CN113829684A - 一种石墨烯导热垫片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及电子产品散热器件的领域，具体公开了一种石墨烯导热垫片及其制备方法。石墨烯导热垫片包括多层通过粘接剂粘接的石墨烯膜，石墨烯膜上贯穿上下表面开设有通孔，通孔中穿设有碳纤维丝，碳纤维丝上裹覆有粘接剂。其制备方法为，首先在第一层石墨烯膜上涂覆第一层粘接剂，然后将第二层石墨烯膜叠放置在第一层石墨烯膜上并涂覆第二层粘接剂，依次重复直至叠层至指定高度，然后沿平行石墨烯膜叠层方向开孔，孔中穿设碳纤维丝得到石墨烯‑碳纤维三维结构体，将制得的石墨烯‑碳纤维三维结构体沿平行石墨烯膜叠层的方向切片得到石墨烯导热垫片。本申请的石墨烯导热垫片可用于电子器件散热领域，具有优良的热传导性能和力学性能。

Description

一种石墨烯导热垫片及其制备方法

技术领域

本申请涉及电子产品散热器件的领域，更具体地说，它涉及一种石墨烯导热垫片及其制备方法。

背景技术

随之5G时代的到来，电子芯片工作频率不断升高，电子产品逐步向轻量化、高集成化的方向发展，导致设备的发热量大幅上升，多余的热量若不及时传导出去会极大地影响电子元器件的工作性能，严重时会造成电子器件寿命降低甚至失效。

为了提升电子产品的散热性能，将电子器件产生的热量及时传导出去，业界开始采用热界面材料作为导热介质进行散热。热界面材料是用于涂敷在散热器件与发热器件之间，降低它们之间接触热阻所使用的材料的总称。传统的热界面材料主要有硅脂、硅胶、相变化金属片、导热胶以及丙烯酸树脂等。

导热垫片作为热界面材料的一种应用形式，因其具有较高的可压缩性、柔软且兼具弹性、可以提供多种厚度及尺寸选择等特性，在电子器件导热材料的选择中备受青睐。然而由传统的热界面材料制得的导热垫片，其导热系数有限，一般约为1-10W/(m·k)，难以满足目前热流密度较大的芯片散热领域的高热量传导需求。

发明内容

为了提升导热垫片的热传导性能以满足芯片散热领域的高热量传导需求，本申请提供一种石墨烯导热垫片及其制备方法。

第一方面，本申请提供一种石墨烯导热垫片，采用如下的技术方案：

一种石墨烯导热垫片，包括多层石墨烯膜，所述石墨烯膜的相邻层间涂覆有粘接剂，所述石墨烯膜上形成有若干贯穿石墨烯膜上下表面的通孔，所述通孔中穿设有碳纤维丝，所述碳纤维丝上裹覆有粘接剂。

所述石墨烯膜的厚度优选为200-700μm；石墨烯膜的尺寸优选为10*10-200*200㎜，石墨烯膜堆叠的高度优选为10-200㎜。

通过采用上述技术方案，石墨烯具有良好的热学性能，将石墨烯膜作为热界面材料制作的导热垫片具有优良的导热效果，通过粘接剂粘接多层石墨烯膜，可以堆叠至指定高度制成不同尺寸大小的导热垫片，以满足不同规格电子器件的要求。由于石墨烯的热传导性能具有各向异性，其在层内水平方向热传导率高，在层间方向热传导率低，所以在石墨烯膜的叠层方向上穿设碳纤维丝，并在碳纤维丝上裹覆粘接剂将碳纤维丝固定在石墨烯膜上的通孔内，通过碳纤维丝提高石墨烯导热垫片在层间方向上的热传导率。通过测试，本申请中的石墨烯导热垫片层内导热系数最高可超过180 W/(m·K)，层间导热系数最高可超过90 W/(m·K)，并且具有良好的力学性能。

可选的，所述粘接剂为丙烯酸树脂、环氧树脂、硅橡胶、酚醛树脂、聚氨酯中的一种。优选为丙烯酸树脂或硅橡胶。

可选的，所述石墨烯膜层间涂覆的粘接剂的厚度为10-100μm。

通过采用上述技术方案，粘接剂主要起到粘接相邻两层石墨烯膜的作用，避免石墨烯导热垫片分层散开。粘接剂厚度超过100μm后，粘接剂过厚影响石墨烯导热垫片层间方向的导热效果；粘接剂厚度低于10μm，粘接剂过薄不能起到较好的粘接效果，石墨烯膜易分层散开。

