CN112358855A - 碳纳米管导热片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳纳米管导热片及其制备方法，该碳纳米管导热片包括碳纳米管阵列和高分子材料，碳纳米管阵列具有由取向定向的碳纳米管弯折而成的连接部和弯折部，高分子材料填充于连接部的碳纳米管之间。上述碳纳米管导热片的热量可以沿着碳纳米管的两个不同方向进行传导，导热效率高，应用场景广。

Description

碳纳米管导热片及其制备方法

技术领域

本发明涉及碳纳米管技术领域，特别是涉及一种碳纳米管导热片及其制备方法。

背景技术

碳纳米管具有高导热率、耐高温以及柔性等优势，是作为微电子器件的良好散热材料。早期的碳纳米管导热片是由碳纳米管混合到树脂、橡胶等高分子材料中而形成的薄片。然而，由于这些高分子材料的热导率较低且碳纳米管导热各向异性，因此，早期的碳纳米管导热片热导性能较差。

随着科技的进步，人们发现定向生长的碳纳米管阵列具有良好的径向导热性，因此，碳纳米管导热片上的碳纳米管逐步以定向排列的碳纳米管阵列的形式呈现。然而，在实际应用中发现，以定向排列的碳纳米阵列形式呈现的碳纳米管导热片的导热性能仍不理想，导热效率仍然有待提高。

发明内容

基于此，有必要提供一种能够提高导热效率的碳纳米管导热片。

一种碳纳米管导热片，包括：

碳纳米管阵列，具有多根取向同向的碳纳米管，各所述碳纳米管包括在第一方向上的连接段和在第二方向上且与所述连接段连接的弯折段，多根所述碳纳米管在第一方向上的连接段构成连接部，在第二方向上的弯折段构成弯折部；及

高分子材料，填充于所述连接部，所述高分子材料的分子量为17200～35000，其中，所述碳纳米管导热片在使用时，所述弯折部与热源直接接触。

在上述碳纳米管导热片的弯折部中，相邻碳纳米管由于范德华力相互连接，从而形成沿弯折部的碳纳米管的延伸方向(第二方向)上的导热通道，弯折部与热源直接接触，来自热源的一部分热量沿着第二方向传输，热源剩余的热量沿着的连接部的碳纳米管的延伸方向(第一方向)传输，因此，上述碳纳米管导热片可以在两个不同方向上传输热量，使得碳纳米管导热片的导热在两个方向上进行，提高了导热效率，更利于散热。

在其中一个实施例中，所述第一方向与所述第二方向之间的夹角为90°～98°；

及/或，所述连接部的碳纳米管的面密度为10g/m²～30g/m²。

在其中一个实施例中，所述碳纳米管的弯折段占所述碳纳米管的总长度的30％～50％。

在其中一个实施例中，所述碳纳米管的弯折段的长度为150～700μm；

及/或，所述碳纳米管的连接段的长度为300μm～800μm。

在其中一个实施例中，所述连接部的厚度为300μm～800μm；

及/或，所述弯折部的厚度为2μm～100μm；

及/或，所述碳纳米管导热片的厚度为302μm～900μm。

在其中一个实施例中，所述高分子材料为热固性高分子材料。

一种碳纳米管导热片的制备方法，包括：

在基底上形成碳纳米管阵列，所述碳纳米管阵列具有多根取向为第一方向的碳纳米管；

弯折所述碳纳米管远离所述基底的一端，以使所述碳纳米管在所述第一方向上形成与所述基底连接的连接段和在第二方向上形成与所述连接段连接的弯折段，多根所述碳纳米管在第一方向上的连接段构成连接部，在第二方向上的弯折段构成弯折部；

