CN112391128B - 一种高导热石墨烯散热材料及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高导热石墨烯散热材料，包括金属箔基材，所述金属箔基材的上表面均匀涂覆有一层石墨烯散热涂层，所述金属箔基材的下表面均匀涂覆有一层导热胶黏层，并在所述导热胶黏层的外层粘附有离型膜；其中，石墨烯粉体超声分散在溶剂中形成石墨烯分散液，再将石墨烯分散液均匀涂覆在金属箔基材的上表面，经过固化处理得到石墨烯散热涂层，石墨烯散热涂层的导热系数达2000‑2300W/mk。本发明中高导热石墨烯散热材料可自动连续进行生产，卷曲储存，使用方便，具有良好的导热性能和散热性能。

Description

一种高导热石墨烯散热材料及其制备工艺
技术领域
本发明涉及界面散热材料技术领域，具体涉及一种高导热石墨烯散热材料及其制备工艺。
背景技术
随着电子产品的普及，人们对便携度、功能度的要求也越来越高，各大电子产品如手机、电脑、电视机、平板等都在实现超薄轻量化，产品的体积越来越小，功能越来越强，这就导致了集成度越来越高，功率需求越来越强，强大的功率导致产品产生更多的热量，进而对电子线路板上的电子元器件的散热要求越来越严格。现有技术中通常采用导热压敏胶贴附在电子元器件与散热材料(如铜箔、铝箔等)之间，有效的提高了散热效果，广泛应用于LCD、半导体、基层电路等电子元器件中，但是铜箔、铝箔这类散热材料价格昂贵，且散热效果也无法满足现有电子产品对导热散热的需求。
石墨烯(Graphene)是一个原子厚的sp2杂化碳层，紧密堆积成的二维蜂窝状结构，是一种二维材料，是所有其他维度的石墨材料的基本建筑单元。它可以翘曲成零维的富勒烯，卷成一维的碳纳米管或者堆叠成三维的石墨。石墨烯具有独特的载流子特性，在室温条件下，电子迁移率高达200000cm2/V·S，可应用于具有弹道电子输运特性的领域；经过试验研究表明悬空的单层石墨烯在室温下可拥有5000W/mK的高热导率。石墨烯的高热导率特性也进一步支持石墨烯作为新电子器件散热材料的应用前景。
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材料，它可以解决现有技术中用于电子元器件的散热材料的散热效果较差，成本较高的问题。
为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
本发明的第一方面，提供一种高导热石墨烯散热材料，包括金属箔基材，所述金属箔基材的上表面均匀涂覆有一层石墨烯散热涂层，所述金属箔基材的下表面均匀涂覆有一层导热胶黏层，并在所述导热胶黏层的外层粘附有离型膜；其中，石墨烯粉体超声分散在溶剂中形成石墨烯分散液，再将石墨烯分散液均匀涂覆在金属箔基材的上表面，经过固化处理得到石墨烯散热涂层，石墨烯散热涂层的导热系数达2000-2300W/mk。
优选地，所述石墨烯粉体与溶剂的质量比为1：(7-9)。所述溶剂为体积比为1:2:2的水、乙醇、丙酮的混合溶液。其中，石墨烯粉体的比表面积为60-100m2/g，选用比表面积相对较大的石墨烯粉体，其与发热体接触的面积越大，散热效果越好。
优选地，所述导热胶黏层为掺杂有导热粉体的胶黏剂，所述导热粉体为质量比为1：(2-5)的氮化铝和石墨烯份体的混合物。所述胶黏剂为环氧树脂、丙烯酸树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂、有机硅树脂、呋喃树脂、不饱和聚酯、聚酰亚胺、酚醛-聚乙烯醇缩醛、酚醛-聚酰胺、酚醛-环氧树脂、环氧-聚酰胺中的任意一种，胶黏剂优选为环氧树脂、丙烯酸树脂或酚醛树脂。
优选地，所述金属箔基材为铝箔、铜箔、镍箔或金箔。金属箔基材优选为铜箔，铜箔压延性能好，可以制作成很薄的片子，导热性能优异，与石墨烯散热涂层复合后，一方面起到载体的支撑作用，另一方面起到导热散热的作用。
优选地，所述金属箔基材的厚度为10-30μm，所述石墨烯散热涂层的厚度为5-25μm，所述导热胶黏层的厚度为3-15μm。
优选地，所述涂覆方法为喷涂法、涂膜机涂布、丝网印刷或浸渍提拉法。
本发明的第二方面，提供一种上述高导热石墨烯散热材料的制备工艺，包括以下步骤：
S1、按照相应的配比称取石墨烯与溶剂，超声分散20-30min，超声功率为300-500W，得到石墨烯分散液；
S2、按照产品需求，配置相应的胶黏剂，再向胶黏剂中添加定量的导热粉体充分搅拌，搅拌速度为800-1000r/min，混合均匀，得到导热胶黏剂；
