CN107564874B - 一种柔性散热薄膜及其制作方法和复合柔性散热薄膜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性散热薄膜及其制作方法和复合柔性散热薄膜，该薄膜包括泡沫金属基材层、位于泡沫金属基材层上、下侧的改性石墨烯浆料层，改性石墨烯浆料层中的改性石墨烯浆料至少有部分渗透到泡沫金属基材层中，薄膜的厚度为5um～500um；其中，泡沫金属基材层中的金属为铜、镍、银、铝中的至少一种，改性石墨烯浆料层是指含有由石墨烯、纳米金属、金属氧化物和金属氮化物组成的特性材料的浆料层。柔性散热薄膜的制作方法是指在泡沫状金属基材上使用涂覆工艺将改性石墨烯浆料涂覆于基材上、经烘干或镀膜成型压延制得柔性散热薄膜。本案的柔性散热薄膜高抗拉强度、耐高温散热的各种形状的超薄散热片或折叠式散热器件。

Description

一种柔性散热薄膜及其制作方法和复合柔性散热薄膜

技术领域

本发明涉及一种柔性散热薄膜的制作方法。

背景技术

随着电子器件产品逐渐向高集成度、高运算领域的发展，耗散功率随之倍增，散热日益成为一个亟待解决的难题。一直以来，铜质、铝质等传统散热器的散热效果被广为接受，然而金属材料存在难于加工、耗费能源、密度过大、导电、易变形以及废料难回收等诸多问题。近年来具有高导热系数的石墨散热膜逐渐占据电子器件散热的市场。目前石墨散热膜已大量应用于通讯工业、医疗设备、SONY/DELL/Samsung 笔记本、中兴手机、SamsungPDP、PC 内存条，LED 基板等散热等。随着石墨烯的发现，人们发现与石墨相比，石墨烯具有更优越的散热性能，以石墨烯制成的散热膜散热性能会大大优于石墨。

石墨散热膜的主要材料是天然石墨。石墨散热片具有独特的晶粒取向，可沿两个方向均匀导热，不会造成局部过热；平面内具有150-1500 W/m.K 范围内的超高导热性能；片层状结构可很好地适应任何表面；屏蔽热源与组件的同时改进消费类电子产品的性能；质量轻成本低。散热膜具有较大的散热有效表面积，在这个表面上热力被转移并由外界冷却媒介带走。石墨散热片通过将热量均匀的分布在二维平面从而有效的将热量转移，保证组件在所承受的温度下工作。

石墨烯是最薄最轻:厚0.34nm,比表面积2630m2/g；载流子迁移率最高:室温下20万cm²/Vs（硅的100倍），理论100万cm²/Vs；电流密度耐性最大:有望达到2亿A/cm²；强度最大最坚硬:破坏强度42N/m，杨氏模量与金刚石相当 ；导热率最高:3000-5000W/m.K，是铜的13倍多。由此可见，与石墨和传统散热材料相比，石墨烯所具有的快速导热特性与快速散热特性将使得石墨烯成为极佳的散热材料。用于智能手机、平板手持电脑、大功率节能LED照明、超LCD电视等的散热。尽管石墨烯散热薄膜在各种领域有广泛的应用市场, 但在使用中存在不可折弯成型及抗拉强度低,易破裂等使用上的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的第一目的是提供一种柔性散热薄膜。本发明的第二目的是提供该柔性散热薄膜的制作方法。本发明的第三目的是提供该柔性散热薄膜的应用。

为实现上述发明的第一目的，本发明采用的技术方案如下：一种柔性散热薄膜，其特征在于：该薄膜包括泡沫金属基材层、位于所述的泡沫金属基材层上、下侧的改性石墨烯浆料层，所述改性石墨烯浆料层中的改性石墨烯浆料至少有部分渗透到所述的泡沫金属基材层中，所述薄膜的厚度为5μm～500μm；其中，所述的泡沫金属基材层中的金属为铜、镍、银、铝中的至少一种，所述的改性石墨烯浆料层是指含有由石墨烯、纳米金属、金属氧化物和金属氮化物组成的特性材料的浆料层。