将高分子前体溶液填充于所述连接部的碳纳米管之间的空隙中；及

固化填充于所述连接部的碳纳米管之间的高分子前体溶液以形成高分子材料，剥离基底，制备所述碳纳米管导热片。

在其中一个实施例中，所述弯折所述碳纳米管阵列远离所述基底的一端的步骤包括：

在沿与基底呈30度～40度夹角的方向上，向所述碳纳米管阵列远离所述基底的一端施加压力，以弯折所述碳纳米管阵列远离所述基底的一端。

在其中一个实施例中，施加压力的大小为50N～500N，施加压力的时间为1s～3s。

在其中一个实施例中，所述将高分子前体溶液填充于所述连接部的碳纳米管之间的空隙中的步骤包括：

在所述基底上形成填充槽，所述碳纳米管阵列收容在所述填充槽内；及

向所述填充槽内灌入高分子前体溶液，以使所述连接部的碳纳米管之间的空隙被所述高分子前躯体溶液填充。

在其中一个实施例中，在所述固化填充于所述连接部的碳纳米管之间的高分子前体溶液的步骤之后，还包括对所述弯折部远离所述基底的表面进行表面处理的步骤。

在其中一个实施例中，所述第一方向为垂直于所述基底的方向，所述第二方向为平行于所述基底的方向；

及/或，所述高分子前体溶液的粘度为100cps～1000cps；

及/或，所述高分子材料为硅胶、氟化橡胶、环氧树脂及丙烯酸树脂中的至少一种。

附图说明

图1为一实施方式的碳纳米管导热片的示意图；

图2为一实施方式的碳纳米管导热片的制备流程图；

图3为图1所示的碳纳米管导热片的制备过程中弯折碳纳米管的一端以形成弯折部的示意图。

附图标记：10、碳纳米管导热片；110、碳纳米管阵列；111、连接部；113、弯折部；120、高分子材料；20、基底；210、生长面。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，本发明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本发明公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当使用术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”、“底部”等指示方位或位置关系时，是为基于附图所示的方位或位置关系，仅为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1，本发明一实施方式提供一种碳纳米管导热片10，该碳纳米管导热片10包括碳纳米管阵列110和高分子材料120，碳纳米管阵列110具有多根取向同向的碳纳米管，各碳纳米管包括在第一方向上的连接段和在第二方向上且与连接段连接的弯折段，多根碳纳米管在第一方向上的连接段构成连接部111，在第二方向上的弯折段构成弯折部113，高分子材料120填充于连接部111。

进一步地，弯折部113远离连接部111的表面无高分子材料120。具体地，弯折段远离连接段的表面无高分子材料120。弯折部113远离连接部111的表面无高分子材料120可以使得弯折部113直接与热源接触，减小接触热阻，避免了由于弯折段远离连接段表面的高分子材料120影响其导热效果。

在本实施方式中，第一方向与第二方向之间的夹角为90°～98°。进一步地，第一方向与第二方向之间的夹角为90°～95°。在图示的实施方式中，第一方向与第二方向之间的夹角为90°。

在其中一个实施例中，碳纳米管的弯折段占碳纳米管长度的30％～50％。若所述弯折段相对于碳纳米管的长度太短，连接部111的长度较长，对碳纳米管导热片10导热效率的提升有所限制；若所述弯折段相对于碳纳米管的长度太长，导热容易朝第二方向进行，同时给碳纳米管导热片10的制作带来难度。

在其中一个实施例中，碳纳米管的弯折段的长度为150μm～700μm。进一步地，碳纳米管的弯折段的长度为200μm～500μm。若弯折段太短，与热源接触面积小，无法达到减小接触热阻的目的；若弯折段太长，热量在相邻碳纳米管之间的传输反而减缓，容易使得导热效率反而不高。

在其中一个实施例中，请参阅图3，碳纳米管的弯折段与连接部111的端面的夹角为γ，弯折部113的厚度即为碳纳米管的弯折段的长度与γ的正弦的乘积。此时，γ不为0°。在其中一个实施例中，γ为0°～8°，且γ不为0°。进一步地，γ为0°～5°，且γ不为0°。夹角γ在上述范围内，有利于弯折部113表面的平整，从而达到减小接触热阻的目的。

在其中一个实施例中，碳纳米管导热片10的厚度为302μm～900μm。进一步地，碳纳米管导热片10的厚度为400μm～520μm。碳纳米管导热片10的厚度是指碳纳米管导热片10中弯折部远离连接部的表面与连接部远离弯折部的表面的距离，也即是图1中的a。

在其中一个实施例中，连接部111的厚度(图1中的b)为300μm～800μm。进一步地，连接部111的厚度为200μm～500μm。

在其中一个实施例中，由各碳纳米管的弯折段构成的弯折部113的厚度为2μm～100μm。进一步地，弯折部113的厚度为10μm～50μm。弯折部113的厚度是指弯折部远离连接部的表面与弯折部靠近连接部的表面的距离，也即是图1中a与b的差值。弯折部113的厚度相对于连接部111的长度过厚，不利于形成表面平整的弯折部112，增大了表面热阻；弯折部113的厚度相对于连接部111的长度过薄，碳纳米管导热片10在第一方向上的热阻过大，容易使得导热效率降低。