可选的，所述通孔在石墨烯膜上阵列分布，所述通孔的孔径为20-100μm；相邻两通孔中心的间距为50-200μm。

可选的，所述碳纤维丝由聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤或黏胶基碳纤维，且所述碳纤维丝的直径为5-15μm，优选为7-10μm，进一步优选为7μm。

通过采用上述技术方案，由于石墨烯层间方向的热传导性能较差，并且相邻两层石墨烯膜之间通过粘接剂粘接，所以制得的石墨烯导热垫片在石墨烯膜层间方向上的散热效果弱于层内水平方向的散热效果，而使用碳纤维丝可以起到提高石墨烯膜层间热传导性能的作用。

通孔的孔径大小会影响石墨烯导热垫片的力学性能以及层内方向上的导热性能，通孔的排布密度会影响石墨烯导热垫片的力学性能以及层间方向的热传导性能。若通孔间距超过200μm，碳纤维丝在石墨烯导热垫片上分布过于稀疏，导致在石墨烯膜层间方向上热传导效果不佳；若相邻通孔的间距小于50μm，通孔分布过于密集，打孔难度增加，并且会影响石墨烯导热垫片的力学性能，石墨烯膜易破裂。通孔的孔径会影响碳纤维丝的穿设，当通孔孔径小于30μm时，碳纤维丝的穿设比较困难；若通孔孔径大于100μm，一方面会影响到石墨导热垫片的力学性能，另一方面，孔径过大时通孔中会粘附更多的粘接剂，影响石墨烯导热垫片的热传导性能。

需要说明的是，通孔的孔径和排布密度会相互制约，进而共同影响所制得的石墨烯导热垫片的力学性能和热传导性能。例如，当通孔的孔径为40μm、相邻通孔中心间距为150μm时，在一片厚度为0.2㎜、大小为20*20㎜的石墨烯导热垫片上，可开设通孔的数量为：宽度方向上约130个、厚度方向1个。即，在一片厚度为0.2㎜、大小为20*20㎜的石墨烯导热垫片内部可以布置约130条碳纤维丝。

第二方面，本申请提供一种石墨烯导热垫片的制备方法，采用如下的技术方案：

一种石墨烯导热垫片的制备方法，包括以下步骤：

S1，石墨烯膜叠层：在第一层石墨烯膜上涂覆一层粘接剂，然后将第二层石墨烯膜放置在第一层石墨烯膜上，并在第二层石墨烯膜上继续涂覆一层粘接剂后叠放第三层石墨烯膜，依次往复，不断重复叠层直至目标高度，待粘接剂固化后得到石墨烯膜块体；

S2，打孔：在石墨烯膜块体上开设通孔，所述通孔的轴向平行于石墨烯膜的叠层方向；

S3，碳纤维丝穿孔：将复卷的碳纤维丝表面裹覆粘接剂后穿入所述通孔，得到石墨烯-碳纤维三维结构体；

S4，切片：将石墨烯-碳纤维三维结构体沿平行于石墨烯膜堆叠的方向进行切片得到石墨烯导热垫片；

通过采用上述技术方案，由于最后制得的石墨烯导热垫片很薄，所以在制备时，首先将大片的石墨烯膜叠层，每一层石墨烯膜通过粘接剂与相邻层的石墨烯膜连接，直至石墨烯膜叠层至目标高度。然后通过开孔穿设的方式将碳纤维丝布置于石墨烯膜块体内部。为了使碳纤维丝固定在石墨烯块体内部，需要在碳纤维丝上裹覆粘接剂用于和石墨烯块体连接，最后得到石墨烯-碳纤维三维结构体，然后进行切片即可得到石墨烯导热垫片。

可选的，还包括以下步骤：S5，裁切，将步骤S4中切片得到的石墨烯导热垫片裁切成指定尺寸大小。

通过采用上述技术方案，在制备石墨烯导热垫片时，可以先将大片的石墨烯膜进行叠层，切片得到大片的石墨烯导热垫片后再裁切成多个小片，可以提高生产效率。

可选的，步骤S1中粘接剂的涂覆方式为喷涂或刮涂，所述粘接剂的固化方式为热固化、常温固化或UV固化，优选为热固化。

通过采用上述技术方案，选用不同类型的粘接剂需要匹配不同类型的涂覆方式，例如，对于丙烯酸树脂类的粘接剂，因其整体粘度较小，采用喷涂的方式进行涂覆，可以做到粘接剂涂覆均匀，并且可以涂覆地很薄；而对于硅橡胶等粘度较高的粘接剂，则需采用刮涂的方式进行涂覆，粘接剂的固化方式根据粘接剂的类型及使用说明进行选择。此外，粘接剂的固化可以是每堆叠一层石墨烯膜进行一次固化，也可以是待所有石墨烯膜叠层完成后一次固化，优选为所有石墨烯膜叠层完成后一次固化。

