CN108793133A - 高导热石墨烯散热膜的制备方法 - Google Patents

高导热石墨烯散热膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高导热石墨烯散热膜的制备方法，包括如下步骤：一浆料制备：按重量百分比将0.05%~0.5%作为诱导剂的金属粉，0.05%‑2%作为同质成核诱导剂的易石墨化碳材料，0.05%~0.5%还原剂，0.85%~3%氧化石墨烯，94%~99%去离子水混合搅拌配置成黏度在6000~150000mPa·s的浆料，再进行除泡处理；二涂布：采用涂布方式将步骤一获得的浆料涂布成厚度10~200微米规格的氧化石墨烯膜；三预还原处理：将步骤二得到的氧化石墨烯膜放入炭化炉中，加热至300℃~800℃保温3~8小时；四石墨化处理：将步骤三预还原处理后的氧化石墨烯膜放入高温石墨炉中，在真空、氩气或氮气氛围下在2300℃~3000℃保温半小时，经充分石墨化制得石墨烯散热膜，再采用辊压机压延至密度为1.8 g/cm3以上即可得到高导热石墨烯散热膜。

Description

高导热石墨烯散热膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种散热材料即石墨膜的制备方法，更具体地讲涉及一种高导热石墨烯散热膜的制备方法。
技术背景
目前，智能手机、平板电脑等成为人们生活的必需品之一，其主要核心部件是CPU、GPU等巨大规模集成电路的使用，但随着元件集成规模的提升，单位体积产生的热功率也逐渐变大，然而器件散热面积不变，造成单位面积的热耗散达不到要求。同时，单个晶体管微弱亚阈值电流造成的静态功耗由于晶体管数量的大幅增加而变得日益显著，因此不可避免地出现了散热问题。在实际使用过程中，这些元器件在高负荷工作时产生大量热量，故需要采用散热方案将这些元器件产生的热量及时散发出去，维持GPU、CPU等元器件的正常工作，目前在手机、平板等掌上电子设备中主流的散热解决方案是使用高导热石墨膜做散热主要部件。目前市面上使用的高导热石墨膜的制备方法主要为PI烧结制备而成，PI烧结过程中会产生大量焦油，对环境保护不利，且PI成本偏高，虽然具有超高导热性，但性价比偏低，因此如何研发一种高导热石墨膜产品，不仅具有成本低、高导热性等特点，而且制备过程无污染成了十分重要的课题。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是提供一种高导热石墨烯散热膜的制备方法，它所采用的技术方案是：一种高导热石墨烯散热膜的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
一、浆料制备：按重量百分比将0.05%~0.5%作为诱导剂的金属粉，0.05%-2%作为同质成核诱导剂的易石墨化碳材料，0.05%~0.5%还原剂，0.85%~3%氧化石墨烯，94%~99%去离子水混合搅拌配置成黏度在6000~150000mPa·s的浆料，再进行除泡处理；
二、涂布：采用刮刀涂布方式或凹版涂布方式或狭缝式涂布方式或浸涂涂布方式或转移涂布方式或平板涂布方式将步骤一获得的浆料涂布成厚度10~200微米规格的氧化石墨烯膜；
三、预还原处理：将步骤二得到的氧化石墨烯膜放入炭化炉中，加热至300℃~800℃保温3~8小时；
四、石墨化处理：将步骤三预还原处理后的氧化石墨烯膜放入高温石墨炉中，在真空、氩气或氮气氛围下在2300℃~3000℃保温半小时，经充分石墨化制得石墨烯散热膜，再采用辊压机压延至密度为1.8 g/cm3以上即可得到高导热石墨烯散热膜。
本发明更进一步的技术特征是：所述步骤一中作为同质成核诱导剂的易石墨化碳材料为石油焦、中间相沥青中的一种或两种。