上述技术方案中，优选的，所述的改性石墨烯浆料层中含有质量百分含量为0.02%～5%的特性材料。

上述技术方案中，优选的，所述的改性石墨烯浆料层中含有如下重量份的组分：石墨烯0.1～5份，纳米银0.05～1.5份，纳米铜0.5～3.0份，金属氧化物0.01～0.5份，金属氮化物0.02～1.2份，高分子粘合剂92～98份。

为了实现上述发明的第二目的，本发明采用如下技术方案：一种柔性散热薄膜的制作方法，该方法包括在泡沫金属基材的外表面上涂覆改性石墨烯浆料，而后进行烘干，再压延。

上述技术方案中，优选的，将所述的改性石墨烯浆料涂覆于泡沫金属基材采用的工艺选自浸涂工艺、滚涂工艺、喷涂工艺、挤出涂覆工艺或镀膜工艺中的一种或多种工艺组合。

上述技术方案中，优选的，所述的烘干为低温真空烘干；烘干温度控制在30℃～50℃之间，真空度为0.08～0.09MPa之间。

上述技术方案中，优选的，所述的方法还包括在所述的烘干步骤后依次进行的真空碳化、真空镀膜处理。

上述技术方案中，优选的，所述的泡沫金属基材为厚度为0.1mm ~ 10mm、宽度为5mm ~ 2000mm的卷材或片材，所述的泡沫金属基材的泡沬孔径为0.1mm ~ 2mm、孔隙率为50% ~ 98%、通孔率≥98% 、体积密度为0.1 ~ 0.8g/cm³。

为了实现上述发明的第三目的，本发明采用如下技术方案：一种复合柔性散热薄膜，含有多层所述的柔性散热薄膜。

上述技术方案中，优选的，多层所述的柔性散热薄膜通过冷压或高温压延成型。

与现有技术相比，本发明具有如下积极效果： 本案的薄膜柔韧性好，能任意折叠，也可用剪刀剪成任意形状，其相较于常用的铜/石墨散热材料将提升4-6倍的散热效果，可以用于制作各种需要高抗拉强度、耐高温散热的、各种形状的超薄散热片或折叠式散热器件。

附图说明

图1为本发明提供的单层柔性散热薄膜的结构图；

图2为本发明提供的一种柔性散热薄膜---卷材对卷材制作工艺图；

图3为本发明提供的一种柔性散热薄膜---卷材热压真空镀膜制作工艺图；

图4为本发明提供的一种柔性散热薄膜---卷材热压电镀膜制作工艺图；

图5为本发明提供的3层复合柔性散热薄膜---工艺多层压制结构图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细、完整地说明。

如图1所示的柔性散热薄膜10，它为3层复合结构，分别为中间层101、上表面层201、下表面层301。其中，中间层101为泡沫金属基材层，上、下表面层201和301均为改性石墨烯浆料层，薄膜的厚度在5μm -500μm之间，由于中间层101为泡沫结构，上、下表面层201和301中的改性石墨烯浆料至少有部分渗透到中间层101的泡沫金属基材中。

泡沫金属基材层由泡沫状金属材料构成，其中该金属材料可以选用的金属为铜、镍、银、铝中的一种或两种以上任意配比的混合物。

改性石墨烯浆料层指含有由石墨烯、纳米金属、金属氧化物和金属氮化物组成的特性材料的浆料层，其中改性石墨烯浆料层中含有质量百分含量为0.02%～5%的特性材料。

下面列举几个实施例来说明该柔性散热薄膜的制作过程：

实施例1：

选材：泡沫金属基材选用泡沫镍基材，其采用厚度为1.0mm、宽度为200mm的卷材，泡沫镍基材料的泡沬孔径为 0.5mm、孔隙率为75%、通孔率为≥98%、体积密度为0.45g/cm³；涂覆材料选用含0.2%纳米铜，0.3%的丙烯酸树酯的粘合剂，1.5％石墨烯，98%溶剂组成的改性石墨烯浆料。

