CN110039848A - 一种石墨烯负载镍纳米粒子复合结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种石墨烯负载镍纳米粒子复合结构及其制备方法，属于石墨烯领域。石墨烯负载镍纳米粒子复合结构包括设置有氮化铝纳米线的基底、金属箔层和散热层，散热层的组成包括表面负载有镍纳米粒子的片状石墨烯。石墨烯负载镍纳米粒子复合结构的制备方法，其包括以下步骤：通过氧化还原法制备表面负载有镍纳米粒子的片状石墨烯；在基底的负载面上制备氮化铝纳米线，将金属箔层粘贴至基底；将制备的片状石墨烯、载体树脂以及填充剂充分混合制得胶状混合物，将胶状混合物涂覆至金属箔层经固化后制得散热层。上述石墨烯负载镍纳米粒子复合结构应用在小型化或便携式设备上，能够提高传热效率，进而提高设备的散热性能。

Description

一种石墨烯负载镍纳米粒子复合结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及石墨烯领域，具体而言，涉及一种石墨烯负载镍纳米粒子复合结构及其制备方法。
背景技术
由于各种电子设备的高度集成化，其体积不断缩小。而这些电子设备在使用时会产生较多的热量。因此，如何有效地将热量导出，而耗散是一个难题。
现有技术中，通常使用机械设备进行强制降温操作。例如，通过加装风扇。然而，风扇的体积决定了其并不能被应用于小型化或便携式设备。还有一些尝试期望通过改变设备的材质来提高导热，然而，在很多情况下，设备制造商并不希望且也通常并不能随意地改变设备的材质。因此，如何更好地提高设备的散热性能就是设计者不得不面对的一个难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石墨烯负载镍纳米粒子复合结构，其应用在小型化或便携式设备上，能够提高传热效率，进而提高设备的散热性能。
本发明的另一目的在于提供一种石墨烯负载镍纳米粒子复合结构的制备方法，制得的石墨烯负载镍纳米粒子复合结构应用在小型化或便携式设备上，能够提高传热效率，进而提高设备的散热性能；同时在制备石墨烯负载镍纳米粒子复合结构的过程中，采用乙二胺枝接氧化石墨烯，提高了镍离子在氧化石墨烯上的附着量和均匀程度，最终制得的镍纳米粒子均匀负载在片状石墨烯上，有利于最终石墨烯负载镍纳米粒子复合结构的传热性能。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现。
本发明提出一种石墨烯负载镍纳米粒子复合结构，其包括：
基底，导热的基底具有用于接触热源的接触面和负载面，负载面具有氮化铝纳米线阵列；
金属箔层，金属箔层通过导热胶层连接至负载面并覆盖氮化铝纳米线阵列，导热胶层为导热硅胶，导热硅胶的厚度为2-8μm；导热系数5-6W/mk，剥离强度在7-9N/cm；
散热层，由石墨烯材料构成的散热层覆盖于金属箔层，石墨烯材料包括片状石墨烯、载体树脂以及填充剂，片状石墨烯均匀分散于载体树脂和填充剂中，片状石墨烯表面负载有镍纳米粒子，且镍纳米粒子的负载量为片状石墨烯重量的2.5-4％；
在表面负载有镍纳米粒子的片状石墨烯的制作方法如下：将石墨烯与醋酸镍混合并充分研磨5-8小时，获得混合料；将混合料在氮气条件下加热至醋酸镍的分解温度后恒温3-4小时。
本发明还提供了一种石墨烯负载镍纳米粒子复合结构的制备方法，其包括以下步骤：
步骤S1：通过氧化还原法制备表面负载有镍纳米粒子的片状石墨烯；
