CN114670505B - 一种高导热石墨厚膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高导热、高热通量石墨厚膜的制备方法，该方法通过全尺度氧化石墨烯混合胶黏剂粘结石墨膜，再进行梯度焊接，得到高导热、高浸润性、高致密化石墨烯基复合材料界面，减少了石墨膜层间热阻，增加了石墨厚度方向的导热，降低了石墨厚膜的垂直导热衰减速度，提高了石墨厚膜的导热性能。
Description
技术领域
本发明设计热管理材料领域，涉及一种高导热石墨厚膜的制备方法。
背景技术
电子科技的发展使电子产品向小型化、集成化、大功率化等方向发展，导致不断增加的电流密度和热流密度必然导致这些电子产品中的功能器件在单位时间或单位体积上产生更多的热量，热管理材料对于能否及时将多余热量快速导出，对电子产品具有重要意义，因此对热管理材料的要求越来越高，对高通量热管理材料的需求迫在眉睫。
目前，传统的热管理材料主要以铝及铜等金属材料为主，但是金属材料密度大，抗腐蚀性能差，热膨胀系数大及导热系数不够高等缺点，金属类热管理材料导热系数很难超过 500W/mk；上世纪90年代，日本科学家以聚酰亚胺作为前驱体制备高导热人工石墨碳膜，目前已经广泛应用于集成电路等电子设备。人工石墨膜经过多年的发展，目前导热系数可以达到1600W/m k-1800W/m k，远远高于金属类的热管理材料，但是人工石墨膜虽然平面导热系数高，但是在膜厚增加时，人工石墨膜的导热系数下降较快，因此依然没有解决对热管理材料高导热系数及高热通量的要求。
发明内容
本发明采用可制备低界面热阻的全尺度氧化石墨烯复合材料胶黏剂，通过梯度焊接得到高导热厚膜。这种全尺度氧化石墨烯复合材料胶黏剂在梯度焊接过程中生成的界面材料具有高浸润性，高致密化及高垂直导热，降低了石墨厚膜的界面热阻。
具体的，本发明包括全尺度氧化石墨烯混合胶黏剂的制备、人工石墨膜的喷涂及叠加，最终梯度焊接的带高导热高通量厚膜。
(1)将不同粒径范围的三种氧化石墨烯浆料按照氧化石墨烯干重 1phr:3phr-5phr:1phr-3phr，搅拌至混合均匀，得到多尺度氧化石墨烯溶液，；然后将B4C及二氧化硅粉体缓慢加入全尺度氧化石墨烯溶液中，其中B4C：二氧化硅：全尺度氧化石墨烯溶液＝2phr-5phr：1phr-2phr：10phr，得到全尺度氧化石墨烯混合胶黏剂，控制最终固含量在1％-10％；
(2)将步骤1中的混合胶黏剂喷涂在高导热人工石墨膜上，控制厚度为100nm-5um，将喷涂后的高导热人工石墨膜材料进行多层叠加，制备混合胶黏剂/人工石墨膜交替堆叠的块状导热复合材料，厚度为100um-500um；
(3)将(2)中所得到的块状材料进行梯度焊接，施加的梯度功率分别为：在60W输出功率条件下焊接10min，在150W输出功率条件下焊接60min，同时施加压力1MPa，在 250W输出功率条件下焊接15min，在1000W输出功率条件下焊接15min，在1600W输出功率条件下焊接15min，在2900W输出功率条件下焊接60min，最终经过还原的得到高导热、高致密化石墨烯复合材料界面的高导热材料。
本发明的高导热厚膜主要得益于全尺度氧化石墨烯复合胶黏剂的高浸润性、高致密化及高垂直导热；首先是将不同尺寸的氧化石墨烯同B4C及SiO2等粉体混合，在梯度焊接过程中一定温度下生成具有高浸润性液体B2O，液体B2O具有较好的流动性，可混合小尺寸氧化石墨烯填充碳膜表面孔洞及粗糙表面，增加粘接，减少界面热阻；同时B4C及SiO2在高温焊接过程中可生成一维状的SiC纤维，SiC纤维作为高导热线状材料，可增加垂直导热，进一步减少界面热阻；最终由于氧化石墨烯基体浆料的全尺度特性及填料的多维特性，所得的界面材料更加密实，进一步减少界面材料的热阻。
进一步地，所述步骤(1)中的三种氧化石墨烯浆料的尺寸分布范围分别为 200nm-900nm、5um-50um、100um-500um。
进一步地，所述步骤(2)中的高导热人工石墨膜厚度为25um，导热率为1800W/m k或以上。
本发明的有益效果在于：本发明得到了高导热、高浸润性、高致密化石墨烯基复合材料界面，减少了石墨膜层间热阻，增加了石墨厚度方向的导热，降低了石墨厚膜的垂直导热衰减速度，提高了石墨厚膜的导热性能。
具体实施方式
实施例一：
(1)将不同粒径范围的三种氧化石墨烯浆料按照氧化石墨烯干重1phr:3phr:1phr，搅拌至混合均匀，得到多尺度氧化石墨烯溶液；然后将B4C及二氧化硅粉体缓慢加入全尺度氧化石墨烯溶液中，其中B4C：二氧化硅：全尺度氧化石墨烯溶液＝5phr：2phr：10phr，得到全尺度氧化石墨烯混合胶黏剂，控制最终固含量在1％；
(2)将步骤1中的混合胶黏剂喷涂在高导热人工石墨膜上，控制厚度为100nm，将喷涂后的高导热25um人工石墨膜材料4层、8层、12层叠加，制备得到混合胶黏剂/人工石墨膜交替堆叠的块状导热复合材料。
(3)将(2)中所得到的块状材料进行梯度焊接，施加的梯度功率分别为：在60W输出功率条件下焊接10min，在150W输出功率条件下焊接60min，同时施加压力1MPa，在 250W输出功率条件下焊接15min，在1000W输出功率条件下焊接15min，在1600W输出功率条件下焊接15min，在2900W输出功率条件下焊接60min，最终经过还原的得到高导热、高致密化石墨烯复合材料界面的高导热材料，所得到的高导热块状材料分别为100um、 200um、300um，通过激光闪射法测试各个样品的导热率如下表1。
