工石墨烯纸等。
在另一优选例中，所述第一压力为0.1-15MPa，较佳地1-12MPa，更佳地1.5-11MPa。
在另一优选例中，所述第一温度为25-3500℃，较佳地500-3400℃，更佳地700-3300℃，更佳地1500-3200℃，最佳地2600-3100℃。
在另一优选例中，所述第一时间段为0.5-8h，较佳地1-6h，更佳地2-4h。
本发明的第二方面，提供了一种热界面材料，所述热界面材料仅包含本发明第一方面所述热界面材料的中间部分。
在另一优选例中，所述热界面材料是如下制备的：在步骤a-3)之后，通过机械加工方式去除本发明第一方面所述热界面材料的上下表面，得到所述热界面材料。
在另一优选例中，所述“机械加工方式”为选自下组的加工方式：切割、抛磨、刻蚀、或其组合。
在另一优选例中，所述热界面材料的纵向热导率为50-300W/mK，较佳地80-250W/mK，更佳地100-200W/mK，更佳地120-180W/mK，最佳地130-170W/mK。
在另一优选例中，所述热界面材料的压缩率为10-50％，较佳地15-40％，更佳地20-30％，最佳地21-26％。
在另一优选例中，所述热界面材料的密度为0.4-2.5g/cm3，较佳地0.6-2.0g/cm3，更佳地0.8-1.6g/cm3，最佳地1-1.5g/cm3。
本发明的第三方面，提供了一种热界面材料，所述热界面材料包含：
1)本发明第一方面所述热界面材料或本发明第二方面所述热界面材料，作为基体；和
2)填充物，所述填充物分布于所述基体的表面和/或内部。
在另一优选例中，所述填充物包含高分子材料和任选的导热增强材料。
在另一优选例中，所述高分子材料选自下组：弹性材料、非弹性材料、或其组合。
在另一优选例中，所述弹性材料选自下组：硅胶、橡胶、乳胶、或其组合。
在另一优选例中，所述非弹性材料选自下组：聚酰亚胺、环氧树脂、聚丙烯、聚乙烯、聚苯硫醚、聚酰胺、聚碳酸酯、聚氯乙烯、或其组合。
在另一优选例中，所述导热增强材料选自下组：氮化硼颗粒、氮化硼纳米片、氮化铝颗粒、氧化铝颗粒、氧化硅颗粒、碳化硅颗粒、金刚石颗粒、石墨烯、碳纳米管、金属颗粒、或其组合。
在另一优选例中，所述金属颗粒选自下组：铜颗粒、银颗粒、铁颗粒、铝颗粒、或其组合。
在另一优选例中，所述导热增强材料的粒径为0.1-300um，较佳地1-20um。
在另一优选例中，所述导热增强材料的形状选自下组：球状、片状、不规则多边形、或其组合。
在另一优选例中，所述填充物中，所述导热增强材料的质量含量的上限选自下组：98wt％、97wt％、96wt％。
在另一优选例中，所述填充物中，所述导热增强材料的质量含量的下限选自下组：0wt％、10wt％、20wt％、30wt％、40wt％、50wt％、60wt％。
在另一优选例中，当所述填充物分布于所述基体的表面时，涂层厚度为0.5-5μm，较佳地1-3μm。
在另一优选例中，所述热界面材料中，所述基体和所述填充物的质量比为1-25，较佳地1-20，更佳地1-16。
在另一优选例中，所述热界面材料中，所述基体和所述填充物的体积比为300-800，较佳地400-600。
在另一优选例中，所述热界面材料的纵向热导率为100-800W/mK，较佳地150-600W/mK，更佳地200-550W/mK，最佳地250-500W/mK。
在另一优选例中，所述热界面材料的压缩率为8-30％，较佳地10-20％，最佳地11-16％。
在另一优选例中，所述热界面材料的密度为0.4-2.5g/cm3，较佳地1-2g/cm3，最佳地1.5-2g/cm3。
本发明的第四方面，提供了一种本发明第一方面所述热界面材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