所述步骤一中作为诱导剂的金属粉为Fe、Ni、Co、Ti、Ag、碱金属、碱土金属、Cu、Al、Cd、Mn、Zn金属粉体中的一种或多种。
所述金属粉体尺寸在100~10000目之间。
所述步骤一中的氧化石墨烯采用低氧化大鳞片氧化石墨烯，碳氧比大于2，石墨烯片径小于1000目。
所述步骤一中的还原剂为抗败血酸、亚硫酸氢钠、硼氢化钠还原剂中的一种或两种以上混合物。
本发明的有益效果是：
本发明涉及的易石墨化碳材料采用石油焦、中间相沥青中的一种或多种混合，此碳材料在2300℃以上高温，容易使sp3碳结构转变成sp2碳结构，形成稳定的碳六元环结构，然后以此结构作为同质晶核，诱导石墨晶体成核及长大，最后得到高取向性的石墨膜；另外本发明涉及的金属粉诱导剂为Fe、Ni、Co、Ti、Ag、碱金属、碱土金属、Cu、Al、Cd、Mn、Zn金属粉中的一种或多种混合，在温度2300℃~3000℃之间时，金属离子键易与碳原子形成金属-碳键，最后以金属离子为中心形成一个金属-碳杂六元环结构，以此作为异质核，诱导石墨晶体成核及长大，最后得到高取向性的石墨膜。
本发明中的预还原处理，采用热还原与化学还原相结合手段，其中化学还原采用的还原剂为抗败血酸、亚硫酸氢钠、硼氢化钠等还原剂中的一种或多种混合，在浆料制备过程中掺入，在涂布成膜后，采用加热至300℃~800℃保温3~8小时方式进行预还原处理。一方面让掺入的还原剂发生还原反应作用，另一方面在300℃~800℃温度下，使含氧基团发生热分解，留下只含碳结构的氧化石墨烯膜。
本发明涉及的高温石墨化温度在2300~3000℃之间，采用真空、氮气或氩气等氛围，高温石墨化方式是通过金属催化剂形成异质晶核、易石墨化碳材料形成同质晶核，促使sp3碳结构转变成sp2碳结构，形成稳定的碳六元环结构，最终形成以sp2结构部为主的高导热石墨烯散热膜，确保高导热性能。
最重要的，本方法不采用PI烧结，不会产生大量焦油，对环境保护具有重大意义。
具体实施实例方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明：
实施例1、
按重量百分比取2%低氧化大鳞片氧化石墨烯，0.05%石油焦、0.05%的 1500目的铁粉，0.1%抗败血酸、加入到97.8%的去离子水中经过机械搅拌，搅拌至黏度35000mPa·S，再进行除泡处理，再采用刮刀涂布方式涂布成厚度为10μm的氧化石墨烯膜，放入炭化炉中，加热至300℃保温8小时进行预还原处理，再放入高温石墨炉中，在2300℃保温半小时，经充分石墨化制得石墨烯散热膜，再采用辊压机压延至密度为1.8 g/cm3，即可得到高导热石墨烯散热膜,经测试其热扩散系数为975mm2/s，导热系数为1492W/m·k。
实施实例2
按重量百分比取2.5%低氧化大鳞片氧化石墨烯，1%中间相沥青、0.05%的1300目的钛粉，0.05%亚硫酸氢钠、加入到96.4%的去离子水中经过机械搅拌，搅拌至黏度50000mPa·S，再进行除泡处理，再采用刮刀涂布方式涂布成厚度为30μm的氧化石墨烯膜，放入炭化炉中加热至500℃保温6小时进行预还原处理，再放入高温石墨炉中，在2800℃保温半小时，经充分石墨化制得石墨烯散热膜，再采用辊压机压延至密度为1.8g/cm3，即可得到高导热石墨烯散热膜,经测试其热扩散系数为851mm2/s，导热系数为1306W/m·k。
实施例3、
按重量百分比取0.85%低氧化大鳞片氧化石墨烯，0.05%石油焦、0.05%的 10000目的锰粉，0.05%抗败血酸、加入到99%的去离子水中经过机械搅拌，搅拌至黏度6000mPa·S，再进行除泡处理，再采用刮刀涂布方式涂布成厚度为100μm的氧化石墨烯膜，放入炭化炉加热至400℃保温7小时进行预还原处理，再放入高温石墨炉中，在2300℃保温半小时，经充分石墨化制得石墨烯散热膜，再采用辊压机压延至密度为1.9 g/cm3，即可得到高导热石墨烯散热膜,经测试其热扩散系数为812mm2/s，导热系数为1311.4W/m·k。
