CN110650618B - 散热片及其制备方法和电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种散热片及其制备方法和电子设备，散热片的制备方法包括以下步骤：提供膨胀石墨，采用膨胀石墨制备石墨烯浆料，石墨烯浆料包括具有三维网络结构的石墨烯和水；在石墨烯浆料中加入导热金属粉，并混合均匀使得导热金属粉在石墨烯的三维网格结构的间隙中呈高度贯通分布，得到混合物；及将混合物涂覆在基材表面并干燥以制备散热片。膨胀石墨内部高度贯通，便于后续制备具有三维网络结构的石墨烯。导热金属粉在石墨烯的三维网络结构的间隙中高度贯通分布，在保留了石墨烯XY平面上的导热系数的情况下，增加石墨烯Z方向上的导热系数，从而增加散热片的导热系数。在保证散热片散热性能下，降低散热片厚度，降低电子设备的整机厚度。

Description

散热片及其制备方法和电子设备

技术领域

本申请涉及电子设备技术领域，特别是涉及散热片及其制备方法和电子设备。

背景技术

现有的石墨烯，其水平方向的导热系数较高，但其厚度方向上的导热系数较小，使得石墨烯在其厚度方向上不能实现良好的散热。

发明内容

本申请的第一方面，一实施例提供一种散热片的制备方法，以解决上述石墨烯在其厚度方向上不能实现良好的散热的技术问题。

一种散热片的制备方法，包括以下步骤：

提供膨胀石墨，采用所述膨胀石墨制备石墨烯浆料，所述石墨烯浆料包括具有三维网络结构的石墨烯和水；

在所述石墨烯浆料中加入导热金属粉，并混合均匀使得所述导热金属粉在所述石墨烯的三维网格结构的间隙中呈高度贯通分布，得到混合物；及

将所述混合物涂覆在基材表面并干燥以制备散热片。

上述散热片的制备方法，采用膨胀石墨制备石墨烯浆料，通过在石墨烯浆料中加入导热金属粉并使导热金属粉高度贯通分布于具有三维网络结构的石墨烯中，从而制备散热片。膨胀石墨内部高度贯通，便于后续制备具有三维网络结构的石墨烯。在石墨烯浆料中加入导热金属粉，并使导热金属粉在石墨烯的三维网络结构的间隙中高度贯通分布，在保留了石墨烯XY平面上的导热系数的情况下，增加石墨烯Z方向上的导热系数，从而增加散热片的导热系数，提升散热片的散热效果。并且能够在保证散热片良好的散热性能的前提下，通过降低散热片的厚度，从而能够降低电子设备的整机厚度，提升产品外观表现力。

本申请的第二方面，一实施例提供一种散热片，以解决上述石墨烯在其厚度方向上不能实现良好的散热的技术问题。

一种散热片，所述散热片包括石墨烯和导热金属粉；所述石墨烯为三维网络结构，所述导热金属粉在所述石墨烯的三维网络结构的间隙中呈高度贯通分布。

上述散热片中，导热金属粉在石墨烯的三维网络结构的间隙中呈高度贯通分布，在保留了石墨烯XY平面上的导热系数的情况下，增加石墨烯Z方向上的导热系数，从而增加散热片的导热系数，提升散热片的散热效果。并且能够在保证散热片良好的散热性能的前提下，通过降低散热片的厚度，从而能够降低电子设备的整机厚度，提升产品外观表现力。

本申请的第三方面，一实施例提供一种电子设备，以解决上述石墨烯在其厚度方向上不能实现良好的散热的技术问题。

一种电子设备，包括：

电子器件，所述电子器件在工作状态下能够产生热量；及

所述的散热片，所述散热片贴合于所述电子器件，所述电子器件产生的热量能够通过所述散热片释放。

上述电子设备包括电子器件和散热片，导热金属粉在石墨烯的三维网络结构的间隙中呈高度贯通分布，在保留了石墨烯XY平面上的导热系数的情况下，增加石墨烯Z方向上的导热系数，从而增加散热片的导热系数，提升散热片的散热效果。散热片贴合于电子器件，在散热片的厚度方向上能够吸收电子器件的热量后局部受热，再通过石墨烯水平方向上的高导热性能，将热量迅速扩散开，实现整机的良好的散热性能。且在不影响散热片的散热性能的情况下，散热片能够做的较薄，从而能够降低电子设备的整机厚度，提升产品外观表现力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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的附图。