表1不同厚度石墨厚膜导热系数
| 厚度 | 100 | 200 | 300 |
| 导热率(W/mk) | 1751 | 1708 | 1587 |
对比例1-1
步骤(1)中配制全尺度氧化石墨烯混合胶黏剂时，不加入B4C；按照实施例一中的(2) -(3)获得100um、200um、300um的厚膜，制得的样品用激光法测得的导热系数如表2。
表2不同厚度石墨厚膜导热系数
| 厚度 | 100 | 200 | 300 |
| 导热率(W/mk) | 1123 | 968 | 612 |
对比例1-2
步骤(1)中配制全尺度氧化石墨烯混合胶黏剂时，不加入SiO2；按照实施例一中的(2) -(3)获得100um、200um、300um的厚膜，制得的样品用激光法测得的导热系数如表3。
表3不同厚度石墨厚膜导热系数
| 厚度 | 100 | 200 | 300 |
| 导热率(W/mk) | 1210 | 1020 | 715 |
对比例1-3
步骤(1)中配制氧化石墨烯混合胶黏剂时，配置三个规格，分别用三种不同粒径的氧化石墨烯浆料分别配制；按照实施例一中的(2)-(3)获得100um、的厚膜，制得的样品用激光法测得的导热系数如表4。
表4不同厚度石墨厚膜导热系数
| 厚度 | 小尺寸 | 中尺寸 | 大尺寸 |
| 导热率(W/mk) | 1362 | 1451 | 1238 |
实施例二：
(1)将不同粒径范围的三种氧化石墨烯浆料按照氧化石墨烯干重1phr:5phr:3phr，搅拌至混合均匀，得到多尺度氧化石墨烯溶液，；然后将B4C及二氧化硅粉体缓慢加入全尺度氧化石墨烯溶液中，其中B4C：二氧化硅：全尺度氧化石墨烯溶液＝2phr：1phr：10phr，得到全尺度氧化石墨烯混合胶黏剂，控制最终固含量在10％；
(2)将步骤1中的混合胶黏剂喷涂在高导热人工石墨膜上，控制厚度为5um，将喷涂后的高导热25um人工石墨膜材料4层、8层、12层叠加，制备得到混合胶黏剂/人工石墨膜交替堆叠的块状导热复合材料。
(3)将(2)中所得到的块状材料进行梯度焊接，施加的梯度功率分别为：在60W输出功率条件下焊接10min，在150W输出功率条件下焊接60min，同时施加压力1MPa，在 250W输出功率条件下焊接15min，在1000W输出功率条件下焊接15min，在1600W输出功率条件下焊接15min，在2900W输出功率条件下焊接60min，最终经过还原的得到高导热、高致密化石墨烯复合材料界面的高导热材料，所得到的高导热块状材料分别为115um、 230um、340um。通过激光闪射法测试各个样品的导热率如下表5。
表5不同厚度石墨厚膜导热系数
| 厚度 | 115 | 230 | 340 |
| 导热率(W/mk) | 1681 | 1589 | 1436 |
Claims (2)
1.一种高导热石墨厚膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将粒径范围为200nm-900nm、5um-50μm、100μm-500μm的三种氧化石墨烯浆料按照氧化石墨烯干重1phr:3phr-5phr:1phr-3phr，搅拌至混合均匀，得到多尺度氧化石墨烯溶液；然后将B4C及二氧化硅粉体加入多尺度氧化石墨烯溶液中，其中B4C：二氧化硅：多尺度氧化石墨烯溶液＝2phr-5phr：1phr-2phr：10phr，得到全尺度氧化石墨烯混合胶黏剂，控制最终固含量在1％-10％；
(2)将步骤(1)中的混合胶黏剂喷涂在高导热人工石墨膜上，控制厚度为100nm-5μm，将喷涂后的高导热人工石墨膜材料进行多层叠加，制备混合胶黏剂/人工石墨膜交替堆叠的块状导热复合材料，厚度为100μm-500μm；
(3)将步骤(2)中所得到的块状材料进行梯度焊接，施加的梯度功率分别为：在60W输出功率条件下焊接10min，在150W输出功率条件下焊接60min，同时施加压力1MPa，在250W输出功率条件下焊接15min，在1000W输出功率条件下焊接15min，在1600W输出功率条件下焊接15min，在2900W输出功率条件下焊接60min，最终经过还原得到高导热、高致密化石墨烯复合材料界面的高导热材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的高导热人工石墨膜厚度为25μm，导热率为1800W/m k以上。
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| 石墨烯导热性能的改性调控规律和机理;危安然;《中国优秀硕士学位论文全文数据库》(第6期);B014-15 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114670505A (zh) | 2022-06-28 |
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