CN108640109A - 一种分形结构的石墨烯散热膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分形结构的石墨烯散热膜的制备方法，该分形结构的石墨烯散热膜由石墨烯微片在柔性衬底上直接组装而成，再通过液压或对辊热压或纳米压印技术得到不同厚度和形状的紧密排布的分形石墨烯散热膜，可以应用于电子产品的散热。相比较目前商用的石墨散热膜，分形结构的石墨烯散热膜的一个优势是其有更大的相对比表面积，散热膜表面的石墨烯片状微凸起可以充分与热源接触，甚至嵌入热源表面的孔洞中，极大地增加与热源间的热传导；另一方面，可以利用辐射冷却，将热量转化为特定波长的红外线，辐射到空气甚至是外太空中。本发明制备分形结构的散热膜的方法简单，对环境无污染，成本较低，适用于大批量生产。

Description

一种分形结构的石墨烯散热膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种分形结构的石墨烯散热膜的制备方法，散热膜具有自相似性结构，属于散热材料制备技术领域。
背景技术
随着电子设备不断更新换代，我们需要将更多元化的功能集成到更小体积的组件中，但是相应的就会出现散热的问题。温度的升高会导致设备运行速度减慢、器件工作中途出故障、安全问题、尺寸空间限制以及其它很多性能方面的衰减问题。因此器件的散热已经成为设计中至关重要的挑战之一，即在架构紧缩，器件结构越来越小的情况下，如何有效快速地带走工作器件更大单位功率所产生的更多热量。各种散热组件、散热片、散热膜产品的出现就是为了解决电子产品不断提高的散热需求。目前散热膜业内产品主要为天然石墨、人工石墨散热膜或者高导热金属片。传统的高导热金属片导热性能已经不能满足日益提高的散热需求，这就需要开发新一代的新材料散热薄膜，比如石墨散热膜等。因为天然石墨自身的微观结构等因素，天然石墨的散热效果是几种材料中较差的。相对而言人工石墨散热膜能做很薄，散热效果就非常好，散热快，但是人工石墨现在存在的一个大问题就是价格相对较贵。
近年来，石墨烯散热膜随着石墨烯技术的发展成为与天然石墨、人工石墨散热膜相竞争的产品，其导热性能理论上可以远远超过市场上现有的石墨散热膜。但是石墨膜除了性能不够优越之外，还存在一个问题就是由于其制作工艺是通过聚酰亚胺3000度高温烧结后压延成型的。其表面光滑，与热源间留有空气，影响了最终散热膜的散热效果。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种分形结构的石墨烯散热膜的制备方法，包含以下步骤：
(1)将石墨烯微粉分散于溶液中，呈二维层状分布；
(2)通过过滤、抽滤、喷涂或者流延工艺，在柔性衬底上沉积一定厚度的石墨烯溶液层并烘干获得石墨烯膜层，这样得到的石墨烯膜可以更加紧密有序，且呈二维层状结构；
(3)烘干后的石墨烯散热膜通过液压/对辊热压压延设备或者纳米压印技术压印成一定厚度与形状，以更加紧密有序的排布且表面呈分形结构；
(4)将石墨烯膜层从柔性衬底上剥离得到具有分形结构的石墨烯散热膜，可以直接使用或者覆胶之后使用，这样得到的石墨烯散热膜可以更加致密有序层状分布且表面分形结构有利于散热。
上述技术方案中，步骤(1)中所述石墨烯微粉通过液相剥离石墨微片或者球磨石墨微片得到，片径为10纳米到100微米。
步骤(1)中所述溶液为水、酒精、NMP、DMF、丙酮、IPA的一种或几种。
步骤(2)中所述的柔性衬底为柔性高分子薄膜或者金属薄膜；石墨烯溶液层厚度为100纳米至100毫米。
步骤(3)中所述的对辊热压温度为0摄氏度至1500摄氏度；液压为平板液压或者滚轮液压。所述的分形结构为网格状、树形、雪花或者闪电状。
步骤(3)中所述的石墨烯膜层压印后厚度为5纳米至5毫米。
