CN115092915B - 纤维阵列增强的石墨烯产品、装置、制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供纤维阵列增强的石墨烯产品、装置、制备方法，所述石墨烯产品包括石墨烯导热垫片，所述石墨烯导热垫片包括石墨烯层和纤维阵列，所述纤维阵列垂直设置于石墨烯层内。本发明纤维阵列增强的石墨烯导热垫片，具有良好的力学性能，在横向和纵向上均具有较高的导热性能。

Description

纤维阵列增强的石墨烯产品、装置、制备方法
技术领域
本发明涉及石墨烯导热界面材料技术领域，具体涉及纤维阵列增强的石墨烯产品、装置、制备方法，所述石墨烯产品涉及纤维阵列增强的石墨烯导热垫片及复合石墨烯导热垫片，所述装置涉及纤维排布装置及涂布装置，所述制备方法涉及纤维阵列增强的石墨烯导热垫片的制备方法及复合石墨烯导热垫片的制备方法。
背景技术
作为新型的高导热材料，石墨烯在导热、散热、热管理等方面起到了至关重要的作用，尤其是将石墨烯与高分子聚合物相结合制成的石墨烯导热垫片，其导热性能显著高于市面上的导热垫片材料。在石墨烯导热垫片的制备过程中，石墨烯以导热粉末的形态，定向排列填充到高分子聚合物材料中，如文献CN113321933A、CN113334731A、CN113337253A、CN113560146A、CN113789590A；也可以以导热膜层层叠叠粘接，切割后实现纵向排列，如文献CN113183544A、CN113290958A、CN113556925A。
上述两种方法中，采用将石墨烯导热膜层层堆叠粘接的方式，可以获得较高的导热性能。但由于采用了层层堆叠粘接的方式，石墨烯导热垫片在应用时，容易在粘接处产生开裂现象。对此，专利文献CN 215527717 U公开了一种解决方案，即将层层堆叠粘接的石墨烯导热垫片，在垂直于石墨烯排列方向上设置贯穿孔，并在孔中布置碳纤维，将石墨烯导热垫片捆扎起来，从而提升了垫片力学性能，使之不易开裂。
但是该方式会造成以下问题：
第一，设置贯穿孔的过程会对石墨烯垫片产生破损，会导致其内部发生多处微小的开裂现象，虽然后期布置的碳纤维可以将石墨烯片层扎捆起来，但是垫片会失去完整性；
第二，贯穿孔的存在，将使石墨烯导热垫片的导热路径产生断路现象，导致其导热散热效果下降；
第三，在贯穿孔中布置的碳纤维与孔之间存在明显的间隙，会导致整体结构不稳；同时由于碳纤维与石墨烯的力学强度不同，为了获得良好的结合强度，往往需要碳纤维形成较强的张力，此过程会导致石墨烯被“勒坏”。
发明内容
针对现有技术存在问题中的一个或多个，本发明提供一种纤维阵列增强的石墨烯导热垫片，包括石墨烯层和纤维阵列，所述纤维阵列垂直设置于石墨烯层内。
根据本发明的一个方面，所述石墨烯导热垫片的厚度为0.1-3mm，低于0.1mm，石墨烯与纤维的结合较差；高于3mm，垫片整体会变得脆弱，容易破损。
优选地，所述石墨烯导热垫片的厚度为0.5-1mm。
根据本发明的一个方面，所述纤维阵列的纤维之间的间距为0.2-2mm，低于0.2mm，间距过小，不利于涂布；高于2mm，则过于疏松，所得垫片的纵向导热性能较低。
优选地，所述纤维阵列的纤维之间的间距为0.5-1mm。
根据本发明的一个方面，所述纤维阵列的纤维的导热系数≥300W/(m·K)，导热系数低于300，则所得导热垫片在纵向上的导热性能较低。
优选地，所述纤维阵列的纤维的导热系数≥500W/(m·K)。
根据本发明的一个方面，所述纤维阵列的纤维的直径为5-50微米，低于5微米，不易布置成整列；高于50微米，会影响力学增强效果。
优选地，所述纤维阵列的纤维的直径为10-20微米。