步骤S2：采用水热法在基底的负载面上制备氮化铝纳米线，在负载面上涂覆导热硅胶，并将金属箔层粘贴至导热硅胶；
步骤S3：将步骤S1制备的片状石墨烯、载体树脂以及填充剂充分混合制得胶状混合物，将胶状混合物涂覆至金属箔层经固化后制得散热层。
本发明实施例提供的石墨烯负载镍纳米粒子复合结构及其制备方法的有益效果是：制得的石墨烯负载镍纳米粒子复合结构应用在小型化或便携式设备上，能够提高传热效率，进而提高设备的散热性能；同时在制备石墨烯负载镍纳米粒子复合结构的过程中，采用乙二胺枝接氧化石墨烯，提高了镍离子在氧化石墨烯上的附着量和均匀程度，最终制得的镍纳米粒子均匀负载在片状石墨烯上，有利于最终石墨烯负载镍纳米粒子复合结构的传热性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了本发明实施提供的第一种复合结构的示意图；
图2示出了本发明实施提供的第二种复合结构的示意图；
图3示出了图2的复合结构中连接柱与散热片的连接结构的示意图。
图中：100-石墨烯负载镍纳米粒子复合结构；100a-改进型的复合结构；101-基底；102-金属箔层；103-散热层；104-连接柱；105-散热片；501-结合端；502-固定端。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
乙二胺，无色或者无黄色油状或者水样液体，化学式C2H8N2,基团中带有两个氨基。氨基对镍离子，以及其他重金属离子有较强的吸附性，被广泛的应用在净化废水的螯和树脂中。将乙二胺接枝在氧化石墨烯上，能够有效地接触增强氧化石墨烯对镍离子的吸附性。
下面对本发明实施例的一种婴幼儿配方羊奶粉及其制备方法进行具体说明。
本发明提供了一种石墨烯负载镍纳米粒子复合结构，其包括：
基底，导热的基底具有用于接触热源的接触面和负载面，负载面具有氮化铝纳米线阵列；
金属箔层，金属箔层通过导热胶层连接至负载面并覆盖氮化铝纳米线阵列，导热胶层为导热硅胶，导热硅胶的厚度为2-8μm；导热系数5-6W/mk，剥离强度在7-9N/cm；
散热层，由石墨烯材料构成的散热层覆盖于金属箔层，石墨烯材料包括片状石墨烯、载体树脂以及填充剂，片状石墨烯均匀分散于载体树脂和填充剂中，片状石墨烯表面负载有镍纳米粒子，且镍纳米粒子的负载量为片状石墨烯重量的2.5-4％；
在表面负载有镍纳米粒子的片状石墨烯的制作方法如下：将石墨烯与醋酸镍混合并充分研磨5-8小时，获得混合料；将混合料在氮气条件下加热至醋酸镍的分解温度后恒温3-4小时。
进一步地，在本发明较佳实施例中，氮化铝纳米线的直径为10-800nm，长度为10nm-1000μm。
进一步地，在本发明较佳实施例中，散热层含有20-40层的片状石墨烯，片状石墨片的厚度为40～60微米，片状石墨烯的比表面积大于100m2/g。
进一步地，在本发明较佳实施例中，接触面为弧形曲面。
进一步地，在本发明较佳实施例中，基底为金属材质的，且在接触面设置有多个连接柱，连接柱从接触面背离负载面而延伸。
进一步地，在本发明较佳实施例中，连接柱具有多个散热片，散热片沿连接柱的轴向间隔设置，散热片呈圆环状。
进一步地，在本发明较佳实施例中，散热片具有结合端、远离结合端的固定端，且散热片呈锥形倾斜连接至连接柱的结合端，散热片式由结合端向固定端呈扩张状，且同一个散热片的结合端比固定端更远离接触面。
本发明还提供了上述石墨烯负载镍纳米粒子复合结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：通过氧化还原法制备表面负载有镍纳米粒子的片状石墨烯；
