CN114750490A - 一种具有高效散热能力的烯碳复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有高效散热能力的烯碳复合材料，包括烯碳复合层和与烯碳复合层相连接的散热铜片；散热铜片与烯碳复合层的连接处设有若干层弹性金属垫片；该结构可以解决传统导热层与最终散热层之间接触面积小，导热能力低下的问题，并通过烯碳复合材料中的声子导热和光子导热的共同作用，将热量更高效的通过烯碳复合层中的缺口槽传导至散热铜片的金属表面上，并可以有效的防止导热材料中心处的热量聚集现象。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有高效散热能力的烯碳复合材料。
背景技术
物质的热传导方式主要分为两种，其中无机非金属材料的导热基体为声子导热的方式，热量的传导是通过晶格或晶体点阵的振动来实现的，晶格振动的能量是量子化的，晶格振动的量子称为声子，所以无机非金属材料的热传导是通过声子相互作用来实现的，即声子导热。高温时无机非金属材料中的电磁辐射热传的比重增大，也存在光子导热。
而在金属材料中，金属中的电子相互作用或碰撞是金属材料导热的主要形式，即电子导热。此外，由于金属晶格或点阵的振动，也存在少量的声子导热。
烯碳复合材料(AFG)作为一种新型的导热材料，其原理是在石墨片层中种植金属原子，通过金属原子产生的电子导热解决石墨层间导热的弊端，导热机理综合了金属材料与非金属材料，即既包括声子导热又包括电子导热，所以材料的纵向导热与横向导热性能均要优于均热板，且综合造价也低于传统的均热板。
烯碳复合材料是以碳原子sp2杂化六元环结构组成的低维全碳材料，具有优异的力、电、热等性能，主要包括石墨烯(G)和碳纳米管(CNT)。石墨烯为二维层状结构，其强度约130GPa，模量可达1000GPa。室温下电子迁徙率为200000cm2·V-1·S-1，热导率高达3000–5000W·m-1·K-1。碳纳米管近似是卷曲的石墨烯，根据管径的不同，其强度在60–150GPa，模量可达400-1000GPa。
烯碳复合材料的分散方法包括物理分散与化学分散两种常见的分散手段，其目的均为大批烯碳材料片间或是管束间的范德华力，从而实现分散状态并可以更好的与金属离子相结合，从而将微观的优异导热性能结合在宏观的结构特征上，针对该特点，烯碳复合材料的应用其实是非常广泛的，包括且不限于电子产品的导热、工业储能电池的导热、太阳能硅片的导热等等。
针对烯碳复合材料的本身，需要进行相关的改性以及分散研究，但针对烯碳复合材料的应用，其针对层次结构的叠层方式以及具体应用时的结构设计，往往更为重要，优异且可靠的结构设计，往往能发挥出烯碳复合材料60-80％的散热能力，而低效且不合理的结构设计，往往并不能有效的发挥烯碳复合材料的散热能力，且材料利用率只有20-50％左右。
发明内容
为了解决现有技术的不足，提出了一种具有高效散热能力的烯碳复合材料(AFG)。
一种具有高效散热能力的烯碳复合材料，包括烯碳复合层和与烯碳复合层相连接的散热铜片；散热铜片与烯碳复合层的连接处设有若干层弹性金属垫片；
烯碳复合层、散热铜片以及弹性金属垫片之间的连接包括以下步骤：
S1、将聚酰亚胺高分子膜进行分切；
S2、分切完成后的聚酰亚胺高分子膜进行碳化、石墨化，并进行整理；
S3、对整理完成的聚酰亚胺高分子膜进行表面催化剂处理并种植金属离子，种植完成后即为烯碳复合层；
S4、按最终厚度要求，将若干层烯碳复合层进行叠层处理，并涂覆石蜡；