根据本发明的一个方面，所述纤维阵列的纤维为碳纤维、石墨纤维、石墨烯纤维和纳米碳管纤维中的至少一种。
根据本发明的一个方面，所述纤维阵列的纤维为单根纤维或/和纤维束。
根据本发明的一个方面，所述纤维阵列的纤维为未经处理的纤维或经过氧化处理的纤维。
优选地，所述经过氧化处理的纤维的氧原子占比为5wt.％-35wt.％，低于5％，则其性质与未经处理的相近；高于35％，则氧化程度过深，导致碳纤维力学性能显著降低，不适合纤维的拉伸。
进一步优选地，所述经过氧化处理的纤维的氧原子占比为6wt.％-15wt.％。
根据本发明的另一个方面，提供一种纤维阵列增强的石墨烯导热垫片的制备方法，包括：
将纤维阵列垂直排列在基材上；
在基材上涂布氧化石墨烯浆料，使得氧化石墨烯浆料覆盖设定高度的纤维阵列；
涂布氧化石墨烯浆料后进行干燥；
干燥后去除露出的纤维，剥离基材，得到纤维阵列增强的氧化石墨烯片；
对上述氧化石墨烯片进行热处理，得到纤维阵列增强的石墨烯导热垫片。
根据本发明的另一个方面，所述氧化石墨烯浆料的固含量为0.5wt.％-9.5wt.％，低于0.5wt.％，浆料过稀，不能涂布；高于9.5wt.％，浆料过稠，也不能涂布。
优选地，所述氧化石墨烯浆料的固含量为2wt.％-6wt.％。
根据本发明的另一个方面，所述涂布氧化石墨烯浆料后进行干燥的步骤中，通过常温或加热进行干燥，优选地，通过加热干燥；进一步优选地，加热温度40-150℃，低于40℃，则与常温干燥情况差不多；高于150℃干燥，则会由于干燥速率过快，导致干燥不均匀，容易产生开裂现象。
根据本发明的另一个方面，所述对上述氧化石墨烯片进行热处理的步骤中，所述热处理的温度≥2400℃，优选地，所述热处理的温度≥2800℃；所述热处理的时间≥2h，优选地，所述热处理的时间≥5h。温度低于2400℃或时间低于2h，则热处理不完全，样品导热性能较差
根据本发明的第三方面，提供一种复合石墨烯导热垫片的制备方法，还包括：
将高分子聚合物浸入上述石墨烯导热垫片，进行固化，得到复合石墨烯导热垫片；
优选地，采用真空浸渍、常压浸渍或高压浸渍将高分子聚合物浸入石墨烯导热垫片；进一步优选地，真空浸渍的真空度为0.095～0.099Mpa，该真空度范围已经非常接近绝对真空的真空度(0.101325MPa)；进一步优选地，高压浸渍的压力为0.5～10MPa，压力低于0.5Mpa，则压力过小，不能起到高压浸渍的效果，与常压浸渍相比无明显提升；压力高于10Mpa，压力过高可能会导致石墨烯泡沫内部结构发生变化，进一步可能发生破损。
优选地，所述固化的温度为60～200℃或常温，固化温度高于200℃，反应过于剧烈，样品内部可能会发生应力集中，从而导致样品开裂、破损。
优选地，所述高分子聚合物为环氧树脂、酚醛树脂、糠醛树脂、聚氨酯、丙烯酸树脂、聚丁烯和有机硅胶中的至少一种；
优选地，所述高分子聚合物为有机硅胶；
优选地，所述高分子聚合物为聚二甲基环硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷、聚二苯基硅氧烷、α,ω-二羟基聚甲基(3,3,3-三氟丙基)硅氧烷、氰基硅氧基硅烷和α,ω-二乙基聚二甲基硅氧烷中的至少一种。
根据本发明的第四方面，提供一种复合石墨烯导热垫片，包括权利要求上述石墨烯导热垫片和浸入所述石墨烯导热垫片的高分子聚合物。
优选地，所述高分子聚合物的含量为10wt.％-60wt.％，低于10wt.％，则与未浸渍的效果相当；高于60wt.％，则会严重影响导热性能。
进一步优选地，所述高分子聚合物的含量为20wt.％-50wt.％。