b-1)提供层叠结构；
b-2)基于模量不匹配原理加工所述层叠结构，得到褶皱的层叠结构；
b-3)沿所述褶皱的层叠结构的水平方向以第一压力压制所述褶皱的层叠结构，接着任选地在第一温度下退火处理第一时间段，得到所述热界面材料。
在另一优选例中，所述“基于模量不匹配原理加工”是指将所述层叠结构以范德华力粘合于外力固定的低模量预拉伸的弹性体上后，去除外力，将所述层叠结构褶皱化的加工工艺。
本发明的第五方面，提供了一种本发明第三方面所述热界面材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
b-1)提供第一浆料和作为基体的本发明第一方面所述热界面材料或本发明第二方面所述热界面材料，其中，所述第一浆料包含高分子材料和任选的导热增强材料；
b-2)使用所述第一浆料填充或涂覆所述基体，固化后得到所述热界面材料。
在另一优选例中，所述“固化”指在第二温度下高温处理第二时间段。
在另一优选例中，所述第二温度为25－350℃，较佳地80－320℃。
在另一优选例中，所述第二时间段为0.5－16h，较佳地1－5h。
在另一优选例中，所述“固化”的目的在于通过高温处理使所述高分子材料交联以形成高分子基体。
本发明的第六方面，提供了一种制品，所述制品包含选自下组的一种或多种组分：
1)本发明第一方面所述热界面材料；
2)本发明第二方面所述热界面材料；
3)本发明第三方面所述热界面材料。
在另一优选例中，所述制品选自下组：导热垫、匀热片、焦耳加热板。
应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
附图说明
图1为实施例1步骤(b)所得石墨烯纸内部结构侧视图的扫描电镜图。
图2为实施例1步骤(d)得到的石墨烯热界面材料1的实物图。
图3为实施例1所得热界面材料1的结构示意图。
图4为实施例1所得纯碳基复式结构石墨烯热界面材料1的结构全局图的扫描电镜图，其中，右上角为其局部放大图。
图5为实施例1所得纯碳基复式结构石墨烯热界面材料1的表面结构顶视图的扫描电镜图。
图6为实施例2所得纯碳基复式结构石墨烯热界面材料2的中间部分中弯曲排列结构部分的纵截面图的扫描电镜图。
图7为实施例3所得纯碳基复式结构石墨烯热界面材料3的俯视图的扫描电镜图。
图8是热界面材料2和商用热界面材料(Fujipoly XR-m，17W/mK)性能的对比，其中，图8a是测试的示意图，图8b是热源的升温曲线，图8c是热源的平衡温度的红外热像图。
具体实施方式
本发明人经过长期而深入的研究，意外地制备得到一种兼具优异导热性和压缩性的热界面材料。所述热界面材料兼具优异的导热性和压缩性，所述制备方法具有工艺简单、成本低、安全环保的特点，因此所述热界面材料可有效解决电子工业产品的散热问题。在此基础上，发明人完成了本发明。
术语
如本文所用，术语“模量不匹配原理”是指当两个模量不同材料因范德华力相互贴紧后因低模量物体发生收缩形变而导致高模量物体产生弯曲褶皱的行为，本发明具体是指粘于低模量预拉伸的弹性体(如硅胶、乳胶、聚丙烯酸压敏胶等)上的高导热纸(如石墨烯纸、氮化硼纸、天然石墨纸、人工石墨纸、人工石墨烯纸等)由于弹性体的收缩而导致的高导热纸弯曲褶皱的行为。
热界面材料
本发明提供了一种热界面材料，所述热界面材料由层叠结构经弯曲褶皱、任选的水平压制和任选的高温处理得到，所述热界面材料的上下表面的二维高导热纳米片具有水平堆栈结构，位于所述热界面材料的所述上下表面之间的中间部分的二维高导热纳米片兼具垂直堆栈结构和弯曲堆栈结构。