具体地，高分子材料120的数均分子量为17200～35000。若高分子材料120的分子量过大，制备碳纳米管导热片10时，高分子之间的相互作用力增大会发生物理缠结，导致流动性较差，会影响高分子材料填充于碳纳米管之间的孔隙；若高分子材料120的分子量过小，交联网络不完善，力学强度不足。进一步地，高分子材料120的数均分子量为28000～30000。

在其中一个实施例中，高分子材料120为热固性高分子材料。进一步地，高分子材料120选自硅胶、氟化橡胶、环氧树脂及丙烯酸树脂中的至少一种。当然，在其他一些实施例中，高分子材料120不限于热固性高分子材料，还可以是光聚合材料。例如在紫外线照射下经单体发生聚合反应而生成的高分子材料。

在其中一个实施例中，高分子材料120由相应的高分子前体溶液固化而成，高分子前体溶液的粘度为100cps～1000cps；若高分子前体溶液的粘度大于1000cps，则高分子前体溶液的渗透困难，会影响高分子前体溶液填充于碳纳米管之间的孔隙的速度；若高分子前体溶液的粘度小于100cps，难以控制高分子前体溶液的添加量，容易溢出。进一步地，高分子前体溶液的粘度为200cps～800cps。

在其中一个实施例中，连接部111的碳纳米管的面密度为10g/m²～30g/m²。连接部111的碳纳米管的面密度为10g/m²～30g/m²时，可以保证弯折部113具有良好的导热性。进一步地，连接部111的碳纳米管的面密度为15g/m²～20g/m²。在一个可选地具体示例中，连接部111的碳纳米管的面密度为15g/m²、16g/m²、17g/m²、18g/m²、19g/m²或20g/m²。可以理解的是，在其他一些实施例中，连接部111的碳纳米管的面密度不限于上述，还可以根据实际需求进行调整。

上述碳纳米管导热片10至少具有如下优点：

(1)在弯折部113，相邻弯折段由于范德华力相互连接，从而形成沿弯折部的碳纳米管的延伸方向(第二方向)上的导热通道，热源可以优先沿着弯折部的碳纳米管的延伸方向传输，热量也能顺着互相搭接的碳纳米管沿第一方向运输；在连接部111，热源优先沿着的连接部的碳纳米管的延伸方向(第一方向)传输，因此，上述碳纳米管导热片10可以在两个不同方向上传输热量，使得碳纳米管导热片10的导热效率在两个方向上都进行了提高，更利于快速散热。

(2)在弯折部113，由于弯折段在第二方向上形成有导热通道，且弯折部113的碳纳米管紧密，进而在弯折部113形成的是排列紧密的碳纳米管层；在连接部111，碳纳米管的密度较小。因此，在使用时，将弯折部113与热源接触，当热量从热源发出时，由于碳纳米管径向优异的热传导性能，热量优先沿着碳纳米管的延伸方向进行传导，从而使上述碳纳米管导热片10在第二方向上(图1中的水平方向)的导热能力好于第一方向上(图1中竖直方向)上的导热能力，通过两个方向上导热能力的差异，丰富了上述碳纳米管导热片10的应用场景。例如，在芯片、电子通信设备、网络服务器等制备过程中，将上述碳纳米管导热片10安装在发热的热源下方时，可以快速向侧面散热、消除热点，当热量传导至碳纳米管的连接部111时，由于导热能力减弱，使得位于导热片下方的电子元件的受热较少，从而避免导热片下方的电子元件受到损坏。

(3)填充于连接部111的碳纳米管之间的高分子材料120，增加碳纳米管阵列110的力学强度，防止在使用过程中取向结构被破坏。

(4)连接部111的碳纳米管的面密度为10g/m²～30g/m²，使得连接部111的碳纳米管之间的间隙较小，形成类似于毛细管的结构，从而有利于高分子前体溶液快速渗透到碳纳米管之间的缝隙中，利于高分子前体溶液浸润连接部111。

请参阅图2，本发明一实施方式还提供了一种碳纳米管导热片10的制备方法，该碳纳米管导热片10的制备方法包括步骤a～步骤e，具体地：

步骤a：在基底20上形成取向定向的碳纳米管阵列110。

具体地，取向定向的碳纳米管阵列110为在第一方向上以阵列形式排列的多根碳纳米管；基底20具有生长面210。在基底20上形成碳纳米管阵列110的步骤包括：在基底20的生长面210上形成催化剂层；及利用化学气相沉积法(CVD法)在催化剂层上形成取向定向的碳纳米管阵列110。