可选的，步骤S2中打孔方式为激光打孔或机械钻孔；步骤S4中切片方式为线切割、激光切割刀片切割或超声波切割。

通过采用上述技术方案，针对通孔孔径大小以及不同的应用需求选用不同的打孔方式。激光打孔速度快，适用于小孔径、数量多且高密度的群孔加工，可以提高打孔效率。但激光打孔为高强度热源加热材料开孔，其聚焦能量过高或者光斑较大时，会在石墨烯膜上通孔附近产生一定的热效应烧伤，影响石墨烯膜的结构和机械性能；同时，激光打孔的成孔为圆台孔，在开设大孔径通孔时圆台型结构会影响后续的切片准确性，所以在需要开设大孔径的通孔时，可以采用机械钻孔的方式。根据所需切片的厚度不同以及具体生产需求选用不同的切片方式，此外，石墨烯导热垫片的厚度可以根据应用环境的需求进行调整。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、本申请中选用石墨烯膜作为导热垫片的主体材料，将碳纤维丝沿贯穿石墨烯膜叠层的方向穿设在石墨烯膜块体的内部以提升石墨烯膜层间的热传导性能，使得最终制成的石墨烯导热垫片在厚度方向以及石墨烯膜堆叠层间方向均具有优良的热传导效果，石墨烯导热垫片的散热性能显著提升；

2、本申请提供的制备石墨烯导热垫片的方法，将多层石墨烯膜叠层至目标高度后再进行切片，根据需求可以切成指定的厚度，同时，石墨烯膜的叠层的厚度也可以根据需求进行灵活调整，制备石墨烯导热垫片的方法简单高效，适于批量化生产。

附图说明

图1是本申请中石墨烯膜叠层方向和切片方向的示意图。

附图标记说明：1、石墨烯膜；2、粘接剂；3、碳纤维丝。

具体实施方式

以下结合附图1和实施例对本申请作进一步详细说明。

实施例

实施例1

本实施例公开一种石墨烯导热垫片，采用如下方法制得：

S1，将第一层石墨烯膜放置在操作台上，在第一层石墨烯膜上涂覆一层粘接剂，然后将第二层石墨烯膜叠放在第一层石墨烯上，并在第二层石墨烯膜上涂覆一层粘接剂后叠放第三层石墨烯膜，依次往复直至叠层至目标高度，待粘接剂干燥后得到石墨烯膜块体；

S2，在S1中制得的石墨烯膜块体上开设若干通孔，通孔的轴向平行于石墨烯膜堆叠的方向，并且通孔贯穿整个石墨烯膜块体，所有通孔在石墨烯膜上呈矩阵分布；

S3，向S2中开设的通孔中穿设碳纤维丝，在穿设之前先将碳纤维丝在粘接剂中浸润，使粘接剂裹覆在碳纤维丝表面，然后将裹覆有粘接剂的碳纤维丝穿入石墨烯膜块体上的通孔中，并使碳纤维丝在长度方向完全填满通孔，粘接剂固化后碳纤维丝即固定在石墨烯块体内部，得到石墨烯-碳纤维三维结构体；

S4，将S3中制得的石墨烯-碳纤维三维结构体进行切片得到石墨烯导热垫片，参照图1，切片方向平行于石墨烯膜的堆叠方向，在切片时切割位置位于相邻的两列或者两行碳纤维丝之间，同时，切片得到的石墨烯导热垫片，其上均匀分布有碳纤维丝；