图1为一实施例提供的电子设备的主视图；

图2为图1所示电子设备的A-A部截面图；

图3为图2所示电子设备的C部结构放大图；

图4为图1所示电子设备的爆炸图；

图5为一实施例提供的散热片的制备方法的流程图；

图6为另一实施例提供的散热片的制备方法的流程图；

图7为又一实施例提供的散热片的制备方法的流程图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。

作为在此使用的“终端设备”指包括但不限于经由以下任意一种或者数种连接方式连接的能够接收和/或发送通信信号的装置：

(1)经由有线线路连接方式，如经由公共交换电话网络(Public SwitchedTelephone Networks，PSTN)、数字用户线路(Digital Subscriber Line，DSL)、数字电缆、直接电缆连接；

(2)经由无线接口方式，如蜂窝网络、无线局域网(Wireless Local AreaNetwork，WLAN)、诸如DVB-H网络的数字电视网络、卫星网络、AM-FM广播发送器。

被设置成通过无线接口通信的终端设备可以被称为“移动终端”。移动终端的示例包括但不限于以下电子装置：

(1)卫星电话或蜂窝电话；

(2)可以组合蜂窝无线电电话与数据处理、传真以及数据通信能力的个人通信系统(Personal Communications System,PCS)终端；

(3)无线电电话、寻呼机、因特网/内联网接入、Web浏览器、记事簿、日历、配备有全球定位系统(Global Positioning System，GPS)接收器的个人数字助理(PersonalDigital Assistant，PDA)；

(4)常规膝上型和/或掌上型接收器；

(5)常规膝上型和/或掌上型无线电电话收发器等。

如图1和图2所示，在一实施例中，提供一种电子设备10。电子设备10包括中框100、电池盖400、电路板、电子器件和散热片300。电子器件包括显示屏组件200、电池、摄像头组件、扬声器和受话器等。可以理解的是，电子设备10的通电可以工作的元器件统称为电子器件。中框100包括中板120和边框110，边框110围设于中板120的外周，边框110与中板120一起在中板120的两侧均形成安装空间。显示屏组件200安装于其中一个安装空间内，显示屏组件200的边缘固定于边框110，显示屏组件200与中板120靠近或贴合。电池盖400安装于另一个安装空间内，电池盖400与显示屏组件200相背设置，分别位于中板120的两侧。电子设备10的电池、电路板等位于电池盖400和中板120之间。电路板上集成有控制器、存储单元、电源管理单元、基带芯片等电子器件。显示屏组件200用来显示画面或字体，电路板可以控制电子设备10的运行。

在一实施例中，显示屏组件200采用LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示)屏用于显示信息，LCD屏可以为TFT(Thin Film Transistor，薄膜晶体管)屏幕或IPS(In-Plane Switching，平面转换)屏幕或SLCD(Splice Liquid Crystal Display，拼接专用液晶显示)屏幕。在另一实施例中，显示屏组件200采用OLED(Organic Light-EmittingDiode，有机电激光显示)屏用于显示信息，OLED屏可以为AMOLED(Active Matrix OrganicLight Emitting Diode，有源矩阵有机发光二极体)屏幕或Super AMOLED(Super ActiveMatrix Organic Light Emitting Diode，超级主动驱动式有机发光二极体)屏幕或SuperAMOLED Plus(Super Active Matrix Organic Light Emitting Diode Plus，魔丽屏)屏幕。在控制器的控制下，显示屏组件200能够显示信息且能够为用户提供操作界面。