利用附图2所示的工艺制作柔性散热薄膜卷材，其中涂覆材料是通过浸涂方法涂覆在基材表面的。具体制作步骤如下：

一、系统进料辊浸涂和低温真空烘干

泡沫镍基材8经基材放卷系统1等张力地进入到三辊混浸涂系统4,将泡沬镍基材8表面辊浸涂含0.1%纳米铜改性石墨烯浆料的涂覆材料；而后经低温真空烘干系统7烘干,获得排列有序的纳米尺寸的网状立体结构层,其中，低温真空烘干系统7的烘干温度设定在40℃～45℃之间，真空度控制在0.08～0.09MPa。

二、烘干后柔性膜的三辊压延制作

将低温烘干后的柔性散热膜半成品导入三辊热压成型系统5中，三辊热压成型系统5中设定线压力为3～4MPa/cm，压辊温度为400℃，压辊间隙控制在55μm -58μm之间,经三辊热压成型系统5压延制得厚度为60μm的柔性散热薄膜10, 柔性散热薄膜10通过导向辊12后经收卷系统3制成柔性散热薄膜卷材供进一步使用。

该例制得的单层结构柔性散热薄膜10, 经多次测试其导热率达到800-900W/m.K，超过了常见的、高导热材料铜和银的导热率，是一种优良的导热材料。

实施例2：

选材：泡沫金属基材选用泡沫镍基材，其采用厚度为0.1mm、宽度为1800mm的卷材，泡沫镍基材料的泡沬孔径为 0.85mm、孔隙率为65%、通孔率为≥80%、体积密度为0.5g/cm³；选用铜改性石墨烯材料与镍电镀液进行复配、复配含量控制在0.5%～0.8%之间, 电镀液由: 硫酸镍250g/L，氯化镍30g/L，硼酸30g/L，铜改性石墨烯0.55g/L, 十二烷基硫酸钠0.03g/L，１、４－丁炔二醇0.8g/L，PH=5.0，T=45℃），分散剂（CMC）质量浓度2g/L。

利用附图3所示的工艺制作柔性散热薄膜卷材，其中涂覆材料是通过电镀方法涂覆在基材表面的。具体制作步骤如下：

一、系统进料和工序流程

经基材放卷系统21等张力地将基材27引入到电镀系统22中。

二、泡沬镍基材表面电镀镍/铜改性石墨烯合金散热膜

电镀系统22中将电镀液超声循环加热至温度恒定在48℃, 超声频率为40Hz～80Hz,工作模式可选择单频或多频交替使用. 当达到电镀工艺条件后, 将基材27引入到电镀系统22中进行连续卷对卷电镀，电镀厚度控制在0.1μm～0.2μm之间。

电镀完成后，经导辊引入漂洗系统23进行多级高速喷射清洗及120℃的热风烘干系统工序24制得有序排列的纳米尺寸的网状立体结构的柔性散热膜半成品28，将柔性散热膜半成品28经三辊热压延成型系统25压延制得厚度10μm的柔性散热薄膜，热压温度为520℃，柔性散热薄膜经导向辊210导入到收卷系统26制成柔性散热薄膜卷材29供进一步使用。

通过本例工艺制作成的电镀石墨烯合金类型的柔性散热薄膜，经多次测试其导热率达到1200-1300W/m.K。

实施例3：

选材：泡沫金属基材选用泡沫铜基材，其采用厚度为1.0mm、宽度为200mm的卷材，泡沫铜基材料的泡沬孔径为 0.5mm、孔隙率为75%、通孔率为≥98%、体积密度为0.45g/cm³；涂覆材料选用含0.1%纳米铜改性石墨烯浆料。