其中，石墨烯膜的尺寸为50*50㎜，厚度500μm，石墨烯膜叠层的目标高度为50㎜。

石墨烯膜层间涂覆的粘接剂为丙烯酸树脂粘接剂，厚度为10μm，涂覆方式为喷涂，固化方式为热固化，固化温度为120℃；

通孔孔径20μm，相邻两通孔中心间距为50μm，开孔方式为激光打孔；

切片方式为线切割，切片所得石墨烯导热垫片厚度为2㎜、大小为50*50㎜。

实施例2

与实施例1的区别在于，相邻石墨烯膜层间涂覆的丙烯酸树脂粘接剂的厚度为100μm。

实施例3

与实施例1的区别在于，相邻石墨烯膜层间涂覆的丙烯酸树脂粘接剂的厚度为30μm。

实施例4

与实施例3的区别为在于，通孔的孔径为100μm，相邻通孔中心的间距为200μm。

实施例5

与实施例3的区别在于，通孔的孔径为20μm，相邻通孔中心的间距为200μm。

实施例6

与实施例3的区别在于，通孔的孔径为100μm，相邻通孔中心的间距为180μm。

实施例7

与实施例3的区别在于，通孔的孔径为60μm，相邻通孔中心的间距为120μm。

实施例8

与实施例7的区别在于，石墨烯膜层间涂覆的粘接剂为硅橡胶粘接剂，粘接剂厚度为30μm，涂覆方式为刮涂，固化方式为热固化，固化温度为80℃。

实施例9

与实施例与实施例7的区别在于：石墨烯膜的尺寸为100*100㎜，厚度500μm；

在切片得到的大片石墨烯导热垫片进行裁切，一出四得到厚度为2㎜、大小为50*50㎜的石墨烯导热垫片。

对比例

对比例1

本对比例中与实施例7的区别在于，石墨烯膜上未开设通孔，且不设置碳纤维丝。

对比例2

本对比例与实施例7的区别在于，在石墨烯膜上的通孔中灌注丙烯酸树脂粘接剂，通孔中不穿设碳纤维丝。

对比例3

本对比例与实施例3的区别在于，相邻石墨烯膜层间涂覆的丙烯酸树脂粘接剂的厚度为120μm。

对比例4

本对比例与实施例7的区别在于，通孔的孔径为20μm，相邻通孔中心间距为250μm。

对比例5

本对比例与实施例7的区别在于，通孔孔径为120μm，相邻通孔中心间距为150μm。

性能检测试验

在每个实施例以及对比例中选取2㎜厚度的石墨烯导热垫片进行性能检测。依据ASTM D412-2006测试石墨烯导热垫片的拉伸强度；依据ASTM D575-1991测试导热垫片的压缩回弹率；依据ASTM D5470测试导热垫片的导热系数。

实施例1-9以及对比例1-5中石墨烯导热垫片的性能检测数据件下表1。其中，“厚度方向”为石墨烯导热切片所得的石墨烯导热垫片的厚度方向，即图1中所示的X方向；“水平方向”为石墨烯导热垫片上碳纤维丝的长度方向，即石墨烯膜的层间方向，图1中所示Z方向；“垂直方向”为石墨烯导热垫片平面内垂直于碳纤维丝长度的方向，图1中所示Y方向。

表1：实施例1-9及对比例1-5的性能测试数据

结合实施例7、对比例1-2、以及表1中的数据可以看出，在石墨烯膜叠层内部布置碳纤维丝可以有效提高石墨烯膜层间方向的热传导性能。具体来说，通过在多层石墨烯膜叠层的层间方向上布置碳纤维丝，通过碳纤维丝连通石墨烯膜叠层的层间方向，最终制得的石墨烯导热垫片在水平方向上的导热系数明显增大，有效提高石墨烯导热垫片水平方向的热传导性能。

结合实施例1-3、对比例3以及表1中的数据可以看出，相邻石墨烯膜层间涂覆粘接剂的厚度会影响石墨烯导热垫片的热传导性能和力学性能。具体来说，当粘接剂的厚度增加时，在同样尺寸大小的石墨烯导热垫片上，粘接剂的占比增加，基于此，石墨烯导热垫片的拉伸强度和回弹率均会增加，但同时石墨烯导热垫片在厚度方向和水平方向上的导热系数会减小，影响石墨烯导热垫片的热传导性能。当粘接剂的厚度在30μm左右时，石墨烯导热垫片的热传导性能和力学性能均能达到一个较高的水平。