S5、对叠层完成的烯碳复合层进行第一次压缩，并在压缩过程中，在压合处注入粉末状铜粉；
S6、快速升温至400-415℃，升温时长不超过120-150s，保温时间不长于15-25s，在升温过程中，叠层处的石蜡升华，铜粉填充在叠层处，并初步熔融；
S7、放入外形模具中，并进行第二次压合，压合过程中，逐步降温至室温；
S8、将模具的侧面打开，并通过激光刻蚀，在侧面切除若干个缺口槽；
S9、通过冷装配的方式，将弹性金属垫片以及散热铜片挤压安装在缺口槽内；
S10、加温至室温，室温下，弹性金属垫片膨胀，从而将散热铜片紧密安装在烯碳复合层的表面。
为了提升弹性连接的弹性力水平，并保证产品最终的强度与韧性，所述的弹性金属垫片为缠绕在一起的弧形金属丝。
为了防止缺口槽过款，导致烯碳复合层被破坏，所述缺口槽的高度为烯碳复合层高度的1/4至1/3。
为了提升散热铜片与烯碳复合层之间的接触面积，并保证接触面之间无间隙，所述散热铜片的表面进行粗糙化处理，并在表面覆盖粉末状涂覆材料，所述的涂覆材料包括：
将炭黑进行粉状研磨，并放入在NMP溶液中分散均匀，经烘箱烘干后，再次破碎，并添加粉状铜末进行精细化破碎制备为粉末状涂覆材料。
粉末材料在压合时，
为了提升烯碳复合材料的韧性，碳化后的聚酰亚胺高分子膜上喷涂一层树脂粉末。
优选的，所述的树脂粉末为PEEK粉末。
优选的，烯碳复合层的厚度根据产品所需的强度要求制定，且烯碳复合层的最大厚度不超过15mm。
优选的，散热铜片的引出端均与同一个散热铜板相连。
有益效果：
本申请中提出了一种新的连接方式，与传统的表面复合的方式相比，该种连接方式可以更好的将烯碳复合材料中的热量导出到散热结构中，通过散热铜片将热量快速的导入到较大表面积的散热板上。
具体的，通过内嵌式的连接方式，可以更有效的利用烯碳复合材料中的声子导热以及电子导热的方式，在更大接触面积以及中心接触的方式，从而热量能更快的由烯碳复合材料导热至铜制材料中，该结构实现了热量的最后一步传递，即由烯碳复合材料最终传递至散热板上。
而弹性金属垫片的设置可以有效的增强散热铜片与烯碳复合层之间的连接紧密程度，从而更好的实现热量在两种介质中的传递，且减小了额外的硅油或其余导热胶的使用。
附图说明
图1是现有的连接结构方式；
图2是一种具有高效散热能力的烯碳复合材料的连接方式；
图3是连接处的局部结构放大图；
1.烯碳复合层 2.导热层 21.散热铜片 22.弹性金属垫片。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
实施示例：
如图2-3所示，一种具有高效散热能力的烯碳复合材料，包括烯碳复合层和与烯碳复合层1相连接的散热铜片21；散热铜片21与烯碳复合层的连接处设有若干层弹性金属垫片22；
烯碳复合层1、散热铜片21以及弹性金属垫片22之间的连接包括以下步骤：
S1、将聚酰亚胺高分子膜进行分切；
S2、分切完成后的聚酰亚胺高分子膜进行碳化，碳化后的聚酰亚胺高分子膜上喷涂一层树脂粉末，再经过石墨化处理，并进行毛刺、翻边、粗糙外周以及表面粉尘清理；
S3、对整理完成的聚酰亚胺高分子膜进行表面催化剂处理并种植金属离子，种植完成后即为烯碳复合层；
S4、按最终厚度要求，将若干层烯碳复合层进行叠层处理，并在每一层的表面上均涂覆石蜡；
S5、对叠层完成的烯碳复合层进行第一次压缩，并在压缩过程中，在压合处注入粉末状铜粉，具体的来说，在密闭的腔室内，通过大量的铜粉，铜粉在侵入在层与层之间的间隙内，并在石蜡升华时，更进一步的侵入在间隙中；