进一步地，在本发明较佳实施例中，上述步骤S1包括以下步骤：
表面氧化：在浓度为0.1-2mg/mL的氧化石墨烯第一溶液中添加双氧水后进行超声制得氧化石墨烯第二溶液；
接枝处理：添加乙二胺和金属镍盐到氧化石墨烯第二溶液中，升温至100-120℃后，搅拌反应20-36h，制得混合溶液；
进一步地，在本发明较佳实施例中，步骤S1中，氧化石墨烯第二溶液、乙二胺和金属镍盐的用量比为100ml：1.0-1.2g：4-6g。
还原处理：调节混合溶液的酸碱度至pH＝10，加入硼氢化钠进行还原反应，依次经离心、洗涤和干燥后制得表面负载有镍纳米粒子的片状石墨烯。
步骤S2：采用水热法在基底的负载面上制备氮化铝纳米线，在负载面上涂覆导热硅胶，并将金属箔层粘贴至导热硅胶；
步骤S3：将步骤S1制备的片状石墨烯、载体树脂以及填充剂充分混合制得胶状混合物，将胶状混合物涂覆至金属箔层经固化后制得散热层。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
请参阅图1至图3，本实施例提供一种石墨烯负载镍纳米粒子复合结构100，其应用在小型化或便携式设备上，能够提高传热效率，进而提高设备的散热性能，起到好的散热效果。
石墨烯复合材料包括基底101、金属箔层102、散热层103。
其中，基底101是导热，且具有接触面和负载面，接触面被构造来接触热源，负载面形成有由氮化铝制作的氮化铝纳米线阵列。通常地，基底101可以导热系数高的材料，例如金属材料，如铜片、铁片等等。在其他一些示例中，根据需要也可选择其他材料。基于需要，为了对具有特殊曲面的热物体降温，接触面为弧形曲面，以便能够与其更紧密贴附。
进一步地，基底101是金属材质的，且在接触面设置有多个连接柱104，连接柱104从接触面背离负载面而延伸。连接柱104的设置可以使其与热源如发热的设备的壳壁(如火炉等)更好地接触，达到更好的传热效果，同时石墨烯负载镍纳米粒子复合结构的主体与热源间隔一段距离，避免石墨烯负载镍纳米粒子复合结构的损坏。一种方案中，热源的壳壁具有连接孔。复合结构100的连接柱104可以插接到连接孔内。
优选的方案中，一种改进型的复合结构100a，其具有能够与热源进行连接的结构体。作为一种可替代的示例，前述的用于连接的结构体可以下述的连接柱被阐明。
连接柱104具有多个散热片105，多个散热片105沿连接柱104的轴向间隔地排列，散热片105呈圆环状。散热片105具有结合端501、远离结合端501的固定端502，散热片105通过结合端501与连接柱104连接，且散热片105通过倾斜而呈锥形的方式连接在连接柱104的，散热片105式以由结合端501向固定端502呈扩张状，且同一个散热片105的结合端501比固定端502更远离接触面。
在这样的方案中，散热片105可以增加与热源的壳壁的接触面积，从而使得两者的连接更加稳固，同时更易于热传递，更好地传热。
基底101的负载面上的氮化铝纳米线可以通过者水热法制备。如，以Al，SiO，FeO3，A O3和NH4为原料，在100℃条件下，用硅石辅助催化反应制备AlN纳米线。或以铝粉为原料，在NH3和N2的混合气体(NH3的体积百分比为4％)条件下，添加一定比例的Ni(NO3)2催化剂，温度在1100℃发生反应，制备AIN纳米线。在一些改进示例中，纳米线直径为10-800nm，纳米线长度为10nm-1000μm，制备的石墨烯负载镍纳米粒子复合结构性能较好。