利用附图4所示的工艺制作柔性散热薄膜卷材，其中涂覆材料是通过浸涂方法涂覆在基材表面的。具体制作步骤如下：

一、系统进料和抽高真空

泡沫铜基材38经基材放卷系统31等张力地进入到三辊混浸涂系统32,将泡沬镍基材38表面辊浸涂含0.1%纳米铜改性石墨烯浆料的涂覆材料37；而后经低温真空烘干系统35烘干,获得排列有序的纳米尺寸的网状立体结构层,其中，低温真空烘干系统35的烘干温度设定在40℃～45℃之间，真空度控制在0.08～0.09MPa。

将低温烘干后的柔性散热膜半成品导入三辊热压成型系统33,设定线压力为3～4MPa/cm,压辊温度为400℃,压辊间隙控制在55μm -58μm之间,柔性散热膜半成品经三辊热压成型系统33压制得厚60μm的柔性散热薄膜39，柔性散热薄膜39经导向辊310引入到卷材镀膜系统36中。

二、柔性散热膜基材表面真空碳化和真空镀铜/碳散热膜

将真空预热室312内定量加入H₂/N₂作为反应气体,在真空工作压力为1.0x10E-1Pa时，以580℃热辐射温度对导入的柔性散热薄膜39进行脱氢、脱氧改性处理（即碳化处理）,

完成碳化处理后的柔性散热薄膜39而后进入铜薄膜沉积区313并用氩气作为工艺气体，流量Ar=160sccm，靶源射频功率为1200W，靶材为铜、基材温度为400℃，沉积时间80秒。

完成预铜薄膜沉积后的柔性散热薄膜39进入纳米碳沉积区314并用CH₄气作为工艺气体、流量CH₄=260sccm，离子源射频功率为2800W、基材温度为700℃，沉积时间80秒。

完成纳米碳膜沉积后的柔性散热薄膜39进入纳米碳晶体化排序热处理区315,并用氢气作为工艺气体,流量H₂=120sccm、基材温度为900℃，沉积时间80秒。

将上述处理后的柔性散热薄膜39经收卷系统34制成柔性散热薄膜卷材311。

通过上述工艺制得的真空镀膜型柔性散热薄膜，经多次测试其导热率达到2200-2400W/m.K，是一种超高导热材料。

上述实施例1、2、3制作的柔性石墨烯散热膜外观与锡箔纸相似，柔韧能任意折叠，可用剪刀剪成任意形状。该产品相较于常用的铜/石墨散热材料将提升4-6倍的散热效果，并具有良好的可加工性。可折叠制成不同型状的散热器件或复合散热片,用于电子器件上可极大地延长了大功率LED灯和其他电子设备的使用寿命。

下面阐述一下有上述的柔性散热薄膜构成的复合柔性散热材料，如图5所示，该复合柔性散热材料20由3层不同基材的柔性散热薄膜10进行多层冷压或高温压延制得，该复合柔性散热材料可以制作成成复合柔性散热薄膜或线、带材等状态供使用。

实施例4：

下面阐述一下选用实施例1中制成的3层单层结构柔性散热薄膜制作复合柔性散热膜20，具体包括如下步骤：

一、复合用基础膜选择和三辊高温压延

如图2所示，将按照实施例1的制作工艺制成的单层结构柔性散热薄膜作为复合用基础柔性散热膜9放在复合基材放卷系统2中调整好膜的张力、并与经三辊热压成形系统5中的单层柔性散热膜10复合一起进入到三辊高温压延系统6中，控制好三辊线压力为5～6MPa/cm, 三辊温度450℃～480℃之间, 三辊间隔控制在55μm～58μm，速比为1:1.8～1.9之间进行热压延并将所制的复合柔性膜经柔性散热膜收卷系统3制成双层复合柔性散热膜。