应理解，相对于现有的热界面材料，本发明所述热界面材料由于运用特定的“模量不匹配原理”加工而制得，因此所述热界面材料的中间部分兼具垂直排列结构和弯曲排列结构(即非垂直排列结构)，所述垂直排列结构部分可有效保证所述热界面材料的高导热性能，所述弯曲排列结构可确保所述热界面材料具有优异的可压缩性。
优选地，所述热界面材料中，所述热界面材料的中间部分的厚度为所述热界面材料的厚度的60－99.8％，当该比例＜60％时，相应的热界面材料的纵向热导率将低于10W/mK。
优选地，所述热界面材料的中间部分中，所述垂直排列结构(或垂直堆栈结构)部分的体积含量为10－90％，当该比例＜10％时，相应的热界面材料纵向热导率低于10W/mK；当该比例＞90％时，相应的热界面材料在标准封装压力下无法压缩。
优选地，所述热界面材料的中间部分中，所述弯曲排列结构(或弯曲堆栈结构)部分的体积含量为10－90％，当该比例＜10％时，相应的热界面材料在标准封装压力下无法压缩；当该比例＞90％时，相应的热界面材料纵向热导率低于10W/mK。
此外，基于上述热界面材料，本发明还提供了如下两种热界面材料：
第一种：一种热界面材料，所述热界面材料仅包含上述热界面材料的中间部分。
在另一优选例中，所述热界面材料是如下制备的：在步骤a-3)之后，通过机械加工方式去除上述热界面材料的上下表面，得到所述热界面材料。
在另一优选例中，所述“机械加工方式”为选自包括(但并不限于)下组的加工方式：切割、抛磨、刻蚀、或其组合。
第二种：一种热界面材料，所述热界面材料包含：
1)上述热界面材料或第一种热界面材料，作为基体；和
2)填充物，所述填充物分布于所述基体的表面和/或内部。
在另一优选例中，所述填充物包含高分子材料和任选的导热增强材料。
制备方法
本发明还提供了一种所述热界面材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
b-1)提供层叠结构；
b-2)基于模量不匹配原理加工所述层叠结构，得到褶皱的层叠结构；
b-3)沿所述褶皱的层叠结构的水平方向以第一压力压制所述褶皱的层叠结构，接着任选地在第一温度下退火处理第一时间段，得到所述热界面材料。
应理解，在基于“模量不匹配原理”加工所述层叠结构的过程中，所述层叠结构是以范德华力粘接于经预拉伸的弹性体(如硅胶、乳胶、聚丙烯酸酯压敏胶等)上的，其中，所述弹性体在粘结所述层叠结构之前经预拉伸处理(拉伸量约为未经拉伸的弹性体的100－500％)，所述弹性体的(弹性)模量约为0.01－0.5MPa，所述层叠结构(或高导热纸)的(弹性)模量约为1－30MPa。在上述加工过程中，由于所述弹性体经预拉伸，因此，在粘接层叠结构的过程中，所述经预拉伸的弹性体始终需要外力固定，在所述层叠结构与所述经预拉伸的弹性体完成粘结后，去除上述外力，即可实现所述层叠结构的褶皱化。
相应地，本发明还提供了上述第二种热界面材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
b-1)提供第一浆料和作为基体的上述热界面材料或第一种热界面材料，其中，所述第一浆料包含高分子材料和任选的导热增强材料；
b-2)使用所述第一浆料填充或涂覆所述基体，固化后得到所述第二种热界面材料。
应用
本发明还提供了一种制品，所述制品包含选自下组的一种或多种组分：
1)上述热界面材料；
2)第一种热界面材料；
3)第二种热界面材料。
在另一优选例中，所述制品包括(但并不限于)：导热垫、匀热片、焦耳加热板。
与现有技术相比，本发明具有以下主要优点：
(1)所述热界面材料兼具优异的导热性和压缩性；具体地，所述热界面材料的纵向热导率为10-600W/mK且其压缩率为5-80％；
