CN107911992A - 一种纤维增强铜石墨散热膜及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于新材料技术领域，具体涉及到一种纤维增强铜石墨散热膜及制备方法，该纤维增强铜石墨散热膜，包括纤维增强石墨层、金属过渡层和金属铜层；本发明制得的纤维增强铜石墨散热膜力学性能好，耐温性好、比重低、结合力强、再加工性强，并且各向都具有良好的导热性，并且制备方法工艺简单、操作方便、经济环保。

Description

一种纤维增强铜石墨散热膜及制备方法

技术领域

本发明属于新材料技术领域，尤其涉及到一种纤维增强铜石墨散热膜及制备方法。

背景技术

手机、笔记本、LED电视等电子产品使用时，其电子元器件工作状态会持续产生热量，如不能及时把热量导出或消除，将导致电子元器件局部高温，严重影响电子设备的运行效率及寿命，甚至会导致火灾或爆炸事故。而随着电子产品向高功率、轻薄化、屏幕大尺寸化发展，其产生的高热量对电子元器件的散热提出了更高的要求，人们对电子产品的安全问题也越来越重视，目前，一种新型散热材料轻质铜石墨散热膜可以继承金属铜和石墨两种材料的优点，达到单一产品达不到的性能，具有良好的散热效果。

目前国内外关于铜石墨散热膜的研究较少，现有技术的铜石墨散热材料一般先在预处理后的铜箔表面贴胶，然后将其与石墨基材贴合而成，工艺复杂、操作性差。石墨层与铜箔之间存在粘合胶类，会降低各层间的热量传导性能，且粘合胶类耐温性能差，影响了石墨散热材料的使用性能。

随着电子产品对散热器件的轻薄化要求，作为铜石墨散热材料重要组成的石墨基材，一般通过高温膨胀轧制而成，当厚度较薄时，拉伸强度、断裂强度等力学性能很低，不能满足铜石墨散热膜后续覆镀金属等工艺要求，难以满足终端应用超薄化发展的要求。因此，越来越多的研究摒弃了胶合的工艺。

公开号为CN105101758A的中国发明申请公开了一种天然石墨/铜复合散热片及其制备方法，包括铜箔层和位于铜箔层上下两面的石墨层；铜箔层包括铜基材和位于铜基材上下两面的粗化层；粗化层的表面均匀分布有瘤状铜颗粒结构；粗化层通过瘤状铜颗粒结构与石墨层互相咬合，但是该发明在石墨层与粗化层咬合的过程中容易发生断裂，力学性能差，对设备工艺操作要求高，不适合广泛推广。为了解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种纤维增强铜石墨散热膜及制备方法。

发明内容

本发明目的之一是为了提供一种力学性能好，耐温性好、比重低、结合力强、再加工性强，并且各向都具有良好的导热性的纤维增强铜石墨散热膜；本发明目的之二是提供该纤维增强铜石墨散热膜的制备方法，工艺简单、操作方便、经济环保。

本发明目的之一通过以下具体技术方案实现：

一种纤维增强铜石墨散热膜，包括纤维增强石墨层、金属过渡层和金属铜层。

本发明目的之一还可以通过以下具体技术方案实现：

所述的纤维增强石墨层为片状或卷状，是由纤维与石墨基材混合均匀，在温度900～1200℃下进行轧制得到，所述的纤维为碳纤维与石墨纤维中的一种或是两种组合，所述的石墨基材为合成石墨与天然石墨的一种或两种组合。

石墨是由碳元素组成的平面层状结构构成的物质，其水平方向导热性良好，但是其垂直方向由于平面层间断，导致导热性能差，并且如果将石墨与金属直接复合，抗冲击性能较差，而将碳纤维均匀无规律的分散在石墨内部，可以改善其力学性能，并且其垂直方向导热性变好。

所述的纤维长度为1～20mm。

所述的纤维增强石墨层中纤维与石墨基材的质量比为10～40：90～60。

所述的金属过渡层为银、铜、金、铝、镍的一种或两种及以上组合。

所述的纤维增强石墨层的厚度为20～200μm；所述的金属过渡层单层厚度为0.02～0.5μm；所述的金属铜层单层厚度为1～10μm。

本发明目的之二通过以下具体技术方案实现：

该纤维增强铜石墨散热膜的制备方法，按如下步骤进行：

S1、将纤维增强石墨层在温度60～100℃条件下烘干24～48h，然后进行表面处理1～10min；降低其含水量；

S2、将步骤S1处理后的纤维增强石墨层表面的单面或双面覆镀金属过渡层；以提高其表面洁净度及与金属过渡层的结合力；

S3、将步骤S2覆镀的一层或两层金属过渡层表面进一步覆镀金属铜层，即得纤维增强铜石墨散热膜。

本发明目的之二还通过以下具体技术方案实现：

步骤S1中所述的表面处理采用等离子体处理、离子源与电晕处理的一种。

步骤S2中所述的覆镀为物理气相沉淀或真空蒸镀。

步骤S3中所述的覆镀为电镀或化学镀。

本发明公开的纤维增强铜石墨散热膜中使用的纤维增强石墨层，利用均匀分散在石墨基材内部的纤维作为增强相，大大提高了石墨基材层的力学强度，解决了石墨基材层因厚度太薄，力学强度太差难以满足使用要求的技术难题，本发明可以应用在超薄化发展中，拓展了铜石墨散热膜的应用领域。