进一步地，在基底20的生长面210上采用磁控溅射法沉积催化剂层。催化剂层的材料没有特别的限制，可以采用本领域常用的用于形成碳纳米管的催化剂，例如铁、钴和镍中至少一种。同样地，催化剂层的厚度没有特别的限制，只要能形成需要的定向排列的碳纳米管即可。在一个可选地具体示例中，催化剂层的厚度为20nm～30nm。

进一步地，采用化学气相沉积法在催化剂层上形成碳纳米管阵列110的步骤包括：在保护气氛、温度为500℃～900℃的条件下，将具有催化剂层的基底20与气态的碳源反应。在保护气氛、温度为500℃～900℃的条件下，将具有催化剂层的基底20与气态的碳源反应，可以使得碳纳米管沿垂直于基底20的生长面210生长，具有良好的取向结构，且碳纳米管通过催化剂与基底20的生长面210稳固相连。在一个可选地具体实施例中，碳源为乙炔、乙烯及甲烷中的至少一种；具有催化剂层的基底20与气态的碳源反应的时间为3min～5min；保护气氛选自氮气、氩气或氦气中的至少一种。可以理解的是，在其他一些实施例中，还可以根据需要得到的碳纳米管的长度、密度及直径调整化学气相沉积的条件。

在本实施方式中，碳纳米管阵列110中的碳纳米管的延伸方向(即第一方向)与生长面210的夹角75°～90°。在一个可选地具体示例中，碳纳米管阵列110中的碳纳米管的延伸方向垂直于生长面210。也即是第一方向为垂直于生长面210的方向。当然，在其他一些实施例中，碳纳米管与生长面210的夹角没有特别限制，可以根据实际需要进行调整。

具体地，碳纳米管阵列110中的各碳纳米管具有靠近生长面210的近端和远离生长面210的自由端。在本实施方式中，碳纳米管的自由端到生长面210的距离为500μm～1500μm。进一步地，碳纳米管的自由端到生长面210的距离均为1000μm～1500μm。可以理解的是，在其他一些实施例中，碳纳米管的自由端到生长面210的距离不限于上述，还可以根据实际需求进行调整。

在本实施方式中，碳纳米管阵列110中的碳纳米管的直径为8nm～12nm。碳纳米管的直径为8nm～12nm时，可以保证碳纳米管阵列110形状规整、取向良好，有利于碳纳米管导热片10的均匀导热。进一步地，碳纳米管的直径为8nm～10nm。可以理解的是，在其他一些实施例中，碳纳米管的直径不限于上述，还可以根据实际需求进行调整。

在本实施方式中，碳纳米管阵列110中的碳纳米管的面密度为10g/m²～30g/m²。碳纳米管阵列110中的碳纳米管的面密度为10g/m²～30g/m²时，可以保证碳纳米管阵列110具有良好的导热性。进一步地，碳纳米管阵列110中的碳纳米管的面密度为15g/m²～20g/m²。在一个可选地具体示例中，碳纳米管阵列110中的碳纳米管的面密度为15g/m²、16g/m²、17g/m²、18g/m²、19g/m²或20g/m²。可以理解的是，在其他一些实施例中，碳纳米管的面密度不限于上述，还可以根据实际需求进行调整。

步骤b：弯折碳纳米管远离基底20的一端，以使碳纳米管在第一方向上形成与基底20连接的连接段和在第二方向上形成与连接段连接的弯折段，多根碳纳米管在第一方向上的连接段构成连接部111，在第二方向上的弯折段构成弯折部113。

具体地，弯折碳纳米管远离基底20的一端的步骤包括：在沿与基底20呈30°～40°夹角(图2中的β)的方向上，向碳纳米管阵列110远离基底20的一端施加压力，以弯折碳纳米管远离基底20的一端。当施加压力的角度低于30°，容易使得碳纳米管阵列110与基底20分离，并且容易对碳纳米管过度剪切，容易导致碳纳米管阵列完全弯折，且使施压装置在碳纳米管阵列的一端表面进行滑动，从而打乱碳纳米管阵列的取向，形成不均匀的碳纳米管；当施加压力的角度高于40°时，无法向碳纳米管提供足够的水平剪切力。在一个可选地具体示例中，施加压力的方向与生长面210形成的夹角为30°、32°、34°、35°、36°、38°或40°。

进一步地，在沿与生长面210呈30°～40°夹角的方向上，向碳纳米管阵列110远离基底20的一端施加压力。施加压力的大小为50N～500N，施加压力的时间为1s～3s。按照上述条件进行施压时，可以使得弯折部113的碳纳米管的取向一致性好。在一个可选地具体示例中，施加压力的大小为50N、100N、250N或500N，施加压力的时间为1s、1.5s、2s、2.5s或3s。当然，在其他一些实施例中，还可以根据碳纳米管阵列110中碳纳米管的密度调整施加的压力和施加压力的时间。