可以理解的是，电子设备10在工作状态下，电子器件会产生热量，热量较高时，会影响电子设备10的正常运行。在本申请中，散热片300贴于电子器件的发热面，电子器件在工作状态下产生的热量可以沿散热片300的厚度方向传递给散热片300，且热量在散热片300内能够沿垂直于散热片300的厚度方向传导，从而使得散热片300将热量释放至环境中或传递给其它物体。散热片300的设置，使得电子设备10内的热量可以通过散热片300快速的释放至环境中，避免电子设备10的温度升高，从而保证电子设备10的正常运行。

如图2至图4所示，在一实施例中，散热片300为薄片状结构，厚度为75μm～200μm。散热片300包括石墨烯和导热金属粉。石墨烯由膨胀石墨通过氧化反应和还原反应制得，为三维网格结构，导热金属粉在石墨烯的三维网格结构的间隙中高度贯通分布，且在石墨烯的Z向连续。可以理解的是，膨胀石墨本身内部高度贯通，便于通过氧化还原反应制得呈三维网格结构的石墨烯。膨胀石墨通过氧化反应后能够增加片层间距，使其不小于0.71nm，便于进行后续的超声剥离制备石墨烯。

石墨烯在XY平面上具有较高的导热系数，而其在Z向上的导热系数较小。导热金属粉的导热系数大于石墨烯在Z向上的导热系数。通过将导热金属粉充满石墨烯的三维网络结构的间隙中，且导热金属粉在石墨烯在Z向上连续，增加了石墨烯在Z向上的导热系数，从而提升散热片的导热性能。

散热片300位于显示屏组件200和中板120之间。散热片300的一侧贴合于显示屏组件200，另一侧贴合于中板120。散热片300的边缘与边框110接触或靠近边框110。沿散热片300的厚度方向上，散热片300能够吸收显示屏组件200产生的热量并传递至中板120，且散热片300能够将热量在散热片300内沿垂直于散热片300的厚度方向上快速传递至边缘，并由边缘释放至环境中或传递至边框110，从而使得散热片300将热量释放，能够快速降低显示屏组件200的温度。同样的，位于中板120和电池盖400之间的电池、电路板等电子器件等产生的热量能够传递至中板120，从而能够被贴合于中板120的散热片300快速吸收并快速传递至边框110，从而通过边框110将热量释放至环境中，能够快速降低电池、电路板等电子器件的温度，保证电子设备10的正常运行。

如图5所示，在一实施例中，提供一种散热片300的制备方法，包括如下步骤：

提供膨胀石墨，采用所述膨胀石墨制备石墨烯浆料，石墨烯浆料包括具有三维网络结构的石墨烯和水；

在石墨烯浆料中加入导热金属粉，并混合均匀使得所述导热金属粉在所述石墨烯的三维网格结构的间隙中呈高度贯通分布，得到混合物；及

将混合物涂覆在基材表面并干燥以制备散热片300。

如图6和图7所述，在一实施例中，提供膨胀石墨，膨胀石墨本身内部高度贯通分布，便于制备具有三维网格结构的石墨烯。采用膨胀石墨发生氧化反应得到氧化石墨。具体的，选取膨胀石墨并将膨胀石墨研磨成粉状。往粉状的膨胀石墨中加入强酸，比如浓硝酸或浓硫酸等，浓硝酸的质量分数为68％左右，浓硫酸的质量分数大于或等于70％。浓硫酸或浓硝酸的小分子进入膨胀石墨层之间，然后利用强氧化剂比如高锰酸钾将膨胀石墨进行氧化，生成氧化石墨。膨胀石墨在被氧化的过程中层间距扩张，形成片层或边缘带有羟基、羧基等集团的氧化石墨。可以理解的是，未被氧化前的膨胀石墨的层间距为0.34nm左右，氧化石墨的层间距扩张为0.7nm以上。可以理解的是，氧化石墨的层间距较大，使得氧化石墨能够比较容易的被剥离为氧化石墨烯。