本发明提出的分形结构的石墨烯散热膜的制备方法。将石墨烯与表面微观分形进行融合，制备具有分形结构的石墨烯散热膜，使其能更有效的与散热基底进行接触，散热膜表面的石墨烯片状微凸起可以充分与热源接触，甚至嵌入热源表面的孔洞中，极大地增加与热源间的热传导，进一步使得热量充分分散；另一方面，可以利用辐射冷却，将热量转化为特定波长的红外线，辐射到空气甚至是外太空中。
附图说明
图1是网格阵列分形结构的结构图；
图2是网格阵列分形结构石墨烯散热膜测试效果；
图3是雪花状分形结构石墨烯散热膜测试效果。
具体实施方式
实施例1
(1)在球磨设备中将石墨粉末在转速200rpm下球磨24小时得到少层石墨烯微片；
(2)将所得石墨烯微片在超声辅助下分散于NMP溶液中，石墨烯在溶液中呈二维层状分布；
(3)在厚度为25微米的铜箔衬底上流延1毫米厚的石墨烯溶液层并烘干获得石墨烯膜层，得到了更加紧密有序的石墨烯膜；
(4)直接对辊压印为厚度75微米的石墨烯网格阵列分形结构散热膜，以得到更加紧密有序的排布且表面呈网格分形结构的石墨烯散热膜；
(5)将压印后的石墨烯薄膜从铜箔衬底上剥离得到50微米厚的分形结构的散热膜，可以直接使用或者覆胶之后使用，这样得到的石墨烯散热膜可以更加致密有序层状分布且表面网格分形结构有利于散热，在增加接触面积的同时还可利用辐射冷却增加散热。
网格阵列分形结构的结构图如图1所示，将本例制得的具有网格阵列分形结构的石墨烯散热膜在LED表面进行了测试。将其与传统的散热硅脂进行对比实验，实验结果如图2所示，用热像仪测试其温度发现本发明具有分形结构的散热膜可以将LED同比降温10摄氏度以上，体现了其极其优越的散热效果。对比于传统的导热硅脂、金属散热膜、石墨散热膜以及市场类似的石墨烯散热膜等，降温效果最佳，散热效果显著显示了其性能优越性。这是因为分形结构的石墨烯散热膜，能更有效与散热基底进行接触，进一步使得热量充分分散；另一方面，可以利用辐射冷却，将热量转化为特定波长的红外线，辐射到空气甚至是外太空中。
实施例2
(1)在球磨设备中将石墨烯粉末在转速400rpm下球磨12小时得到石墨烯微片；
(2)将所得石墨烯微片在超声辅助下分散于DMF溶液中，呈二维层状分布；
(3)在厚度为25微米的铜箔衬底上喷涂10微米厚的石墨烯溶液层并烘干获得石墨烯膜层，得到了更加紧密有序的石墨烯膜，且呈二维层状结构；
(4)对辊压印为厚度25.5微米厚的石墨烯雪花分形结构散热膜，以得到更加紧密有序的排布且表面呈雪花分形结构的石墨烯散热膜；
(5)将压印后的铜/石墨烯薄膜剥离，石墨烯从铜衬底上剥离获得500纳米厚的分形结构的散热膜，可以直接使用或者覆胶之后使用，这样得到的石墨烯散热膜可以更加致密有序层状分布且表面雪花分形结构有利于散热，在增加接触面积的同时利用辐射冷却增加散热。
将本例得到的雪花状分形结构的石墨烯散热膜在小米4C手机CPU表面进行了测试。将其与原装的石墨散热膜进行对比实验，实验结果如图3所示，用手机软件测试其CPU温度，发现这里的分形结构的散热膜可以将小米手机CPU同比降温5摄氏度以上，体现了其极其优越的散热效果。对比于传统的导热硅脂、金属散热膜、石墨散热膜以及市场类似的石墨烯散热膜等，降温效果最佳，散热效果显著显示了其性能优越性。这是因为分形结构的石墨烯散热膜，能更有效与散热基底进行接触，进一步使得热量充分分散；另一方面，可以利用辐射冷却，将热量转化为特定波长的红外线，辐射到空气甚至是外太空中。
实施例3
(1)在40KHz的超声器中超声分散于NMP中的石墨粉末24小时，液相剥离法得到石墨烯微片的NMP分散液，过滤得到石墨烯粉末并溶解于酒精中，呈二维层状分布；
(2)在厚度为20微米的PET衬底上流延200微米厚的石墨烯溶液层并烘干获得石墨烯膜层，得到了更加紧密有序的石墨烯膜，且呈二维层状结构；
(3)通过平板液压为厚度30微米的石墨烯闪电分形结构散热膜，以得到更加紧密有序的排布且表面呈闪电分形结构的石墨烯散热膜；