(2)所述热界面材料中纯碳基热界面材料可以于高温下使用，空气中使用最高温度可达400℃，真空中使用最高温度可达3000℃；
(3)所述热界面材料中纯碳基热界面材料可以于强腐蚀环境下使用；
(4)所述制备方法具有工艺简单、成本低、安全环保的特点；
(5)所述制备方法易于制备大样品，并产业化。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则百分比和份数按重量计算。
除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
通用原料
石墨烯粉体：在本发明所述的制备方法中，所使用的石墨烯粉体没有特别的限制。优选地，石墨烯粉体的石墨烯层数为5-50层。优选地，石墨烯粉体的石墨烯的平面尺寸为5-30um。
氧化石墨烯粉体：在本发明所述的制备方法中，所使用的氧化石墨烯粉体的氧化石墨烯没有特别的限制。优选地，氧化石墨烯层数为1-5层。优选地，氧化石墨烯的平面尺寸为5-30um。
硅胶：在本发明所述的制备方法中，所使用的硅胶没有特别的限制。优选为道康宁184号硅胶。
氮化硼：在本发明所述的制备方法中，所使用的氮化硼没有特别的限制。优选地，氮化硼为六方氮化硼，尺寸为1-10um。
聚酰亚胺：在本发明所述的制备方法中，所使用的聚酰亚胺没有特别的限制。优选的为全芳香聚酰亚胺。
氮化铝：在本发明所述的制备方法中，所使用的氮化铝没有特别的限制。优选地，氮化铝尺寸为1-10um。
氮化硼纳米片：在本发明所述的制备方法中，所使用的氮化硼纳米片为六方氮化硼剥离而成。优选的，层数为1-30层，尺寸为0.1-10um。
人工石墨纸：在本发明所述的制备方法中，所使用的人工石墨纸为聚酰亚胺薄膜经过碳化-石墨化而成，优选的厚度为12-100um。
天然石墨纸：在本发明所述的制备方法中，所使用的天然石墨纸是以膨胀石墨片压延而成，优选的厚度为12-100um。
通用测试方法
密度
称重法测量：以所称量样品的质量除以测量的片状样品的体积得到密度。
纵向热导率
测量设备：LFA467，NETZSCH，德国；测量标准：ASTM E 1461。
压缩率
测量设备：UTM,5567A,Instron,美国；测量标准：GB1040-92。
实施例1纯碳基复式结构石墨烯热界面材料1
(a)按浓度3mg/ml称取300mg石墨烯粉体，并将上述粉体分散在300ml乙醇溶液中，充分搅拌、然后超声得到均匀分散的石墨烯分散液；
(b)将步骤(a)得到的石墨烯分散液通过抽滤得到石墨烯纸；
(c)将步骤(b)得到的石墨烯纸粘贴于预拉伸的(400％×400％)聚丙烯酸酯压敏胶上后再使压敏胶回复而得到褶皱石墨烯纸；
(d)对步骤(c)得到的褶皱石墨烯纸沿水平方向施以10MPa的压力后再3000℃退火3h，得到石墨烯基体1，即纯碳基复式结构石墨烯热界面材料1。
经测试，所述石墨烯基体1的密度为1.62g/cm3，纵向热导率为300W/mK，压缩率为12％。
图1为实施例1步骤(b)所得石墨烯纸内部结构侧视图的扫描电镜图。
从图1可以看出：所制备的石墨烯纸中石墨烯纳米片呈水平堆栈结构。
图2为实施例1步骤(d)得到的石墨烯热界面材料1的实物图。
从图2可以看出：所制备的石墨烯热界面材料具有一定的柔性。
为了更好的理解所制备的纯碳基复式结构石墨烯热界面材料1而绘制复式结构示意图，如图3所示，在纯碳基复式结构石墨烯热界面材料1内部石墨烯倾向于垂直排列，而位于上下表面的石墨烯纳米片倾向于水平排列。
图4为实施例1所得纯碳基复式结构石墨烯热界面材料1的结构全局图的扫描电镜图，其中，右上角为其局部放大图。