如图6和图7所述，在一实施例中，得到氧化石墨后，加入双氧水以还原氧化石墨中残留的氧化剂，然后采用5％的氯化氢溶液(HCL溶液)和去离子水溶液进行洗涤，直至滤液中检测无硫酸根或硝酸根为止。将处理后的氧化石墨放在干燥箱中烘干备用。本实施例中，将多余的氧化剂、硫酸根和硝酸根去除，避免氧化石墨中存在杂质，影响后续的化学反应。

在一实施例中，具体的氧化及去杂质的过程如下，在冰水浴中装配250ML的反应瓶，加入适量的浓硫酸，搅拌下加入2g粉状的膨胀石墨和1g硝酸钠的固体混合物，再分次加入6g高锰酸钾。硝酸根在强酸环境下具有强氧化性。控制反应温度不超过20℃，搅拌反应一段时间，然后升温至35℃左右，继续搅拌30min，再缓慢加入一定量的去离子水溶液，继续搅拌20min，并加入适量双氧水还原残留的氧化剂，去除氧化中多余的高锰酸钾，氧化成2价锰离子除去，使得溶液变为亮黄色。趁热过滤，并用5％HCL溶液和去离子水洗涤，稀盐酸能够洗去其中的金属离子，硫酸根离子。洗涤直至滤液中无硫酸根被检测到为止。最后将滤饼置于60℃的真空干燥箱中干燥，保存备用。可以理解的是，实验参数比如反应瓶的容积、硝酸钠的克数、高锰酸钾的克数、反应温度以及搅拌时间等参数，可根据粉状的膨胀石墨的量进行相应变化，在此不做限定。

如图6和图7所述，在一实施例中，将干燥后的氧化石墨置于水中形成氧化石墨水溶液，通过超声剥离法处理氧化石墨水溶液，得到氧化石墨烯水溶液，其中，氧化石墨烯在水溶液中均匀分散。具体为，将100mg氧化石墨分散于100g水溶液中，得到棕黄色的悬浮液。然后在超声条件下分散1h，得到稳定的、均匀的分散液，即氧化石墨烯水溶液。可以理解的是，根据氧化石墨的克数的不同，水溶液的量以及超声分散的时间会产生变化，在此不做具体限定。

如图7所示，在一实施例中，在氧化石墨烯水溶液中加入还原剂，使得氧化石墨烯发生还原反应，除去氧化石墨烯表面的含氧官能团，得到石墨烯溶液。还原剂可以为水合肼、二甲肼、乙二胺、对苯二酚、硼氢化钠、纯肼、强碱(如KOH、NaOH)等。具体为，将氧化石墨烯水溶液置于四口烧瓶内，升温至80℃，滴加2ml的水合肼，在此条件下反应24h后过滤，将得到的产物依次使用甲醇和去离子水溶液冲洗多次，再在60℃的真空干燥箱中充分干燥，得到石墨烯浆料，保存备用。可以理解的是，根据还原反应的温度、还原反应的时间和水合肼的量根据氧化石墨烯的量的不同而不同，在此不做具体限定。石墨烯浆料包括石墨烯和水，石墨烯均匀且稳定地分散。

如图7所示，在一实施例中，在石墨烯浆料中加入导热金属粉，并与石墨烯浆料混合均匀得到混合物。导热金属粉可以为银粉、铜粉或铝粉中的一种或多种。通过超声搅拌，导热金属粉能够充分分布在石墨烯浆料中，且使导热金属粉充满石墨烯的三维网络结构的间隙中，使得导热金属粉在石墨烯中高度贯通分布，使得制得的散热片内均匀的分布且高度贯通的导热金属粉。在一实施中，超声搅拌的频率为50khz～70khz，搅拌时间为0.5h～1.5h，以保证导热金属粉充满石墨烯的三维网络结构的间隙中，且导热金属粉在石墨烯的Z向连续。可以理解的是，石墨烯在XY平面上具有较高的导热系数，而在Z方向上的导热系数较小，导热金属粉的导热系数大于石墨烯在Z方向上的导热系数，石墨烯三维网络结构的间隙中存在连续的导热金属粉，使得石墨烯在Z向上的导热系数得以提高从而使得散热片具有良好的导热性。