(4)将压印后的石墨烯薄膜从PET衬底上剥离得到10微米厚分形结构的散热膜，可以直接使用或者覆胶之后使用，这样得到的石墨烯散热膜可以更加致密有序层状分布且表面闪电分形结构有利于散热，在增加接触面积的同时利用辐射冷却增加散热。
实施例4
(1)在40KHz的超声器中超声分散于NMP中的石墨粉末24小时，液相剥离法得到石墨烯微片的NMP分散液，过滤得到石墨烯粉末并溶解分散在无水酒精当中，呈二维层状分布；
(2)在厚度为20微米的PET衬底上流延400微米厚的石墨烯溶液层并烘干获得石墨烯膜层，得到了更加紧密有序的石墨烯膜，且呈二维层状结构；
(3)通过对辊压印为厚度40微米的石墨烯雪花分形结构散热膜，以得到更加紧密有序的排布且表面呈雪花分形结构的石墨烯散热膜；
(4)将压印后的石墨烯薄膜从PET衬底上剥离得到20微米厚分形结构的散热膜，可以直接使用或者覆胶之后使用，这样得到的石墨烯散热膜可以更加致密有序层状分布且表面雪花分形结构有利于散热，在增加接触面积的同时利用辐射冷却增加散热。
实施例5
(1)在40KHz的超声器中超声分散于NMP中的石墨粉末24小时，液相剥离法得到石墨烯微片的NMP分散液，呈二维层状分布；
(2)在厚度为20微米的铜箔衬底上流延600微米厚的石墨烯溶液层并烘干获得石墨烯膜层，得到了更加紧密有序的石墨烯膜，且呈二维层状结构；
(3)通过对辊压印为厚度50微米的石墨烯树形分形结构散热膜，以得到更加紧密有序的排布且表面呈树形分形结构的石墨烯散热膜；
(4)将压印后的石墨烯薄膜从铜箔衬底上剥离得到30微米厚分形结构的散热膜，可以直接使用或者覆胶之后使用，这样得到的石墨烯散热膜可以更加致密有序层状分布且表面树形分形结构有利于散热，在增加接触面积的同时利用辐射冷却增加散热。

Claims (7)

1.一种分形结构的石墨烯散热膜的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
(1)将石墨烯微片均匀分散于溶液中，呈二维层状分布；
(2)通过过滤、抽滤、喷涂或者流延工艺，在柔性衬底上累积一定厚度的石墨烯溶液层并烘干获得石墨烯膜层；
(3)通过液压或对辊热压压印设备或者纳米压印技术将石墨烯膜层压印成一定厚度与形状，且表面呈分形结构；
(4)将石墨烯膜从柔性衬底上剥离，得到具有分形结构的石墨烯散热膜。
2.根据权利要求1所述的一种分形结构的石墨烯散热膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的石墨烯微片是通过液相剥离石墨微片或者球磨石墨微片得到，片径为10纳米到100微米。
3.根据权利要求1所述的一种分形结构的石墨烯散热膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的溶液为水、酒精、NMP、DMF、丙酮、IPA的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种分形结构的石墨烯散热膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的柔性衬底为柔性高分子薄膜或者金属薄膜；石墨烯溶液层厚度为100纳米至100毫米。
5.根据权利要求1所述的一种分形结构的石墨烯散热膜的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述的对辊热压温度为0摄氏度至1500摄氏度；液压为平板液压或者滚轮液压。
6.根据权利要求1所述的一种分形结构的石墨烯散热膜的制备方法，其特征在于，所述的分形结构包括网格状、树形、雪花或者闪电状。
7.根据权利要求1所述的一种分形结构的石墨烯散热膜的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述的石墨烯膜层压印后厚度为5纳米至5毫米。
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