从图4可以看出：所制备的纯碳基复式结构石墨烯热界面材料1内部石墨烯倾向于垂直排列，而上下表面有薄层的近似水平排列的石墨烯纳米片。进一步地，经测试，所述热界面材料1的上表面(即近似水平排列的部分)的厚度为20um，中间部分(即内部的垂直排列部分)的厚度为260um，下表面(即近似水平排列的部分)的厚度为20um。进一步地，从其局部放大图可知：所述热界面材料1的中间部分兼具垂直排列结构和弯曲排列结构，其体积含量分别为75-85％和15-25％。
图5为实施例1所得纯碳基复式结构石墨烯热界面材料1的表面结构顶视图的扫描电镜图。
从图5可以看出：所制备的纯碳基复式结构石墨烯热界面材料1表面为水平排列结构。
实施例2纯碳基复式结构石墨烯热界面材料2
同实施例1，区别在于：步骤(d)中机械力压力为2MPa。
经测试，所得纯碳基复式结构石墨烯热界面材料2的密度为1.32g/cm3，纵向热导率为115W/mK，压缩率为27％。
图6为实施例2所得纯碳基复式结构石墨烯热界面材料2的中间部分中弯曲排列结构部分的纵截面图的扫描电镜图。
从图6可以看出：所制备的纯碳基复式结构石墨烯热界面材料2内部有些石墨烯呈现S型非垂直排列，这是所制备石墨烯基体在拥有高导热的情况下保持可压缩性的必要条件。
实施例3纯碳基复式结构石墨烯热界面材料3
同实施例2，区别在于：步骤(d)后将石墨烯基体1上下表面去除(所述去除如通过切割和/或抛磨所述石墨烯基体1实现)，只保留内部石墨烯结构(即仅保留石墨烯基体1的非水平排列的部分)。
经测试，所得纯碳基复式结构石墨烯热界面材料3的密度为1.30g/cm3，纵向热导率为158W/mK，压缩率为23％。
图7为实施例3所得纯碳基复式结构石墨烯热界面材料3的俯视图的扫描电镜图。
从图7可以看出：所制备的纯碳基复式结构石墨烯热界面材料3内部为倾向于垂直排列结构，这是石墨烯基体拥有高导热的必要条件。
实施例4纯碳基复式结构石墨烯热界面材料4
同实施例1，区别在于：步骤(d)中机械力压力为0.1MPa，退火温度为800℃。
经测试，所得纯碳基复式结构石墨烯热界面材料4的密度为0.7g/cm3，纵向热导率为10W/mK，压缩率为80％。
实施例5纯碳基复式结构石墨烯热界面材料5
(a)按浓度3mg/ml称取300mg氧化石墨烯粉体，并将上述粉体分散在300ml去离子水溶液中，充分搅拌、然后超声得到均匀分散的氧化石墨烯分散液；
(b)将步骤(a)得到的氧化石墨烯分散液通过抽滤得到氧化石墨烯纸；
(c)将步骤(b)得到的氧化石墨烯纸以模量不匹配原理加工得到褶皱氧化石墨烯纸；
(d)对步骤(c)得到的褶皱氧化石墨烯纸沿水平方向施以10MPa的压力后再3000℃退火3h，得到纯碳基复式结构石墨烯热界面材料5。
所得纯碳基复式结构石墨烯热界面材料5为以氧化石墨烯为原料再辅助以高温石墨化制备的纯碳基材料。
经测试，所述纯碳基复式结构石墨烯热界面材料5的密度为1.85g/cm3，纵向热导率为600W/mK，压缩率为7％。
实施例6复式结构石墨烯基热界面材料6
同实施例1，区别在于：在实施例1之后，将硅胶与60wt％氮化硼(氮化硼粒径为5um)混合得到硅胶/氮化硼浆料。然后将该浆料填充于步骤(d)所得石墨烯基体1内，再固化(所述固化通过在高温100℃下处理2h实现)得到复式结构石墨烯基热界面材料6。
所述复式结构石墨烯基热界面材料6为石墨烯基体1与弹性硅胶/氮化硼复合形成的材料，其中，硅胶的加入是为提高材料的机械性能。
经测试，所述复式结构石墨烯基热界面材料6的密度为1.74g/cm3，纵向热导率为320W/mK，压缩率为15％。
进一步地，经测试，热界面材料6中，石墨烯基体1和填充物(硅胶+氮化硼)的质量比约为1.62：0.12。
