CN107512041A - 一种铜箔‑石墨烯/碳纳米管或铜箔‑石墨烯/碳纳米管‑铜箔导热薄膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铜箔‑石墨烯/碳纳米管或铜箔‑石墨烯/碳纳米管‑铜箔导热薄膜的制备方法，步骤为：(1)a.将包含氧化石墨烯(GO)与碳纳米管的混合溶液进行水热还原反应、球磨得到石墨烯/碳纳米管浆料；或b.将包含石墨和分散剂的溶液用机械剥离的方法剥离后，与碳纳米管混合，得到石墨烯/碳纳米管浆料；(2)将石墨烯/碳纳米管浆料涂覆在铜箔上，得到铜箔‑石墨烯/碳纳米管双层结构；任选地，在所述双层结构的石墨烯/碳纳米管层上复合另一片铜箔，得到铜箔‑石墨烯/碳纳米管‑铜箔三层结构。该方法制备的导热薄膜具有400W m‑1k‑1以上的热导率，并且，该制备方法工艺简单、操作便捷，反应材料廉价、易得，而且可以大规模生产。

Description

一种铜箔-石墨烯/碳纳米管或铜箔-石墨烯/碳纳米管-铜箔 导热薄膜的制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料技术及散热领域，更具体地，涉及一种铜箔-石墨烯/碳纳米管或铜箔-石墨烯/碳纳米管-铜箔导热薄膜的制备方法。
背景技术
随着科学技术的快速发展，高效导热和散热成为许多领域亟待解决的问题。例如高功率电子设备在运行过程中会产生大量的热量。高度集成的电子器件(如CPU)，其单位体积电子器件在运行过程中的发热量迅速增大的同时，会使系统产生的热量骤增。如果不能及时将热量传导出去，就会导致半导体器件提前老化或是加速电子元件的热机械损坏。因此为了满足人们对高功率，小体积的电子设备产品的需求，迫切需要开发一种质量轻、导热率高的材料。
传统的金属导热材料中，金和银有优良的导热性能，但其高价格让其难以被广泛应用。金属铜也有较好的散热效果，但因其具有密度大、塑造性较差，还容易被氧化而降低性能等局限性，也很难满足目前日益增长的对于高散热材料的要求。另外，在航天领域，小体积设备不仅仅需要导热材料有高的导热率和高温承受能力，还要有良好的热机械性能和较小的密度。
目前许多科学家认识到利用碳材料的特殊结构和性能可以生产出满足上述要求的高导热材料。石墨单晶(002)晶面理论热导率高达2100W m-1k-1以上。而且碳材料具有较低的密度、低热膨胀系数、优异的机械性能，是近年来最具发展前景的一类导热材料，因而在能源、通讯、电子、计算技术、激光和空间科学等领域具有广阔的应用前景。但是一般多晶石墨材料的常温热导率仅为70～150W m-1k-1，远远不能满足一些特殊场合的需求。
因此，构筑一种高性能低密度的新型结构的导热材料是急迫需要的。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种铜箔-石墨烯/碳纳米管或铜箔-石墨烯/碳纳米管-铜箔导热薄膜的制备方法。该方法制备的两层或三层的导热薄膜具有400W m-1k-1以上的热导率，其中通过对反应原料，关键工艺步骤和结构进行改进，实现了新型两层或三层结构导热薄膜的制备。并且，该制备方法工艺简单、操作便捷，反应材料廉价、易得，而且可以大规模生产。
为实现上述目的，本发明提供一种铜箔-石墨烯/碳纳米管或铜箔-石墨烯/碳纳米管-铜箔导热薄膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)石墨烯/碳纳米管浆料的制备：
a).将包含氧化石墨烯(GO)与碳纳米管的混合溶液进行水热还原反应，然后球磨制备得到石墨烯/碳纳米管浆料；或
b).将包含石墨和分散剂的溶液用机械剥离的方法剥离后，与碳纳米管混合，制备得到石墨烯/碳纳米管浆料；
(2)导热薄膜的制备：将步骤(1)中制备的石墨烯/碳纳米管浆料涂覆在铜箔上，得到铜箔-石墨烯/碳纳米管双层结构；任选地，在所述双层结构的石墨烯/碳纳米管层上复合另一片铜箔，得到铜箔-石墨烯/碳纳米管-铜箔三层结构。
根据本发明，步骤(1)a)中，所述碳纳米管与氧化石墨烯的质量比为0：1到10:1之间。
根据本发明，步骤(1)b)中，所述包含石墨的溶液中还包括分散剂，例如为十二烷基苯磺酸钠、十八烷基硫酸钠、十六烷基三甲基氯化铵、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、羧甲基纤维素钠和聚乙二醇中的至少一种。
根据本发明，步骤(1)a)中，所述球磨的时间为1～10h，优选为2～5h，更优选为4h。
根据本发明，步骤(1)a)中，所述氧化石墨烯的浓度为0.01mg/ml-50mg/ml。