S6、快速升温至405℃，升温时长为125s，保温时间为23s，在升温过程中，叠层处的石蜡升华，铜粉填充在叠层处，并初步熔融；
S7、放入外形模具中，并进行第二次压合，压合过程中，逐步降温至室温；
S8、将模具的侧面打开，并通过激光刻蚀，在侧面切除若干个缺口槽；
S9、通过冷装配的方式，将弹性金属垫片以及散热铜片挤压安装在缺口槽内，其中散热铜片的表面进行粗糙化处理，并在表面覆盖粉末状涂覆材料，所述的涂覆材料包括：
将炭黑进行粉状研磨，并放入在NMP溶液中分散均匀，经烘箱烘干后，再次破碎，并添加粉状铜末进行精细化破碎制备为粉末状涂覆材料；
S10、加温至室温，室温下，弹性金属垫片膨胀，从而将散热铜片紧密安装在烯碳复合层的表面。
连接完成后的产品如图2所示，且烯碳复合层1与导热层2之间的接触面积以及连接强度均远高于如图1所示的现有常规的连接方式。
作为进一步改进，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种具有高效散热能力的烯碳复合材料，其特征在于，包括烯碳复合层和与烯碳复合层相连接的散热铜片；散热铜片与烯碳复合层的连接处设有若干层弹性金属垫片；
烯碳复合层、散热铜片以及弹性金属垫片之间的连接包括以下步骤：
S1、将聚酰亚胺高分子膜进行分切；
S2、分切完成后的聚酰亚胺高分子膜进行碳化、石墨化，并进行整理；
S3、对整理完成的聚酰亚胺高分子膜进行表面催化剂处理并种植金属离子，种植完成后即为烯碳复合层；
S4、按最终厚度要求，将若干层烯碳复合层进行叠层处理，并涂覆石蜡；
S5、对叠层完成的烯碳复合层进行第一次压缩，并在压缩过程中，在压合处注入粉末状铜粉；
S6、快速升温至400-415℃，升温时长不超过120-150s，保温时间不长于15-25s，在升温过程中，叠层处的石蜡升华，铜粉填充在叠层处，并初步熔融；
S7、放入外形模具中，并进行第二次压合，压合过程中，逐步降温至室温；
S8、将模具的侧面打开，并通过激光刻蚀，在侧面切除若干个缺口槽；
S9、通过冷装配的方式，将弹性金属垫片以及散热铜片挤压安装在缺口槽内；
S10、加温至室温，室温下，弹性金属垫片膨胀，从而将散热铜片紧密安装在烯碳复合层的表面。
2.根据权利要求1所述的一种具有高效散热能力的烯碳复合材料，其特征在于，所述的弹性金属垫片为缠绕在一起的弧形金属丝。
3.根据权利要求1所述的一种具有高效散热能力的烯碳复合材料，其特征在于，所述缺口槽的高度为烯碳复合层高度的1/4至1/3。
4.根据权利要求1所述的一种具有高效散热能力的烯碳复合材料，其特征在于，所述散热铜片的表面进行粗糙化处理，并在表面覆盖粉末状涂覆材料，所述的涂覆材料包括：
将炭黑进行粉状研磨，并放入在NMP溶液中分散均匀，经烘箱烘干后，再次破碎，并添加粉状铜末进行精细化破碎制备为粉末状涂覆材料。
5.根据权利要求1所述的一种具有高效散热能力的烯碳复合材料，其特征在于，碳化后的聚酰亚胺高分子膜上喷涂一层树脂粉末。
6.根据权利要求5所述的一种具有高效散热能力的烯碳复合材料，其特征在于，所述的树脂粉末为PEEK粉末。
7.根据权利要求1所述的一种具有高效散热能力的烯碳复合材料，其特征在于，烯碳复合层的厚度根据产品所需的强度要求制定，且烯碳复合层的最大厚度不超过15mm。
8.根据权利要求1所述的一种具有高效散热能力的烯碳复合材料，其特征在于，散热铜片的引出端均与同一个散热铜板相连。
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