结合实施例3、实施例4-7、对比例4-5以及表1的数据，开设通孔的孔径大小以及通孔的分布密度会影响石墨烯导热垫片的热传导性能和力学性能。具体来说，当石墨烯膜层间粘接剂的厚度一定，通孔的孔径增大时，通孔中附着的粘接剂增加，则石墨烯导热垫片的拉伸强度和回弹率会有一定的提升，但其导热系数会减小，热传导性能下降；此外，若通孔孔径一定，通孔开设的密度增加时，石墨烯导热垫片中布置的碳纤维丝的数量增加，会提高石墨烯导热垫片水平方向热传导性能，但同时，石墨烯导热垫片在厚度方向上的导热系数会减小，并且力学性能也会下降。综合考虑，当通孔的孔径在60μm左右，且相邻通孔中心的间距约120μm左右时，石墨烯导热垫片的热传导性能和力学性能会和达到一个较好的平衡状态。

结合实施例7、8以及表1中的数据可以看出，石墨烯膜层间粘接剂选用丙烯酸树脂粘接剂和硅橡胶粘接剂，制得的石墨烯导热垫片的热传导性能无明显差异，所以石墨烯膜层间涂覆硅橡胶粘接剂制得的石墨烯导热垫片的拉伸强度和回弹率较高。

结合实施例7、9以及表1中的数据可以看出，小片石墨烯膜直接叠层后切片得到的石墨烯导热垫片与大片石墨烯膜叠层、切片后再裁切得到的石墨烯导热垫片，其热传导性能和力学性能无明显差异。

综上所述，本申请实施例公开的石墨烯导热垫片，通过在石墨烯膜堆叠方向上布置碳纤维丝，通过碳纤维丝来增强石墨烯导热垫片在石墨烯膜堆叠层间方向上的热传导率，进一步提升石墨烯导热垫片的整体热传导性能，进而制备出具有高热导率的热界面产品，在芯片散热领域具有广泛的应用前景。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种石墨烯导热垫片，其特征在于：包括多层石墨烯膜，所述石墨烯膜的相邻层间涂覆有粘接剂，所述石墨烯膜上沿叠层方向开设有若干贯穿该石墨烯膜上下表面的通孔，所述通孔中穿设有碳纤维丝，所述碳纤维丝上裹覆有粘接剂。

2.根据权利要求1所述的一种石墨烯导热垫片，其特征在于：所述粘接剂为硅橡胶、丙烯酸树脂、环氧树脂、酚醛树脂或聚氨酯。

3.根据权利要求1或2所述的一种石墨烯导热垫片，其特征在于：所述石墨烯膜相邻层间涂覆粘接剂的厚度为10-100μm。

4.根据权利要求1所述的一种石墨烯导热垫片，其特征在于：所述通孔在石墨烯膜上阵列分布，所述通孔的孔径为20-100μm，相邻两所述通孔中心的间距为50-200μm。

5.根据权利要求1所述的一种石墨烯导热垫片，其特征在于：所述碳纤维丝由聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维和黏胶基碳纤维中的一种制成，所述碳纤维丝的直径为5-15μm。

6.根据权利要求1所述的一种石墨烯导热垫片，其特征在于：石墨烯导热垫片的厚度为0.1-5㎜。

7.权利要求1-6任一项所述的一种石墨烯导热垫片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，石墨烯膜叠层：在第一层石墨烯膜上涂覆一层粘接剂，然后将第二层石墨烯膜放置在第一层石墨烯膜上，并在第二层石墨烯膜上继续涂覆一层粘接剂后叠放第三层石墨烯膜，以此类推，不断重复叠层直至目标高度，待粘接剂固化后得到石墨烯膜块体；

S2，开孔：在石墨烯膜块体上开设贯穿石墨烯膜块体两侧的通孔，所述通孔的轴向平行于石墨烯膜的堆叠方向；

S3，碳纤维丝穿孔：将碳纤维丝表面裹覆粘接剂后穿入所述通孔，得到石墨烯-碳纤维三维结构体；

S4，切片：将石墨烯-碳纤维三维结构体沿平行于石墨烯膜堆叠方向进行切片，得到指定厚度的石墨烯导热垫片。

8.根据权利要求7所述的一种石墨烯导热垫片的制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：

S5，裁切：将步骤S4中切片得到的石墨烯导热垫片裁切成指定的尺寸大小。

9.根据权利要7所述的一种石墨烯导热垫片的制备方法，其特征在于：步骤S1中粘接剂的涂覆方式为喷涂或刮涂；粘接剂的固化方式为热固化、常温固化或UV固化。

10.根据权利要求7所述的一种石墨烯导热垫的制备方法，其特征在于：步骤S2中开孔方式为激光打孔或机械钻孔；步骤S4中切片时采用线切割、激光切割、刀片切割或超声波切割。

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