本发明采用电镀或化学镀覆镀金属铜层可卷对卷连续化生产，效率高，可加工性强，覆镀的金属铜层结晶细致、厚度薄，可控制在1～10μm，解决了传统铜箔粘合技术工艺复杂、操作性差的缺点。

本发明通过在纤维增强石墨层上物理气相沉淀或真空蒸镀覆镀金属过渡层，在保证金属铜层与纤维增强石墨层结合力的同时，实现了层间无胶化结合，提高了各层间的热量传导率及材料整体的耐温性能。

本发明制备的纤维增强铜石墨散热膜将高导热的金属与石墨基材进行了无缝结合，金属铜层能够迅速捕集发热源散发的热量，通过金属过渡层传导至纤维增强石墨层，快速散发热量，融合了石墨良好的水平导热性能和金属铜优异的各向导热性能，铜石墨散热膜的整体导热效率更高。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)更薄、力学性能好，本发明纤维增强铜石墨散热膜中采用纤维石墨复合，改善了石墨厚度太薄导致的力学强度太差的问题；

(2)本发明采用的化学镀或电镀使金属镀层分布更加均匀，结晶更加细致；

(3)本发明采用的物理气相沉淀或真空蒸镀覆镀金属过渡层，不适用胶黏剂，耐温性高，导热性能好；

(4)本发明制备的纤维增强铜石墨散热膜水平方向与垂直方向均具有良好的导热性能。

本发明方法制备的纤维增强铜石墨散热膜，具有良好的各向(水平、垂直)导热性、力学性能好、比重轻、结合力高、再加工性强等优点，将其应用于手机、电脑、传感器、光纤通信设备等电子产品中，起到导热、散热和防静电等作用。并且本发明制备方法工艺简单、安全可靠、操作方便、经济环保，易于规模化批量生产。

附图说明

图1是本发明实施例中纤维增强铜石墨散热膜的纵向剖面示意图；

图2是本发明实施例中纤维增强石墨散热层的纵向剖面示意图。

其中，1-金属铜层，2-金属过渡层，3-纤维增强石墨层，31-均匀分布的纤维，32-石墨基材。

具体实施方式

有关本发明的详细说明及技术内容，配合附图说明如下，然而附图仅提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

参照图1，一种纤维增强铜石墨散热膜，包括纤维增强石墨层3、纤维增强石墨层上下两表面所设置的金属过渡层2，以及金属过渡层上下两表面所设置的金属铜层1。所述所述金属过渡层为银、铜、金、铝、镍的一种或多种；所述纤维增强石墨层形状为片状或卷状的一种。

参照附图2，纤维增强石层，包括石墨基材32、石墨基材中均匀分布的纤维31。所述所述纤维为石墨纤维、碳纤维的一种或多种，形状为长纤维或短纤维的一种或多种；所述石墨基材为合成石墨或天然石墨的一种或多种。

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。以下实施例是纤维增强铜石墨散热膜的较佳实施例，非用以限定本发明的专利范围，其他运用本发明的专利精神的等效变化，均应俱属本发明的专利范围。

实施例1：

所述的纤维增强铜石墨散热膜包括纤维增强石墨层、金属过渡层和金属铜层，其中纤维增强石墨层为：碳纤维与天然石墨基材按照质量比10:90混合均匀，在温度为1100℃下进行轧制，得到的卷状碳纤维增强石墨层；所述的纤维为碳纤维长度为5mm；金属过渡层为镍金属，单层厚度为0.1μm；金属铜层单层厚度为2μm；纤维增强石墨层的厚度为50μm。

制备方法为：

S1、将纤维增强石墨层在温度60℃条件下烘干24h，然后其双面进行表面处理2min；

S2、采用物理气相沉积方法，将步骤S1处理后的纤维增强石墨层双面覆镀金属过渡层金属镍；

S3、采用化学镀方法，将步骤S2覆镀两层的金属过渡层表面进一步覆镀金属铜层，即得纤维增强铜石墨散热膜。

实施例2：

所述的纤维增强铜石墨散热膜包括纤维增强石墨层、金属过渡层和金属铜层，其中纤维增强石墨层为：石墨纤维与合成石墨基材按照质量比30:70混合均匀，在温度为1000℃下进行轧制，得到的片状碳纤维增强石墨层；所述的纤维为石墨纤维长度为20mm；金属过渡层为银和铜金属的组合，单层厚度为0.5μm；金属铜层单层厚度为4μm；纤维增强石墨层的厚度为100μm。