S3、将石墨烯分散液均匀涂覆在金属箔基材的上表面，通过紫外光照或热风干燥固化形成石墨烯散热涂层；
S4、再将导热胶黏剂均匀涂覆至金属箔基材的下表面，经过固化处理后形成导热胶黏层，在导热胶黏层上附离型膜收卷即得高导热石墨烯散热材料。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明中石墨烯散热涂层是直接将石墨烯与溶剂进行超声分散混合的方法进行制备，通过对溶剂进行选择，并对石墨烯和溶剂的用量进行调控，实现了将石墨烯稳定均匀的分散在溶剂中，保证了石墨烯散热涂层的结构完整性，石墨烯散热涂层的导热性大幅度提高，导热系数可达到2000-2300W/mk，最大程度地提高散热效率；通过在金属箔基材的下表面均匀涂覆有一层导热胶黏层，导热胶粘层选用掺杂有导热粉体的胶黏剂，不影响胶黏剂自身初粘力、持粘力和剥离强度性能的前提下可以有效提高导热效果，金属箔基材的上下两层均能够发挥石墨烯的高热辐射性能和高导热性能；此外，在导热胶黏层的外层粘附有离型膜，可以对高导热石墨烯散热材料卷曲储存，使用方便，可以广泛用于笔记本电脑、手机、电视、摄像机、LED灯以及汽车散热片等设备的导热散热。
附图说明
下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明中高导热石墨烯散热材料的结构示意图；
其中，具体附图标记为：金属箔基材1，石墨烯散热涂层2，导热胶黏层3。
具体实施方式
一种高导热石墨烯散热材料，包括金属箔基材，金属箔基材的上表面均匀涂覆有一层石墨烯散热涂层，金属箔基材的下表面均匀涂覆有一层导热胶黏层，并在导热胶黏层的外层粘附有离型膜。
其中，石墨烯粉体超声分散在溶剂中形成石墨烯分散液，再将石墨烯分散液均匀涂覆在金属箔基材的上表面，经过固化处理得到石墨烯散热涂层，石墨烯散热涂层的导热系数达2000-2300W/mk。石墨烯粉体与溶剂的质量比为1：(7-9)。溶剂为体积比为1:2:2的水、乙醇、丙酮的混合溶液。其中，石墨烯粉体的比表面积为60-100m2/g，选用比表面积相对较大的石墨烯粉体，其与发热体接触的面积越大，散热效果越好。
其中，导热胶黏层为掺杂有导热粉体的胶黏剂，导热粉体为质量比为1：(2-5)的氮化铝和石墨烯份体的混合物。胶黏剂为环氧树脂、丙烯酸树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂、有机硅树脂、呋喃树脂、不饱和聚酯、聚酰亚胺、酚醛-聚乙烯醇缩醛、酚醛-聚酰胺、酚醛-环氧树脂、环氧-聚酰胺中的任意一种，优选为环氧树脂、丙烯酸树脂或酚醛树脂。
其中，金属箔基材为铝箔、铜箔、镍箔或金箔。金属箔基材优选为铜箔，铜箔压延性能好，可以制作成很薄的片子，导热性能优异，与石墨烯散热涂层复合后，一方面起到载体的支撑作用，另一方面起到导热散热的作用。
其中，金属箔基材的厚度为10-30μm，石墨烯散热涂层的厚度为5-25μm，导热胶黏层的厚度为3-15μm。
其中，涂覆方法为喷涂法、涂膜机涂布、丝网印刷或浸渍提拉法。
实施例1
一种高导热石墨烯散热材料，包括金属箔基材，金属箔基材的上表面均匀涂覆有一层石墨烯散热涂层，金属箔基材的下表面均匀涂覆有一层导热胶黏层，并在导热胶黏层的外层粘附有离型膜。
石墨烯粉体超声分散在溶剂中形成石墨烯分散液，再将石墨烯分散液均匀涂覆在金属箔基材的上表面，经过固化处理得到石墨烯散热涂层。石墨烯粉体与溶剂的质量比为1：7.8。溶剂为体积比为1:2:2的水、乙醇、丙酮的混合溶液。
导热胶黏层为掺杂有导热粉体的胶黏剂，导热粉体为质量比为1：3的氮化铝和石墨烯份体的混合物。胶黏剂为环氧树脂，金属箔基材为铝箔。
金属箔基材的厚度为16μm，石墨烯散热涂层的厚度为18μm，导热胶黏层的厚度为9μm。，涂覆方法为喷涂法或涂膜机涂布。
制备工艺如下：
S1、按照相应的配比称取石墨烯与溶剂，超声分散20-30min，超声功率为300-500W，得到石墨烯分散液；
S2、按照产品需求，配置相应的胶黏剂，再向胶黏剂中添加定量的导热粉体充分搅拌，搅拌速度为800-1000r/min，混合均匀，得到导热胶黏剂；
S3、将石墨烯分散液均匀涂覆在金属箔基材的上表面，通过热风干燥固化(120℃，固化60min)形成石墨烯散热涂层；
S4、再将导热胶黏剂均匀涂覆至金属箔基材的下表面，经过固化处理后形成导热胶黏层，在导热胶黏层上附离型膜收卷即得高导热石墨烯散热材料。