实施例7复式结构石墨烯基热界面材料7
同实施例1，区别在于：在实施例1之后，将硅胶与60wt％氮化硼纳米片混合得到硅胶/氮化硼纳米片浆料。然后将该浆料涂覆于步骤(d)所得石墨烯基体1表面，涂覆厚度为2um，再固化(所述固化通过在高温100℃下处理2h实现)得到复式结构石墨烯基热界面材料7。
所述复式结构石墨烯基热界面材料7为硅胶复合材料/石墨烯基体1/硅胶复合材料三明治结构材料(硅胶复合材料指的是硅胶/氮化硼)，其中，表面涂覆硅胶复合材料是为提高该热界面材料的绝缘性能，使该材料可以用于可导热绝缘场合。
经测试，所述复式结构石墨烯基热界面材料7的密度为1.61g/cm3，纵向热导率为280W/mK，压缩率为12％。
进一步地，经测试，热界面材料7中，石墨烯基体1和填充物(硅胶+氮化硼)的体积比约为500。
实施例8复式结构石墨烯基热界面材料8
同实施例5，区别在于：在实施例5之后，将聚酰亚胺填充于步骤(d)所得纯碳基复式结构石墨烯热界面材料5内，再固化(所述固化通过在100、200、300℃下各处理1h实现)得到复式结构石墨烯基热界面材料8。
所得复式结构石墨烯基热界面材料8为纯碳基复式结构石墨烯热界面材料5与没有弹性的聚酰亚胺复合形成的材料。
经测试，所述复式结构石墨烯基热界面材料8的密度为1.92g/cm3，纵向热导率为520W/mK，压缩率为5％。
进一步地，经测试，热界面材料8中，热界面材料5和填充物(聚酰亚胺)的质量比约为1.62：0.30。
实施例9复式结构石墨烯基热界面材料9
同实施例5，区别在于：在实施例5之后，将聚酰亚胺与96wt％氮化铝(氮化铝粒径为5um)混合得到聚酰亚胺/氮化铝浆料。然后将该浆料填充于步骤(d)所得纯碳基复式结构石墨烯热界面材料5内，再固化(所述固化通过在100、200、300℃下各处理1h实现)得到复式结构石墨烯基热界面材料9。
所得复式结构石墨烯基热界面材料9为纯碳基复式结构石墨烯热界面材料5与导热绝缘浆料复合形成的材料。
经测试，所述复式结构石墨烯基热界面材料9的密度为2.2g/cm3，纵向热导率为540W/mK，压缩率为5％。
进一步地，经测试，热界面材料9中，热界面材料5和填充物(聚酰亚胺+氮化铝)的质量比约为1.62：0.58。
实施例10复式结构石墨烯基热界面材料10
同实施例8，区别在于：将没有弹性的聚酰亚胺替换为有弹性的硅胶基体。
所得复式结构石墨烯基热界面材料10为纯碳基复式结构石墨烯热界面材料5与弹性硅胶复合形成的材料。
经测试，所述复式结构石墨烯基热界面材料10的密度为1.91g/cm3，纵向热导率为480W/mK，压缩率为11％。
进一步地，经测试，热界面材料10中，热界面材料5和填充物(硅胶基体)的质量比约为1.62：0.29。
实施例11热界面材料11
(a)按浓度3mg/ml称取300mg氮化硼纳米片粉体，并将上述粉体分散在300ml去离子水溶液中，充分搅拌、然后超声得到均匀分散的氮化硼纳米片分散液；
(b)将步骤(a)得到的氮化硼纳米片分散液通过抽滤得到氮化硼纸；
(c)将步骤(b)得到的氮化硼粘贴于预拉伸的(400％×400％)聚丙烯酸酯压敏胶上后再使压敏胶回复而得到褶皱氮化硼纸；
(d)对步骤(c)得到的褶皱氮化硼纸沿水平方向施以10MPa的压力后，得到氮化硼基体1；
(e)将硅胶填充于步骤(d)所得氮化硼基体1中，得到热界面材料11。
经测试，所述热界面材料11的密度为3.12g/cm3，纵向热导率为30W/mK，压缩率为8％。
实施例12热界面材料12
同实施例1，区别在于：以商用天然石墨纸(膨胀石墨片压延而成)代替步骤(a)和(b)所制备的石墨烯纸。