实施实例4
按重量百分比取3%低氧化大鳞片氧化石墨烯，2%中间相沥青、0.5%的100目的铜粉，0.5%抗败血酸、加入到94%的去离子水中经过机械搅拌，搅拌至黏度150000mPa·S，再进行除泡处理，再采用刮刀涂布方式涂布成厚度为30μm的氧化石墨烯膜，放入炭化炉中加热至800℃保温3小时进行预还原处理，再放入高温石墨炉中，在2800℃保温半小时，经充分石墨化制得石墨烯散热膜，再采用辊压机压延至密度为1.8 g/cm3，即可得到高导热石墨烯散热膜,经测试其热扩散系数为983mm2/s，导热系数为1504W/m·k。
实施例5
按重量百分比取1.5%低氧化大鳞片氧化石墨烯，1%中间相沥青、0.3%的1500目的铝粉，0.4%硼氢化钠、加入到96.8%的去离子水中经过机械搅拌，搅拌至黏度8000mPa·S，再进行除泡处理，再采用刮刀涂布方式涂布成厚度为200μm的氧化石墨烯膜，放入炭化炉中加热至600℃保温5小时进行预还原处理，再放入高温石墨炉中，在2800℃保温半小时，经充分石墨化制得石墨烯散热膜，再采用辊压机压延至密度为2 g/cm3，即可得到高导热石墨烯散热膜,经测试其热扩散系数为842mm2/s，导热系数为1431W/m·k。
本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而可以理解，在本发明的创作思想下，本领域的技术人员可以对上述内容作各种变化和改进，这些变形和/或重新组合均落入本发明所涉及的技术领域内，并落入本发明权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种高导热石墨烯散热膜的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
浆料制备：按重量百分比将0.05%~0.5%作为诱导剂的金属粉，0.05%-2%作为同质成核诱导剂的易石墨化碳材料，0.05%~0.5%还原剂，0.85%~3%氧化石墨烯，94%~99%去离子水混合搅拌配置成黏度在6000~150000mPa·s的浆料，再进行除泡处理；
涂布：采用刮刀涂布方式或、凹版涂布方式或狭缝式涂布方式或浸涂涂布方式或转移涂布方式或平板涂布方式将步骤一获得的浆料涂布成厚度10~200微米规格的氧化石墨烯膜；
预还原处理：将步骤二得到的氧化石墨烯膜放入炭化炉中，加热至300℃~800℃保温3~8小时；
石墨化处理：将步骤三预还原处理后的氧化石墨烯膜放入高温石墨炉中，在真空、氩气或氮气氛围下在2300℃~3000℃保温半小时，经充分石墨化制得石墨烯散热膜，再采用辊压机压延至密度为1.8 g/cm3以上即可得到高导热石墨烯散热膜。
2.根据权利要求书1所述的高导热石墨烯散热膜的制备方法，其特征在于：所述步骤一中作为同质成核诱导剂的易石墨化碳材料为石油焦、中间相沥青中的一种或两种。
3.根据权利要求书1所述的高导热石墨烯散热膜的制备方法，其特征在于：所述步骤一中作为诱导剂的金属粉为Fe、Ni、Co、Ti、Ag、碱金属、碱土金属、Cu、Al、Cd、Mn、Zn金属粉体中的一种或多种。
4.根据权利要求中3所述的高导热石墨烯散热膜的制备方法，其特征在于：所述金属粉体尺寸在100~10000目之间。
5.根据权利要求书1所述的高导热石墨烯散热膜的制备方法，其特征在于：所述的氧化石墨烯采用低氧化大鳞片氧化石墨烯，碳氧比大于2，石墨烯片径小于1000目。
6.根据权利要求书1所述的高导热石墨烯散热膜的制备方法，其特征在于：所述的还原剂为抗败血酸、亚硫酸氢钠、硼氢化钠还原剂中的一种或两种以上混合物。
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