实施例2
实施例2与实施例1不同的是：
石墨烯粉体与溶剂的质量比为1：9。导热粉体为质量比为1：5的氮化铝和石墨烯份体的混合物。胶黏剂为酚醛树脂，金属箔基材为铝箔。金属箔基材的厚度为30μm，石墨烯散热涂层的厚度为25μm，导热胶黏层的厚度为3μm。涂覆方法为喷涂法。
实施例3
实施例3与实施例1不同的是：
石墨烯粉体与溶剂的质量比为1：7。导热粉体为质量比为1：2的氮化铝和石墨烯份体的混合物。胶黏剂为丙烯酸树脂，金属箔基材为铜箔。金属箔基材的厚度为10μm，石墨烯散热涂层的厚度为5μm，导热胶黏层的厚度为15μm。涂覆方法为浸渍提拉法。
对比例1
对比例1与实施例1不同的是：导热胶黏层为环氧树脂胶黏剂，不添加导热粉体。
试验例
取实施例1至3中高导热石墨烯散热材料进行以下各种性能的测试。
初粘力使用CZY-G型初粘力测试仪选用GB4852-02标准测试初粘力。
持粘力使用CZY-6S型持粘力测试仪选用GB4851-98标准测试持粘力。
剥离强度使用BLD-200N型180度胶带剥离强度测试机，选用GB2792-98标准测试高导热石墨烯散热材料在玻璃上的剥离强度。
热导率使用C-THERM TCI仪器采用ASTM D7984标准测试高导热石墨烯散热材料的导热系数。
测试结果如表1所示。
表1
初粘力(号) 持粘力(s) 剥离强度(N/m) 导热系数(W/mk)
实施例1 11 162 8.48 2120
实施例2 12 170 8.64 2060
实施例3 11 187 9.12 2290
对比例1 12 169 8.52 1860
由表1中的测试结果可知，导热胶粘层选用掺杂有导热粉体的胶黏剂，不影响胶黏剂自身初粘力、持粘力和剥离强度性能的前提下可以有效提高导热效果，且金属箔基材的上下两层均能够发挥石墨烯的高热辐射性能和高导热性能。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (7)

1.一种高导热石墨烯散热材料，其特征在于，包括金属箔基材，所述金属箔基材的上表面均匀涂覆有一层石墨烯散热涂层，所述金属箔基材的下表面均匀涂覆有一层导热胶黏层，并在所述导热胶黏层的外层粘附有离型膜；其中，石墨烯粉体超声分散在溶剂中形成石墨烯分散液，再将石墨烯分散液均匀涂覆在金属箔基材的上表面，经过固化处理得到石墨烯散热涂层，石墨烯散热涂层的导热系数达2000-2300W/mk；
所述石墨烯粉体与溶剂的质量比为1：(7-9)；
所述溶剂为体积比为1:2:2的水、乙醇、丙酮的混合溶液；
所述石墨烯散热涂层的厚度为5-25μm。
2.根据权利要求1所述的高导热石墨烯散热材料，其特征在于，所述导热胶黏层为掺杂有导热粉体的胶黏剂，所述导热粉体为质量比为1：(2-5)的氮化铝和石墨烯粉体的混合物。
3.根据权利要求2所述的高导热石墨烯散热材料，其特征在于，所述胶黏剂为环氧树脂、丙烯酸树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂、有机硅树脂、呋喃树脂、不饱和聚酯、聚酰亚胺、酚醛-聚乙烯醇缩醛、酚醛-聚酰胺、酚醛-环氧树脂、环氧-聚酰胺中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的高导热石墨烯散热材料，其特征在于，所述金属箔基材为铝箔、铜箔、镍箔或金箔。
5.根据权利要求1所述的高导热石墨烯散热材料，其特征在于，所述金属箔基材的厚度为10-30μm，所述导热胶黏层的厚度为3-15μm。
6.根据权利要求1所述的高导热石墨烯散热材料，其特征在于，所述涂覆方法为喷涂法、涂膜机涂布、丝网印刷或浸渍提拉法。
7.一种如权利要求2所述的高导热石墨烯散热材料的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1、按照相应的配比称取石墨烯与溶剂，超声分散20-30min，得到石墨烯分散液；
S2、按照产品需求，配置相应的胶黏剂，再向胶黏剂中添加定量的导热粉体充分搅拌混合均匀，得到导热胶黏剂；
S3、将石墨烯分散液均匀涂覆在金属箔基材的上表面，通过紫外光照或热风干燥固化形成石墨烯散热涂层；
S4、再将导热胶黏剂均匀涂覆至金属箔基材的下表面，经过固化处理后形成导热胶黏层，在导热胶黏层上附离型膜收卷即得高导热石墨烯散热材料。
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