在一个可选地具体示例中，采用施压装置向碳纳米管阵列110远离基底20的一端施压，该施压装置包括金属板(例如铝板)。向碳纳米管阵列110远离基底20的一端施加压力的操作包括：将基底20固定，以防止基底20在施加压力过程中移动；将金属板置于碳纳米管阵列110远离基底20的一侧，并使得金属板与基底20平行；及在沿与生长面210呈30°～40°夹角的方向上，向金属板施加压力。通过向金属板的施压，使得制得的弯折部113的表面平整，弯折部113的碳纳米管的取向一致性好，从而改善碳纳米管导热片10与热源的接触热阻过大的问题。

步骤c：将高分子前体溶液填充在连接部111的碳纳米管之间的空隙中。

具体地，将高分子前体溶液填充在连接部111的碳纳米管之间的空隙中的步骤包括：在基底20上形成填充槽，碳纳米管阵列110收容在填充槽内；及向填充槽内灌入高分子前体溶液，以使连接部111的碳纳米管之间的空隙被高分子前躯体溶液填充。通过直接在基底20上设置填充槽填充高分子前体溶液，避免了在填充高分子前体溶液时碳纳米管阵列110的端面也被高分子前体溶液包裹，与传统的先将碳纳米管阵列110从基底20上剥离，然后对剥离后的碳纳米管阵列110的端面进行保护，接着再填充高分子前体溶液的操作相比，更为简捷。

在一个可选地具体示例中，高分子前体溶液的粘度为100cps～1000cps；若高分子前体溶液的粘度大于1000cps，则高分子前体溶液的渗透困难，会影响高分子前体溶液填充于碳纳米管之间的孔隙的速度；若高分子前体溶液的粘度小于100cps，难以控制高分子前体溶液的添加量，容易溢出。进一步地，高分子前体溶液的粘度为200cps～800cps。

在一个可选地具体示例中，高分子材料120为热固性高分子材料120。进一步地，高分子材料120选自液态硅胶、氟化橡胶、环氧树脂及丙烯酸树脂中的至少一种。可以理解的是，在其他一些实施例中，高分子材料120不限于上述，可以根据实际需要进行选择。

在一个可选地具体示例中，在基底20上形成与基底20密封连接的填充槽，且碳纳米管阵列110收容在填充槽内，填充槽具有靠近弯折部113远离基底20一侧表面的槽口；然后，通过填充槽的槽口向弯折部113滴加高分子前体溶液，高分子前体溶液经过弯折部113到达连接部111，从而填充连接部111的碳纳米管之间的空隙。当然，在一些实施例中，填充槽还具有注液口，注液口位于填充槽的侧壁上且靠近连接部111。通过在填充槽的侧面开注液口使得高分子前体溶液可以从连接部111的侧面进入连接部111的碳纳米管之间的空隙，避免了高分子前体溶液从弯折部113加入而使得弯折部113有高分子材料120的形成而影响导热片的性能或增加去除弯折部113的高分子材料120的工序。

步骤d：聚合填充于连接部111的碳纳米管之间的高分子前体溶液以形成高分子材料120。

高分子前体溶液中包含有高分子材料120的前体和固化剂。通过固化剂及相应的条件的作用，高分子材料120的前体发生聚合反应生成高分子材料120。

在本实施方式中，高分子材料120为热固性高分子材料，采用热固化使得填充于连接部111的碳纳米管之间的高分子前体溶液发生聚合反应而形成高分子材料120。具体地，固化的温度为50℃～150℃，固化的时间为10min～30min。进一步地，固化的温度为50℃～100℃。当然，在其他一些实施例中，固化的温度和时间可以根据高分子前体溶液的性质进行调整，只要能使得高分子前体溶液固化且不影响碳纳米管即可。

在一些实施例中，在聚合填充于连接部111的碳纳米管之间的高分子前体溶液以形成高分子材料120的步骤之后，还包括对弯折部113远离基底20的表面进行表面处理的步骤。在向连接部111填充高分子前体溶液时，弯折部113上容易残留的高分子前体溶液而这些高分子前体溶液在连接部111的高分子前体溶液固化时也同样被固化，从而形成了高分子材料120。通过对弯折部113远离基底20的表面进行表面处理可以去除弯折部113表面的这些高分子材料120，避免弯折部113与热源之间的导热被导热性能较不佳的高分子材料120阻隔，同时使得碳纳米管导热片10在应用时与热源之间的接触热阻更小，与热源的接触更好，提高碳纳米管的导热性能。