如图7所示，在一实施例中，将混合物涂覆在基材表面并干燥，得到石墨烯片材。干燥过程在干燥箱中进行，干燥温度为80℃，干燥时间为3h，且干燥温度和干燥时间可以根据实际情况进行相应调整。可以理解的是，基材仅仅作为一个载体，其材质可以为玻璃、石头或金属等，基材表面需平整光滑。基材需满足不与石墨烯浆料和导热金属粉发生物理或化学反应，避免影响散热片300的制作。混合物涂覆在基材表面的长度、宽度和厚度尺寸根据需要制备的散热片300的尺寸进行限定。可以理解的是，石墨烯片材的长度、宽度和厚度尺寸可以大于散热片300的长度、宽度和厚度尺寸，使得后续加工过程中具备足够的加工余量。

如图7所示，在一实施例中，将石墨烯片材进行石墨化处理，使得石墨烯片材的C原子能更好的形成蜂巢状的二维结构，石墨化程度越高，则导热能力越强。具体的，将石墨烯片材进行高温烧结，烧结温度为2000℃左右，烧结时间为2h左右，使得石墨烯片材被石墨化处理。石墨烯片材被石墨化处理后，表面并不平整，且易脱落。通过压延成型处理被石墨化处理后的石墨烯片材，使得石墨烯片材的上下表面被压平压实，得到散热片300。

在另一实施例中，将混合物放在保温箱中干燥蒸发，干燥温度为110℃～130℃，干燥时间为2h～3h。去除混合物中的水分后，将干燥后的混合物放入氢气中还原炉中进行还原，还原温度为400℃～500℃，时间为1.5h～2.5h。去除导热金属粉中的氧，然后冷却室温得到石墨烯复合材料粉末。将石墨烯复合材料粉末放在热压模具中进行真空热压烧结，得到石墨烯复合材料膜材，热压烧结的温度为1000℃～1200℃，压力为40MPa～60MPa，时间为0.5h～1.5h，制得散热片。通过控制加入的石墨烯复合材料粉末量和热压模具共同控制散热片的厚度。

可以理解的是，石墨烯在水平方向上具有高导热系数的特性。石墨烯的厚度越大，其蓄热能力越强，越有利于良好的散热。但石墨烯越厚，其纯度越低，且存在大量的结构缺陷，水平方向上的导热系数随之降低，不利于散热。

本申请通过对膨胀石墨进行氧化和超声剥离得到氧化石墨烯，并还原氧化石墨烯得到石墨烯浆料，在石墨烯浆料中加入导热金属粉从而制备散热片300。通过氧化反应处理膨胀石墨，得到的氧化石墨的层间距较大，方便进行超声剥离而得到氧化石墨烯。通过还原反应将氧化石墨烯表面的含氧官能团去除，并通过洗涤得到石墨烯浆料。在石墨烯浆料中加入导热金属粉，使得散热片300中含有导热金属粉，且导热金属粉在石墨烯的三维网络结构的间隙中高度贯通，从而使得散热片300在石墨烯的XY方向上具有高导热系数的前提下，在石墨烯的Z方向上也具有较高的导热系数，使得散热片300在各个方向上都具有较高的导热系数，提升散热片300的散热性能。散热片300贴于电子器件上时，散热片300能够沿厚度方向上吸收电子器件的热量，并将热量沿散热片300的平面方向传递，从而将热量在散热片300内迅速扩散开，最后将热量通过中框100传递至电子设备10之外，使得电子设备10能够快速降温，实现整机良好的散热性能，避免影响电子设备10的正常运转。导热金属粉提升了散热片300的在石墨烯的Z方向的导热性能，且散热片300保留了超薄石墨烯在XY方向上的高导热系数。使得散热片300具有良好的散热性能的前提下，厚度能够较薄，从而降低电子设备10的整机厚度，提升产品的外观表现力。散热片300的制备方法简单，制作成本较低。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.一种散热片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供膨胀石墨，采用所述膨胀石墨制备石墨烯浆料，所述石墨烯浆料包括具有三维网络结构的石墨烯和水；