金属箔层102可以是金箔、铝箔、铜箔等等。金属箔层102通过导热胶层连接在负载面并覆盖氮化铝纳米线阵列，导热胶层为导热硅胶，导热硅胶的厚度为2-8μm；导热系数5-6W/mk，剥离强度在7-9N/cm。
由石墨烯材料制作而成的散热层103，散热层103覆盖于金属箔层102，可以通过导热硅胶粘贴。上述石墨烯材料包括片状石墨烯、载体树脂以及填充剂。片状石墨烯均匀分散于载体树脂和填充剂中，片状石墨烯表面负载有镍纳米粒子，且镍纳米粒子的负载量为片状石墨烯重量的2.5-4％。上述片状石墨烯的层数为20-40层，厚度为40-60微米，比表面积大于100m2/g。由于一般市售或制备的石墨烯的都是具由少数基层的薄片。因此，为了获得理想性能的主要由片状石墨烯构成的散热层103，可以通过将片状石墨烯进行堆积的方式来获得更多的层数。
石墨烯材料包括石墨烯、载体树脂以及填充剂，且石墨烯均匀分散于载体树脂中，石墨烯之间是透过填充剂而相互接触，石墨烯表面负载有镍纳米粒子，且镍纳米粒子的负载量为石墨烯的重量的2.5-4％。在实践中发明人发现，当镍纳米粒子的负载量超过4％时，将出现镍纳米粒子的显著团聚，聚集，从而使石墨烯表面出现结块的镍颗粒，从而显著地降低复合材料的热传导均匀性，导致其局部过热，不利于好的散热。而其石墨烯的负载含量低于2.5％时，复合材料的性能并不能获得理想的改善。
石墨烯是一种二维碳材料，且包括单层石墨烯、双层石墨烯和少层石墨烯(通常是十层以内)。
氧化石墨烯是石墨烯经过氧化后的产物，其特点是表面官能团丰富、催化活性高。氧化石墨烯是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物(单一的原子层)，表面随机地形成有羟基、羧基等官能团。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。氧化石墨烯实一种亲水性物质，因而在水中具有优越的分散性。
还原氧化石墨烯是指将氧化得到的石墨烯用还原剂进行还原的槽产物。
在表面负载有镍纳米粒子的石墨烯的制作方法如下：
将石墨烯与醋酸镍混合并充分研磨5-8小时，以获得混合料；
将混合料在在陶瓷舟中，并在氮气环境中加热至醋酸镍的分解温度，在分解温度下恒温3-4小时。
实施例2
本发明实施例提供一种石墨烯负载镍纳米粒子复合结构的制备方法，其包括以下步骤：
步骤S1：通过氧化还原法制备表面负载有镍纳米粒子的片状石墨烯，具体的包括以下步骤：
表面氧化：在5L浓度为0.15mg/mL的氧化石墨烯第一溶液中添加浓度为0.5mol/L的双氧水1L后进行超声制得氧化石墨烯第二溶液；
接枝处理：添加66g乙二胺和300g氯化钠到上述表面氧化步骤制备的氧化石墨烯第二溶液中，升温至110℃后，搅拌反应28h，制得混合溶液；
还原处理：调节上述混合溶液的酸碱度至pH＝10，加入250g硼氢化钠进行还原反应，依次经离心、洗涤和干燥后制得表面负载有镍纳米粒子的片状石墨烯。
步骤S2：采用水热法在基底的负载面上制备氮化铝纳米线，在负载面上涂覆导热硅胶，并将金属箔层粘贴至导热硅胶；
步骤S3：称取1g步骤S1制备的片状石墨烯、150g载体树脂以及100g填充剂充分混合制得胶状混合物，将胶状混合物涂覆至金属箔层经固化后制得散热层；
步骤S4：在基底的接触面固定连接多个连接柱，连接柱从接触面背离负载面而延伸。连接柱具有焊接多个散热片，散热片沿连接柱的轴向间隔设置，散热片呈圆环状。散热片具有结合端、远离结合端的固定端，且散热片呈锥形倾斜连接至连接柱的结合端，散热片式由结合端向固定端呈扩张状，且同一个散热片的结合端比固定端更远离接触面。