制备方法为：

S1、将纤维增强石墨层在温度80℃条件下烘干36h，然后其单面进行等离子体作用表面处理5min；

S2、采用真空蒸镀方法，将步骤S1处理后的纤维增强石墨层单面覆镀金属过渡层金属银和铜；

S3、采用化学镀方法，将步骤S2覆镀的金属过渡层表面进一步覆镀金属铜层，即得纤维增强铜石墨散热膜。

实施例3：

所述的纤维增强铜石墨散热膜包括纤维增强石墨层、金属过渡层和金属铜层，其中纤维增强石墨层为：碳纤维与天然石墨基材按照质量比40:60混合均匀，在温度为900℃下进行轧制，得到的片状碳纤维增强石墨层；所述的纤维为碳纤维长度为10mm；金属过渡层为铝金属，单层厚度为0.3μm；金属铜层单层厚度为10μm；纤维增强石墨层的厚度为200μm。

制备方法为：

S1、将纤维增强石墨层在温度100℃条件下烘干36h，然后其单面进行等离子体作用表面处理10min；

S2、采用真空蒸镀方法，将步骤S1处理后的纤维增强石墨层单面覆镀金属过渡层金属铝；

S3、采用电镀方法，将步骤S2覆镀的金属过渡层表面进一步覆镀金属铜层，即得纤维增强铜石墨散热膜。

实施例4：

所述的纤维增强铜石墨散热膜包括纤维增强石墨层、金属过渡层和金属铜层，其中纤维增强石墨层为：碳纤维与合成石墨基材按照质量比25:75混合均匀，在温度为1200℃下进行轧制，得到的卷状碳纤维增强石墨层；所述的纤维为碳纤维长度为1mm；金属过渡层为金和铝金属的组合，单层厚度为0.02μm；金属铜层单层厚度为1μm；纤维增强石墨层的厚度为20μm。

制备方法为：

S1、将纤维增强石墨层在温度80℃条件下烘干48h，然后其单面采用电晕作用表面处理1min；

S2、采用物理气相沉积方法，将步骤S1处理后的纤维增强石墨层单面覆镀金属过渡层金属金和铝；

S3、采用化学镀方法，将步骤S2覆镀的金属过渡层表面进一步覆镀金属铜层，即得纤维增强铜石墨散热膜。

试验例1：

试验对象：实施例1-4制得的纤维增强铜石墨散热膜；

试验方法：描述得到的纤维增强铜石墨散热膜的结构层，并且测试纤维增强铜石墨散热膜膜面垂直方向的导热系数，具体如表1所示。

表1纤维增强铜石墨散热膜结构与导热系数

从表1中可以看出，实施例1-4制得的纤维增强铜石墨散热膜包括层状与卷状，结构清晰，并且其膜面垂直方向的导热系数高，散热效果好。

Claims (10)

1.一种纤维增强铜石墨散热膜，其特征在于，包括纤维增强石墨层、金属过渡层和金属铜层。

2.根据权利要求1所述的纤维增强铜石墨散热膜，其特征在于，所述的纤维增强石墨层为片状或卷状，是由纤维与石墨基材混合均匀，在温度900～1200℃下进行轧制得到，所述的纤维为碳纤维与石墨纤维中的一种或是两种组合，所述的石墨基材为合成石墨与天然石墨的一种或两种组合。

3.根据权利要求2所述的纤维增强铜石墨散热膜，其特征在于，所述的纤维长度为1～20mm。

4.根据权利要求2所述的纤维增强铜石墨散热膜，其特征在于，所述的纤维增强石墨层中纤维与石墨基材的质量比为10～40：90～60。

5.根据权利要求1所述的纤维增强铜石墨散热膜，其特征在于，所述的金属过渡层为银、铜、金、铝、镍的一种或两种及以上组合。

6.根据权利要求1所述的纤维增强铜石墨散热膜，其特征在于，所述的纤维增强石墨层的厚度为20～200μm；所述的金属过渡层单层厚度为0.02～0.5μm；所述的金属铜层单层厚度为1～10μm。

7.一种权利要求1-6任一纤维增强铜石墨散热膜的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：

S1、将纤维增强石墨层在温度60～100℃条件下烘干24～48h，然后进行表面处理1～10min；

S2、将步骤S1处理后的纤维增强石墨层表面的单面或双面覆镀金属过渡层；

S3、将步骤S2覆镀的一层或两层金属过渡层表面进一步覆镀金属铜层，即得纤维增强铜石墨散热膜。

8.根据权利要求7所述的纤维增强铜石墨散热膜的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述的表面处理采用等离子体处理、离子源与电晕处理的一种。

9.根据权利要求7所述的纤维增强铜石墨散热膜的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述的覆镀为物理气相沉淀或真空蒸镀。

10.根据权利要求7所述的纤维增强铜石墨散热膜的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述的覆镀为电镀或化学镀。