经测试，所述热界面材料12的的密度为1.13g/cm3，纵向热导率为160W/mK，压缩率为13％。
实施例13热界面材料13
同实施例1，区别在于：以商用人工石墨纸(聚酰亚胺碳化/石墨化而成)代替步骤(a)和(b)所制备的石墨烯纸。
经测试，所述热界面材料13的密度为1.37g/cm3，纵向热导率为310W/mK，压缩率为14％。
实施例14
图8是热界面材料2和商用热界面材料(Fujipoly XR-m，17W/mK)性能的对比，其中，图8a是测试的示意图，图8b是热源的升温曲线，图8c是热源的平衡温度的红外热像图。
从图8b中可以看出：使用热界面材料2的热源最终平衡温度远低于使用商用热界面材料的热源温度。
从图8c中可以看出：热界面材料2相对于商用热界面材料在热管理方面具有明显的优势。
实施例1-13所得热界面材料的性能参数汇总如下表1所示。
表1
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种热界面材料，其特征在于，所述热界面材料由层叠结构经弯曲褶皱、任选的水平压制和任选的高温处理得到，所述热界面材料的上下表面的二维高导热纳米片具有水平堆栈结构，位于所述热界面材料的所述上下表面之间的中间部分的二维高导热纳米片兼具垂直堆栈结构和弯曲堆栈结构。
2.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述热界面材料的中间部分的厚度为所述热界面材料的厚度的60－99.8％。
3.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述热界面材料的中间部分中，所述垂直堆栈结构和所述弯曲堆栈结构的体积比为1－9：1－9。
4.如权利要求1所述的热界面材料，其特征在于，所述热界面材料的纵向热导率为10-600W/mK；和/或
所述热界面材料的压缩率为5-80％。
5.一种热界面材料，其特征在于，所述热界面材料仅包含权利要求1所述热界面材料的中间部分。
6.一种热界面材料，其特征在于，所述热界面材料包含：
1)权利要求1所述热界面材料或权利要求5所述热界面材料，作为基体；和
2)填充物，所述填充物分布于所述基体的表面和/或内部。
7.一种权利要求1所述热界面材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
b-1)提供层叠结构；
b-2)基于模量不匹配原理加工所述层叠结构，得到褶皱的层叠结构；
b-3)沿所述褶皱的层叠结构的水平方向以第一压力压制所述褶皱的层叠结构，接着任选地在第一温度下退火处理第一时间段，得到所述热界面材料。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述“基于模量不匹配原理加工”是指将所述层叠结构以范德华力粘合于外力固定的低模量预拉伸的弹性体上后，去除外力，将所述层叠结构褶皱化的加工工艺。
9.一种权利要求6所述热界面材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
b-1)提供第一浆料和作为基体的权利要求1所述热界面材料或权利要求5所述热界面材料，其中，所述第一浆料包含高分子材料和任选的导热增强材料；
b-2)使用所述第一浆料填充或涂覆所述基体，固化后得到所述热界面材料。
10.一种制品，其特征在于，所述制品包含选自下组的一种或多种组分：
1)权利要求1所述热界面材料；
2)权利要求5所述热界面材料；
3)权利要求6所述热界面材料。
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