具体地，对弯折部113远离基底20的表面进行表面处理的方法选自等离子刻蚀、化学修饰及金属沉积中的至少一种。在一个可选地具体示例中，采用CF₄等离子刻蚀弯折部113远离基底20的表面。采用CF₄等离子刻蚀弯折部113远离基底20的表面，可以充分刻蚀弯折部113表面的高分子材料120，其他等离子方法，例如O₂等离子体处理容易对弯折部113的表面的高分子材料120刻蚀不充分，尤其是对于含硅的高分子材料120，效果不佳。具体地，采用CF₄等离子刻蚀的条件为：按照1：(1～3)的流量通入CF₄及Ar，气体总流量200mL/min～400mL/min，压力为-100.4KPa；设备功率为400W～600W，等离子体发生器频率为20KHz～40KHz；处理时间为1h～3h。

当然，在一些实施例中，若弯折部113的碳纳米管上无高分子材料120，例如向连接部111填充高分子前体溶液时不经过弯折部113，而是从连接部111的侧面将高分子前体溶液填充到连接部111，则可以省略对弯折部113进行表面处理的步骤。

需要说明的是，步骤b与步骤c和步骤d之间没有严格的先后顺序，也即是，可以先将碳纳米管阵列110中的碳纳米管弯折从而形成弯折部113和连接部111之后，向连接部111灌注高分子前体溶液并使其聚合形成高分子材料120；也可以是先向碳纳米管阵列110中灌注高分子前体溶液，然后弯折碳纳米管阵列110中的碳纳米管以形成弯折部113和连接部111，最后聚合灌注在连接部111的高分子前体溶液；还可以是，是先向碳纳米管阵列110中灌注高分子前体溶液，然后聚合灌注在碳纳米管阵列110中的高分子前体溶液，最后弯折碳纳米管阵列110中的碳纳米管以形成弯折部113和连接部111。

步骤e：将碳纳米管阵列110与高分子材料120形成的复合材料与基底20分离，得到碳纳米管导热片10。

具体地，将碳纳米管阵列110与高分子材料120形成的复合材料与基底20分离的方法没有特别限制，可以采用本领域常用的方法，例如将基底20从碳纳米管阵列110与高分子材料120形成的复合材料上剥离。

上述碳纳米管导热片10的制备方法简捷，易于规模化生产。

具体实施例

以下结合具体实施例进行详细说明。以下实施例如未特殊说明，则不包括除不可避免的杂质外的其他组分。实施例中采用试剂和仪器如非特别说明，均为本领域常规选择。实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规条件，例如文献、书本中所述的条件或者生产厂家推荐的方法实现。

实施例1

实施例1的碳纳米管导热片的结构如图1所示，实施例1的碳纳米管导热片的厚度为520μm，其中，弯折部的厚度为20μm，实施例1的连接部的厚度为500μm；实施例1的第一方向与第二方向的夹角为92.3°。实施例1的碳纳米管导热片的制备方法如下：

(1)在基底上制备碳纳米管阵列，碳纳米管阵列中的碳纳米管的延伸方向为竖直方向，其中碳纳米管阵列中碳纳米管的长度为1000μm，碳纳米管的面密度为30g/m²，碳纳米管阵列的长为30mm，宽为30mm。

(2)将步骤(1)制得的碳纳米管阵列及其基底放置铝板上并固定，然后将另一个块铝板置于碳纳米管阵列上(铝板与碳纳米管阵列远离基底的一侧表面接触但铝板不对碳纳米管阵列施加压力)并使得该铝板与基底平行，沿与基底的生长面呈35°夹角的方向对碳纳米管阵列进行施加200N的压力，施压时间在3s，得到处理后的碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列由弯折部和连接部组成，弯折部的厚度(在竖直方向上的长度)为20μm，连接部的厚度(在竖直方向上的长度)为500μm，弯折部和连接部相互垂直。

(3)制备两端开口的中空方形填充槽(30×30×0.50mm)，填充槽的一个开口与基底密封连接，处理后的碳纳米管阵列收容在填充槽内。用滴管缓慢从弯折部的上方滴加液体硅胶，待连接部完全浸渍在液体硅胶中且无气泡冒出后，用滤纸将弯折部表面残余的液体硅胶吸干，置于150℃下固化30min。接着，将碳纳米管阵列与硅胶的复合材料从基底上取下。