在所述石墨烯浆料中加入导热金属粉，采用超声搅拌导热金属粉和石墨烯浆料的混料，使得所述导热金属粉在所述石墨烯的三维网格结构的间隙中呈高度贯通分布，得到混合物；及

将所述混合物涂覆在基材表面并干燥，得到石墨烯片材，将所述石墨烯片材进行石墨化处理以制备散热片。

2.根据权利要求1所述的散热片的制备方法，其特征在于，所述采用所述膨胀石墨制备石墨烯浆料的步骤包括：

采用所述膨胀石墨发生氧化反应制备氧化石墨；

采用所述氧化石墨制备氧化石墨烯，并还原所述氧化石墨烯，得到石墨烯浆料。

3.根据权利要求2所述的散热片的制备方法，其特征在于，所述制备氧化石墨的步骤包括：

氧化，在所述膨胀石墨中加入浓硝酸或浓硫酸，并与所述膨胀石墨混合均匀，并加入氧化剂氧化所述膨胀石墨，得到片层间距扩大的所述氧化石墨；

在所述氧化石墨中加入双氧水以还原残留的所述氧化剂；

清洗，用氯化氢溶液和去离子水溶液洗涤；及

干燥。

4.根据权利要求2所述的散热片的制备方法，其特征在于，所述采用所述氧化石墨制备氧化石墨烯，并还原所述氧化石墨烯，得到石墨烯浆料的步骤包括：

将所述氧化石墨置于水中形成氧化石墨水溶液，通过超声剥离法处理所述氧化石墨水溶液，得到氧化石墨烯水溶液；

在所述氧化石墨烯水溶液中加入还原剂，使得所述氧化石墨烯发生还原反应，得到石墨烯溶液；及

采用甲醇和去离子水溶液清洗所述石墨烯溶液，得到石墨烯浆料。

5.根据权利要求1所述的散热片的制备方法，其特征在于，所述超声搅拌的频率为50kHz ~70kHz ，搅拌时间为0.5h~1.5h。

6.根据权利要求1所述的散热片的制备方法，其特征在于，将所述石墨烯片材进行石墨化处理后，将所述石墨烯片材进行压延成型得到散热片。

7.根据权利要求1~6任一项所述的散热片的制备方法，其特征在于，所述导热金属粉包括银粉、铜粉、铝粉中的一种或多种。

8.一种散热片，其特征在于，所述散热片包括石墨烯和导热金属粉，所述石墨烯为三维网格结构，所述导热金属粉在所述石墨烯的三维网格结构的间隙中高度贯通分布；所述散热片的制备方法包括：

通过膨胀石墨制备包括所述石墨烯的石墨烯浆料，将所述石墨烯浆料和导热金属粉采用超声搅拌混合，使得导热金属粉在所述石墨烯的三维网络结构的间隙中呈高度贯通分布得到混合物，采用所述混合物制备石墨烯片材并进行石墨化处理，以制备所述散热片。

9.根据权利要求8所述的散热片，其特征在于，所述石墨烯由膨胀石墨通过氧化还原反应制得。

10.根据权利要求8所述的散热片，其特征在于，所述散热片的厚度为75μm ~200μm。

11.根据权利要求8所述的散热片，其特征在于，所述导热金属粉包括银粉、铜粉、铝粉中的一种或多种。

12.一种电子设备，其特征在于，包括：

电子器件，所述电子器件在工作状态下能够产生热量；及

权利要求8~11任一项所述的散热片，所述散热片贴合于所述电子器件，所述电子器件产生的热量能够通过所述散热片释放。

13.根据权利要求12所述的电子设备，其特征在于，包括中框，所述中框包括中板和位于所述中板外周的边框，所述中板和所述边框形成安装空间；所述电子器件包括显示屏组件，所述显示屏组件位于所述安装空间；所述散热片位于所述显示屏组件和所述中板之间。

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