根据本发明，步骤(1)a)中，所述反应温度为160℃～200℃，优选为180℃。
根据本发明，步骤(1)a)中，所述反应时间为4～10h，优选为5～8h，更优选为6h、8h。
根据本发明，步骤(2)中，所述涂覆方法包括刷涂法、喷涂法、刮涂法、印刷法等。
根据本发明，步骤(2)中，在所述双层结构的石墨烯/碳纳米管层上复合另一片铜箔，所述复合方法为滚压方法。
本发明还提供一种由上述方法制备得到的双层或三层导热薄膜。
本发明还提供一种铜箔-石墨烯/碳纳米管双层导热薄膜，包括，铜箔和在其上的石墨烯和纳米管混合层。
本发明还提供一种铜箔-石墨烯/碳纳米管-铜箔导热薄膜，包括两层铜箔，和在两层铜箔之间设置有一层石墨烯和碳纳米管的混合层。
本发明的技术方案与现有技术相比，具有以下优点：
1.本发明将石墨烯和碳纳米管联合使用，再将其与铜箔复合形成两层或三层结构。所述铜箔-石墨烯/碳纳米管两层薄膜，具有良好的传热能力，较低的密度和优异的机械性能。而铜箔-石墨烯/碳纳米管-铜箔三层薄膜，进一步提高了该薄膜的导热性能，两层或三层薄膜的热导率均能达到400W m-1k-1以上。
2.本发明采用石墨或氧化石墨烯制备高分散石墨烯与碳纳米管的复合浆料。
3.本发明采用刷涂法、喷涂法、刮涂法和印刷法等涂膜方法将制备的石墨烯/碳纳米管浆料涂覆在铜箔上，并采用滚压技术，将另一片铜箔复合在所述石墨烯/碳纳米管浆料之上，工艺简单，有利于两层或三层结构导热薄膜的大规模制备。
附图说明
图1为铜箔-石墨烯/碳纳米管两层结构导热薄膜结构示意图。
图2为铜箔-石墨烯/碳纳米管-铜箔三层结构导热薄膜结构示意图。
图3为铜箔-石墨烯/碳纳米管-铜箔三层结构导热薄膜成品图。
具体实施方式
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保护范围。此外，应理解，在阅读了本发明所公开的内容之后，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发明所限定的保护范围之内。
实施例1
两层结构导热薄膜的制备：
(1)将80mL的氧化石墨烯水溶液(1mg/mL)与40mg碳纳米管超声混合，放入100mL的高压反应釜中，在180℃下反应8h；冷却后，将沉积物离心分离，去除上清液然后加入8mL水，最后放入球磨机中球磨4h。
(2)用刮涂法将步骤(1)中制备得到的石墨烯/碳纳米管浆料均匀涂覆在25微米厚度的铜箔上，即得到两层结构导热薄膜，所得到导热薄膜的热导率为405W m-1k-1。
实施例2
三层结构导热薄膜的制备：
(1)将80mL的氧化石墨烯水溶液(1mg/mL)与40mg碳纳米管超声混合，放入100mL的高压反应釜中，在180℃下反应8h；冷却后，将沉积物离心分离，去除上清液然后加入8mL水，最后放入球磨机中球磨4h。
(2)用刮涂法将步骤(1)中制备得到的石墨烯/碳纳米管浆料均匀涂覆在25微米厚度的铜箔上，随后将另一片铜箔滚压在石墨烯/碳纳米管浆料上，即得到三层结构导热薄膜，所得到导热薄膜的热导率为423W m-1k-1。
实施例3
三层结构导热薄膜的制备：
(1)将80mL的氧化石墨烯水溶液(1mg/mL)与160mg碳纳米管超声混合，放入100mL的高压反应釜中，在180℃下反应8h；冷却后，将沉积物离心分离，去除上清液然后加入8mL水，最后放入球磨机中球磨4h。
(2)用刮涂法将步骤(1)中制备得到的石墨烯/碳纳米管浆料均匀涂覆在25微米厚度的铜箔上，随后将另一片铜箔滚压在石墨烯/碳纳米管浆料上，即得到三层结构导热薄膜，所得到导热薄膜的热导率为448W m-1k-1。
实施例4
三层结构导热薄膜的制备：
(1)将80mL的氧化石墨烯水溶液(1mg/mL)与5mg碳纳米管超声混合，放入100mL的高压反应釜中，在180℃下反应8h；冷却后，将沉积物离心分离，去除上清液然后加入8mL水，最后放入球磨机中球磨4h。
(2)用刮涂法将步骤(1)中制备得到的石墨烯/碳纳米管浆料均匀涂覆在25微米厚度的铜箔上，随后将另一片铜箔滚压在石墨烯/碳纳米管浆料上，即得到三层结构导热薄膜，所得到导热薄膜的热导率为409W m-1k-1。
实施例5
三层结构导热薄膜的制备：
(1)将80mL的氧化石墨烯水溶液(1mg/mL)与40mg碳纳米管超声混合，放入100mL的高压反应釜中，在180℃下反应8h；冷却后，将沉积物离心分离，去除上清液然后加入8mL水，最后放入球磨机中球磨4h。