二、重复上述一工艺制作三层复合柔性散热膜

将例二中第一步制作的双层复合柔性散热膜（柔性散热薄膜9位置处）作为复合用基础柔性散热膜11放在复合基材放卷系统2中,调整好膜的张力, 并与经三辊热压成形系统5中的单层柔性散热膜复合一起进入到三辊高温压延系统6中,控制好三辊线压力为5～6MPa/cm, 三辊温度450℃～480℃之间, 三辊间隔控制在55μm～58μm，速比为1:1.8～1.9之间进行热压延并将所制的复合柔性膜经柔性散热膜收卷系统3制成三层复合柔性散热膜11。

重复上述一或二工艺既可制作成不同要求的散热膜或不同型状的散热器件的基础材料。

本案中，制成多层结构的复合柔性散热材料中的柔性散热薄膜, 可更换不同的泡沬金属基材，可以是铜、镍、银、铝金属中的一种或多种材料组成，获得的柔性散热薄膜或者复合柔性散热材料可以用来获得不同用途的散热膜或制成各种型态的散热器件。

最后有必要在此说明的是：以上实施例只用于对本发明的技术方案作进一步详细地说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容做出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种柔性散热薄膜，其特征在于：该薄膜包括泡沫金属基材层、位于所述的泡沫金属基材层上、下侧的改性石墨烯浆料层，所述改性石墨烯浆料层中的改性石墨烯浆料至少有部分渗透到所述的泡沫金属基材层中，所述薄膜的厚度为5μm～500μm；其中，所述的泡沫金属基材层中的金属为铜、镍、银、铝中的至少一种，所述的改性石墨烯浆料层是指含有由石墨烯、纳米金属、金属氧化物和金属氮化物组成的特性材料的浆料层。

2.根据权利要求1所述的柔性散热薄膜，其特征在于：所述的改性石墨烯浆料层中含有质量百分含量为0.02%～5%的特性材料。

3.根据权利要求1所述的柔性散热薄膜，其特征在于：所述的改性石墨烯浆料层中含有如下重量份的组分：石墨烯0.1～5份，纳米银0.05～1.5份，纳米铜0.5～3.0份，金属氧化物0.01～0.5份，金属氮化物0.02～1.2份，高分子粘合剂92～98份。

4.一种如权利要求1～3中任意一项所述的柔性散热薄膜的制作方法，其特征在于：该方法包括在泡沫金属基材的外表面上涂覆改性石墨烯浆料，而后进行烘干，再压延。

5.根据权利要求4所述的柔性散热薄膜的制作方法，其特征在于：将所述的改性石墨烯浆料涂覆于泡沫金属基材的外表面所采用的工艺选自浸涂工艺、滚涂工艺、喷涂工艺、挤出涂覆工艺或镀膜工艺中的一种或多种组合。

6.根据权利要求4所述的柔性散热薄膜的制作方法，其特征在于：所述的烘干采用低温真空烘干，烘干温度控制在30℃～50℃之间，真空度为0.08～0.09MPa之间。

7.根据权利要求4所述的柔性散热薄膜的制作方法，其特征在于：所述的方法还包括在所述的烘干步骤后依次进行的真空碳化、真空镀膜处理。

8.根据权利要求4所述的柔性散热薄膜的制作方法，其特征在于：所述的泡沫金属基材为厚度为0.1mm ~ 10mm、宽度为5mm ~ 2000mm的卷材或片材，所述的泡沫金属基材的泡沬孔径为0.1mm ~ 2mm、孔隙率为50% ~ 98%、通孔率≥98% 、体积密度为0.1 ~ 0.8g/cm³。

9.一种复合柔性散热薄膜，其特征在于：含有多层如权利要求1～3中任意一项所述的柔性散热薄膜。

10.权利要求9所述的复合柔性散热薄膜，其特征在于：多层所述的柔性散热薄膜通过冷压或高温压延成型。