实施例3
本发明实施例提供一种石墨烯负载镍纳米粒子复合结构的制备方法，其与实施例2的主要区别在于没有步骤S4。
实施例4
本发明实施例提供一种石墨烯负载镍纳米粒子复合结构的制备方法，其包括以下步骤：
步骤S1：通过氧化还原法制备表面负载有镍纳米粒子的片状石墨烯，具体的包括以下步骤：
表面氧化：在5L浓度为0.1mg/mL的氧化石墨烯第一溶液中添加浓度为1mol/L的双氧水1L后进行超声制得氧化石墨烯第二溶液；
接枝处理：添加60g乙二胺和360g氯化钠到上述表面氧化步骤制备的氧化石墨烯第二溶液中，升温至100℃后，搅拌反应36h，制得混合溶液；
还原处理：调节上述混合溶液的酸碱度至pH＝10，加入250g硼氢化钠进行还原反应，依次经离心、洗涤和干燥后制得表面负载有镍纳米粒子的片状石墨烯。
步骤S2：采用水热法在基底的负载面上制备氮化铝纳米线，在负载面上涂覆导热硅胶，并将金属箔层粘贴至导热硅胶；
步骤S3：称取1g步骤S1制备的片状石墨烯、150g载体树脂以及100g填充剂充分混合制得胶状混合物，将胶状混合物涂覆至金属箔层经固化后制得散热层。
实施例5
本发明实施例提供一种石墨烯负载镍纳米粒子复合结构的制备方法，其包括以下步骤：
步骤S1：通过氧化还原法制备表面负载有镍纳米粒子的片状石墨烯，具体的包括以下步骤：
表面氧化：在5L浓度为0.2mg/mL的氧化石墨烯第一溶液中添加浓度为1mol/L的双氧水1L后进行超声制得氧化石墨烯第二溶液；
接枝处理：添加72g乙二胺和240g氯化钠到上述表面氧化步骤制备的氧化石墨烯第二溶液中，升温至120℃后，搅拌反应20h，制得混合溶液；
还原处理：调节上述混合溶液的酸碱度至pH＝10，加入250g硼氢化钠进行还原反应，依次经离心、洗涤和干燥后制得表面负载有镍纳米粒子的片状石墨烯。
步骤S2：采用水热法在基底的负载面上制备氮化铝纳米线，在负载面上涂覆导热硅胶，并将金属箔层粘贴至导热硅胶；
步骤S3：称取1g步骤S1制备的片状石墨烯、150g载体树脂以及100g填充剂充分混合制得胶状混合物，将胶状混合物涂覆至金属箔层经固化后制得散热层。
试验例1
将实施例1的石墨烯负载镍纳米粒子复合结构(编号Y1)和实施例2-5制备的石墨烯负载镍纳米粒子复合结构(编号Y2-Y5)进行导热实验。具体的，将编号为Y1-Y5的样品接触80度的热源，待20分钟达到热平衡之后，利用红外线感温枪侦测热源的表面温度得到的结果列入表1。同时检测不使用石墨烯负载镍纳米粒子复合结构时候(Y0)，热源静置20分钟的表面温度。
表1：各样品的传热效果测量结果
通过上表可以看出，采用本发明的石墨烯负载镍纳米粒子复合结构能够明显的降低热源的温度，并且具有连接柱和散热片的石墨烯负载镍纳米粒子复合结构的散热效果更好。
综上所述，本发明涉及一种石墨烯负载镍纳米粒子复合结构及其制备方法，制得的石墨烯负载镍纳米粒子复合结构应用在小型化或便携式设备上，能够提高传热效率，进而提高设备的散热性能；同时在制备石墨烯负载镍纳米粒子复合结构的过程中，采用乙二胺枝接氧化石墨烯，提高了镍离子在氧化石墨烯上的附着量和均匀程度，最终制得的镍纳米粒子均匀负载在片状石墨烯上，有利于最终石墨烯负载镍纳米粒子复合结构的传热性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种石墨烯负载镍纳米粒子复合结构，其特征在于，其包括：