(4)采用等离子法步骤(3)制备的碳纳米管阵列与硅胶的复合材料进行刻蚀以除去弯折部表面的硅胶。蚀刻条件为：按流量1：1通入CF₄以及Ar，气体总流量400mL/min，压力为-100.4KPa，设备功率为600W，等离子体发生器频率为40KHz，处理时间为1h，得到实施例1的碳纳米管导热片。

实施例2

实施例2的碳纳米管导热片的结构与实施例1的大致相同，实施例2的第一方向与第二方向的夹角为92.3°，其不同在于，实施例2的弯折部的厚度为28μm，实施例2的连接部的厚度为800μm。实施例2的碳纳米管导热片的制备方法与实施例1的碳纳米管导热片的制备方法大致相同，其不同在于，在基底上制备的碳纳米管阵列的碳纳米管的长度为1500μm；在碳纳米管阵列上施加的压力为500N，施加时间为2s。

实施例3

实施例3的碳纳米管导热片的结构与实施例1的大致相同，实施例3的第一方向与第二方向的夹角为92.3°，其不同在于，实施例3的弯折部的厚度为10μm，实施例3的连接部的厚度为300μm，实施例1的第一方向与第二方向的夹角为92.3°。实施例2的碳纳米管导热片的制备方法与实施例1的碳纳米管导热片的制备方法大致相同，其不同在于，在基底上制备的碳纳米管阵列的碳纳米管的长度为550μm；在碳纳米管阵列上施加的压力为100N，施加时间为1s。

实施例4

实施例4的碳纳米管导热片的结构与实施例1的大致相同，其不同在于，实施例4的弯折部的厚度为10μm，实施例4的连接部的厚度为600μm，实施例4的第一方向与第二方向的夹角为91.43°。实施例4的碳纳米管导热片的制备方法与实施例1的碳纳米管导热片的制备方法大致相同，其不同在于，在碳纳米管阵列上施加的压力的方向与基底的生长面的夹角为30°。

实施例5

实施例5的碳纳米管导热片的结构与实施例1的大致相同，其不同在于，实施例5的弯折部的厚度为30μm，实施例5的连接部的厚度为400μm，实施例5的第一方向与第二方向的夹角为92.9°。实施例5的碳纳米管导热片的制备方法与实施例1的碳纳米管导热片的制备方法大致相同，其不同在于，在碳纳米管阵列上施加的压力的方向与基底的生长面的夹角为40°。

实施例6

实施例6的碳纳米管导热片的结构与实施例1的大致相同，其不同在于，实施例6的弯折部的厚度为5μm，实施例6的连接部的厚度为700μm，实施例6的第一方向与第二方向的夹角为90.95°。实施例6的碳纳米管导热片的制备方法与实施例1的碳纳米管导热片的制备方法大致相同，其不同在于，在碳纳米管阵列上施加的压力的方向与基底的生长面的夹角为25°。

实施例7

实施例7的碳纳米管导热片的结构与实施例1的大致相同，其不同在于，实施例7的弯折部的厚度为60μm，实施例7的连接部的厚度为300μm，实施例7的第一方向与第二方向的夹角为94.9°。实施例7的碳纳米管导热片的制备方法与实施例1的碳纳米管导热片的制备方法大致相同，其不同在于，在碳纳米管阵列上施加的压力的方向与基底的生长面的夹角为45°。

对比例1

对比例1的碳纳米管导热片的制备方法如下：

(1)在基底上制备碳纳米管阵列，其中碳纳米管阵列中碳纳米管的长度为500μm，碳纳米管的面密度为30g/m²，碳纳米管阵列的长为30mm，宽为30mm。

(2)制备两端开口的中空方形填充槽(30×30×0.50mm)，填充槽的一个开口与基底密封连接，步骤(1)的碳纳米管阵列收容在填充槽内。用滴管缓慢从碳纳米管阵列的上方滴加液体硅胶的前体溶液，待碳纳米管阵列完全浸渍在液体硅胶的前体溶液中且无气泡冒出后，用滤纸将碳纳米管阵列表面残余的液体硅胶的前体溶液吸干，置于150℃下固化30min。接着，将碳纳米管阵列与液体硅胶的复合材料从基底上取下，得到对比例1的碳纳米管导热片。