(2)用刷涂法将步骤(1)中制备得到的石墨烯/碳纳米管浆料均匀涂覆在25微米厚度的铜箔上，随后将另一片铜箔滚压在石墨烯/碳纳米管浆料上，即得到三层结构导热薄膜，所得到导热薄膜的热导率为420W m-1k-1。
实施例6
三层结构导热薄膜的制备：
(1)将80mL的氧化石墨烯水溶液(1mg/mL)与40mg碳纳米管超声混合，放入100mL的高压反应釜中，在180℃下反应8h；冷却后，将沉积物离心分离，去除上清液然后加入8mL水，最后放入球磨机中球磨4h。
(2)用印刷法将步骤(1)中制备得到的石墨烯/碳纳米管浆料均匀涂覆在25微米厚度的铜箔上，随后将另一片铜箔滚压在石墨烯/碳纳米管浆料上，即得到三层结构导热薄膜，所得到导热薄膜的热导率为422W m-1k-1。
实施例7
三层结构导热薄膜的制备：
(1)将80mL的氧化石墨烯水溶液(1mg/mL)与40mg碳纳米管超声混合，放入100mL的高压反应釜中，在180℃下反应8h；冷却后，将沉积物离心分离，去除上清液然后加入8mL水，最后放入球磨机中球磨4h。
(2)用喷涂法将步骤(1)中制备得到的石墨烯/碳纳米管浆料均匀涂覆在25微米厚度的铜箔上，随后将另一片铜箔滚压在石墨烯/碳纳米管浆料上，即得到三层结构导热薄膜，所得到导热薄膜的热导率为419W m-1k-1。
实施例8
三层结构导热薄膜的制备：
(1)将一定量的石墨、一定量的表面分散剂和一定量的水通过机械剥离制备石墨烯质量比为1-15％的石墨烯溶液。加入100mg碳纳米管超声混合，得到石墨烯/碳纳米管浆料。
(2)用刮涂法将步骤(1)中制备得到的石墨烯/碳纳米管浆料均匀涂覆在铜箔上，随后将另一片铜箔滚压在石墨烯/碳纳米管浆料上，即得到三层结构导热薄膜，所得到导热薄膜的热导率为426W m-1k-1。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铜箔-石墨烯/碳纳米管或铜箔-石墨烯/碳纳米管-铜箔导热薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)石墨烯/碳纳米管浆料的制备：
a).将包含氧化石墨烯(GO)与碳纳米管的混合溶液进行水热还原反应，然后球磨制备得到石墨烯/碳纳米管浆料；或
b).将包含石墨和分散剂的溶液用机械剥离的方法剥离后，与碳纳米管混合，制备得到石墨烯/碳纳米管浆料；
(2)导热薄膜的制备：将步骤(1)中制备的石墨烯/碳纳米管浆料涂覆在铜箔上，得到铜箔-石墨烯/碳纳米管双层结构；
任选地，在所述双层结构的石墨烯/碳纳米管层上复合另一片铜箔，得到铜箔-石墨烯/碳纳米管-铜箔三层结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)a)中，所述碳纳米管与氧化石墨烯的质量比为0：1到10:1之间。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(1)b)中，所述包含石墨的溶液中还包括分散剂，例如为十二烷基苯磺酸钠、十八烷基硫酸钠、十六烷基三甲基氯化铵、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、羧甲基纤维素钠和聚乙二醇中的至少一种。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)a)中，所述球磨的时间为1～10h，优选为2～5h，更优选为4h。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)a)中，所述氧化石墨烯的浓度为0.01mg/ml-50mg/ml；
优选的，所述反应温度为160℃～200℃，优选为180℃；
优选的，所述反应时间为4～10h，优选为5～8h，更优选为6h、8h。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述涂覆方法包括刷涂法、喷涂法、刮涂法、印刷法等。
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，在所述双层结构的石墨烯/碳纳米管层上复合另一片铜箔，所述复合方法为滚压方法。
8.由权利要求1-7任一项所述方法制备得到的双层或三层导热薄膜。
9.一种铜箔-石墨烯/碳纳米管双层导热薄膜，包括铜箔，和在其上的石墨烯和纳米管混合层。
10.一种铜箔-石墨烯/碳纳米管-铜箔导热薄膜，包括两层铜箔，和在两层铜箔之间设置有一层石墨烯和碳纳米管的混合层。
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