基底，导热的所述基底具有用于接触热源的接触面和负载面，所述负载面具有氮化铝纳米线阵列；
金属箔层，所述金属箔层通过导热胶层连接至所述负载面并覆盖所述氮化铝纳米线阵列，所述导热胶层为导热硅胶，所述导热硅胶的厚度为2-8μm；导热系数5-6W/mk，剥离强度在7-9N/cm；
散热层，由石墨烯材料构成的所述散热层覆盖于所述金属箔层，所述石墨烯材料包括片状石墨烯、载体树脂以及填充剂，所述片状石墨烯均匀分散于所述载体树脂和所述填充剂中，所述片状石墨烯表面负载有镍纳米粒子，且所述镍纳米粒子的负载量为所述片状石墨烯重量的2.5-4％；
在表面负载有镍纳米粒子的所述片状石墨烯的制作方法如下：将石墨烯与醋酸镍混合并充分研磨5-8小时，获得混合料；将所述混合料在氮气条件下加热至醋酸镍的分解温度后恒温3-4小时。
2.根据权利要求1所述的石墨烯负载镍纳米粒子复合结构，其特征在于，所述氮化铝纳米线的直径为10-800nm，长度为10nm-1000μm。
3.根据权利要求1所述的石墨烯负载镍纳米粒子复合结构，其特征在于，所述片状石墨烯的层数为20-40层，厚度为40-60微米，比表面积大于100m2/g。
4.根据权利要求1所述的石墨烯负载镍纳米粒子复合结构，其特征在于，所述接触面为弧形曲面。
5.根据权利要求1所述的石墨烯负载镍纳米粒子复合结构，其特征在于，所述基底为金属材质的，且在所述接触面设置有多个连接柱，所述连接柱从所述接触面背离所述负载面而延伸。
6.根据权利要求5所述的石墨烯负载镍纳米粒子复合结构，其特征在于，所述连接柱具有多个散热片，所述散热片沿所述连接柱的轴向间隔设置，所述散热片呈圆环状。
7.根据权利要求6所述的石墨烯负载镍纳米粒子复合结构，其特征在于，所述散热片具有结合端、远离所述结合端的固定端，且所述散热片呈锥形倾斜连接至所述连接柱的所述结合端，所述散热片式由所述结合端向所述固定端呈扩张状，且同一个所述散热片的所述结合端比所述固定端更远离所述接触面。
8.如权利要求1-7中任一项所述的石墨烯负载镍纳米粒子复合结构的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤S1：通过氧化还原法制备表面负载有镍纳米粒子的片状石墨烯；
步骤S2：采用水热法在所述基底的所述负载面上制备氮化铝纳米线，在所述负载面上涂覆导热硅胶，并将金属箔层粘贴至所述导热硅胶；
步骤S3：将步骤S1制备的片状石墨烯、载体树脂以及填充剂充分混合制得胶状混合物，将所述胶状混合物涂覆至所述金属箔层经固化后制得散热层。
9.如权利要求8中任一项所述的石墨烯负载镍纳米粒子复合结构的制备方法，其特征在于，步骤S1包括以下步骤：
表面氧化：在浓度为0.1-2mg/mL的氧化石墨烯第一溶液中添加双氧水后进行超声制得氧化石墨烯第二溶液；
接枝处理：添加乙二胺和金属镍盐到所述氧化石墨烯第二溶液中，升温至100-120℃后，搅拌反应20-36h，制得混合溶液；
还原处理：调节所述混合溶液的酸碱度至pH＝10，加入硼氢化钠进行还原反应，依次经离心、洗涤和干燥后制得表面负载有镍纳米粒子的所述片状石墨烯。
10.如权利要求9中任一项所述的石墨烯负载镍纳米粒子复合结构的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述氧化石墨烯第二溶液、所述乙二胺和所述金属镍盐的用量比为100ml：1.0-1.2g：4-6g。
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