对比例2

对比例2的碳纳米管导热片的制备方法大致与对比例1相同，其不同在于，对比例2的碳纳米管导热片的制备方法在将碳纳米管阵列与液体硅胶的复合材料从基底上取下的步骤之后，还包括对碳纳米管阵列远离基底的表面(也即是添加液体硅胶的前体溶液的表面)进行表面处理的步骤。具体地，在将碳纳米管阵列与液体硅胶的复合材料从基底上取下后，对碳纳米管阵列远离基底的表面积采用CF₄等离子刻蚀，刻蚀的条件为：按照1：1的流量通入CF₄及Ar，气体总流量400mL/min，压力为-100.4KPa，设备功率为600W，等离子体发生器频率为40KHz，处理时间为1h，得到对比例2的碳纳米管导热片。

测试

采用标准ASTM D5470测试各实施例和对比例的碳纳米管导热片的导热率，结果如表1所示。

表1

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

Claims (12)

1.一种碳纳米管导热片，其特征在于，包括：

碳纳米管阵列，具有多根取向同向的碳纳米管，各所述碳纳米管包括在第一方向上的连接段和在第二方向上且与所述连接段连接的弯折段，多根所述碳纳米管在第一方向上的连接段构成连接部，在第二方向上的弯折段构成弯折部；及

高分子材料，填充于所述连接部，所述高分子材料的分子量为17200～35000；

其中，所述碳纳米管导热片在使用时，所述弯折部与热源直接接触。

2.根据权利要求1所述的碳纳米管导热片，其特征在于，所述第一方向与所述第二方向之间的夹角为90°～98°；

及/或，所述连接部的碳纳米管的面密度为10g/m²～30g/m²。

3.根据权利要求1或2所述的碳纳米管导热片，其特征在于，所述碳纳米管的弯折段占各所述碳纳米管的总长度的30％～50％。

4.根据权利要求3所述的碳纳米管导热片，其特征在于，所述碳纳米管的弯折段的长度为150～700μm；

及/或，所述碳纳米管的连接段的长度为300μm～800μm。

5.根据权利要求1或2所述的碳纳米管导热片，其特征在于，所述连接部的厚度为300μm～800μm；

及/或，所述弯折部的厚度为2μm～100μm；

及/或，所述碳纳米管导热片的厚度为302μm～900μm。

6.根据权利要求1所述的碳纳米管导热片，其特征在于，所述高分子材料为热固性高分子材料。

7.一种碳纳米管导热片的制备方法，其特征在于，包括：

在基底上形成碳纳米管阵列，所述碳纳米管阵列具有多根取向为第一方向的碳纳米管；

弯折所述碳纳米管远离所述基底的一端，以使所述碳纳米管在所述第一方向上形成与所述基底连接的连接段和在第二方向上形成与所述连接段连接的弯折段，多根所述碳纳米管在第一方向上的连接段构成连接部，在第二方向上的弯折段构成弯折部；

将高分子前体溶液填充于所述连接部的碳纳米管之间的空隙中；及

固化填充于所述连接部的碳纳米管之间的高分子前体溶液以形成高分子材料，剥离基底，制备所述碳纳米管导热片。

8.根据权利要求7所述的碳纳米管导热片的制备方法，其特征在于，所述弯折所述碳纳米管阵列远离所述基底的一端的步骤包括：

在沿与基底呈30度～40度夹角的方向上，向所述碳纳米管阵列远离所述基底的一端施加压力，以弯折所述碳纳米管阵列远离所述基底的一端。

9.根据权利要求8所述的碳纳米管导热片的制备方法，其特征在于，施加压力的大小为50N～500N，施加压力的时间为1s～3s。

10.根据权利要求7所述的碳纳米管导热片的制备方法，其特征在于，所述将高分子前体溶液填充于所述连接部的碳纳米管之间的空隙中的步骤包括：

在所述基底上形成填充槽，所述碳纳米管阵列收容在所述填充槽内；及

向所述填充槽内灌入高分子前体溶液，以使所述连接部的碳纳米管之间的空隙被所述高分子前躯体溶液填充。

11.根据权利要求7所述的碳纳米管导热片的制备方法，其特征在于，在所述固化填充于所述连接部的碳纳米管之间的高分子前体溶液的步骤之后，还包括对所述弯折部远离所述基底的表面进行表面处理的步骤。

12.根据权利要求7～11任一项所述的碳纳米管导热片的制备方法，其特征在于，所述第一方向为垂直于所述基底的方向，所述第二方向为平行于所述基底的方向；

及/或，所述高分子前体溶液的粘度为100cps～1000cps；

及/或，所述高分子材料为硅胶、氟化橡胶、环氧树脂及丙烯酸树脂中的至少一种。

Images