根据本发明的第五方面，提供一种纤维排布装置，用于将纤维阵列垂直排列在基材上，所述纤维排布装置包括基材和拉杆，所述基材和拉杆上对应设置有多个孔，纤维从基材或/和拉杆一个孔或多个孔穿入，从基材或/和拉杆另外的一个孔或多个孔穿出，形成纤维阵列。
根据本发明的第六方面，提供一种涂布装置，包括刮板和刮刀，所述刮刀设置在刮板的一端，用于在基材上涂布氧化石墨烯浆料，所述刮板上设置有多个槽，所述槽用于穿过纤维。
优选地，所述刮板和刮刀呈L型。
优选地，所述涂布装置还包括支架，所述刮板位于所述支架的背面，所述刮板上的槽用于穿过固定纤维的纤维排布装置的拉杆。
优选地，所述支架和所述刮板可拆卸连接。
优选地，所述涂布装置还包括调节构件，用于调节刮板顶部与支架的距离。
本发明采用纤维阵列作为增强体，起到均匀增强的效果；在横向排列的石墨烯中布置了纵向均匀排列的纤维阵列，石墨烯主要负横向导热，纤维主要负责纵向导热，使得石墨烯导热垫片同时具有横向和纵向上的高导热性能，不仅在纵向上具有超过常规导热垫片散热的作用，而且在横向上具有良好的均热性能，应用可以保证均匀散热，电子器件温度保持均一，不会产生局部热点。
本发明利用氧化石墨烯的流延性，采用的涂布方式可以避免纤维对涂层的影响，纤维与石墨烯之间紧密结合，结合之处可以做到无缝对接，可以消除它们结合处的微裂纹，不会产生孔洞。
本发明所述石墨烯导热垫片拉伸强度高，在受到横向剪切时不易开裂。
本发明通过简单的浸渍高分子聚合物，即可实现压缩性能的大幅提升。
本发明制备方法工艺简单，容易实现规模化。
本发明纤维阵列增强的石墨烯导热垫片，具有良好的力学性能，在横向和纵向上均具有较高的导热性能。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明所述纤维阵列增强的石墨烯导热垫片的一个实施例的示意图；
图2是本发明所述纤维排布装置的一个实施例的正视示意图；
图3是本发明所述纤维排布装置的一个实施例的仰视示意图；
图4是本发明所述涂布装置的一个实施例的示意图；
图5是本发明所述涂布装置的第二实施例的示意图；
图6是本发明所述涂布装置的第三实施例的示意图。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是本发明所述纤维阵列增强的石墨烯导热垫片的一个实施例的示意图，如图1所示，所述石墨烯导热垫片包括石墨烯层和纤维阵列，所述纤维阵列垂直设置于石墨烯层内，图1中，黑色的为纤维，透明部分为石墨烯层，纤维阵列与石墨烯紧密结合，形成一个稳定的整体。
图2是本发明所述纤维排布装置的一个实施例的正视示意图，图3是本发明所述纤维排布装置的一个实施例的仰视示意图，如图2和图3所示，所述纤维排布装置包括基材11和拉杆12，所述基材和拉杆上对应设置有多个孔。
利用上述纤维排布装置形成纤维阵列的方法包括：纤维从基材或/和拉杆一个孔或多个孔穿入，从基材或/和拉杆另外的一个孔或多个孔穿出，形成纤维阵列。
如图2和图3所示，上述多个孔包括多个第一孔和多个第二孔，所述第一孔用于纤维的起始穿入，所述第二孔一端穿入纤维，所述第二孔的另一端用于穿出纤维。
图4是本发明所述涂布装置的一个实施例的示意图，如图4所示，所述涂布装置包括刮板21和刮刀22，所述刮刀设置在刮板的一端，所述刮板上设置有多个槽221。
优选地，所述涂布装置呈L型，所述刮刀与所述刮板垂直，所述刮板的槽朝向刮刀一侧的贯通。
利用上述涂布装置在基材上涂布氧化石墨烯浆料，使得氧化石墨烯浆料覆盖设定高度的纤维阵列的方法包括：
纤维阵列穿入刮板上的多个槽；
通过刮刀在基材上涂布氧化石墨烯浆料。
优选地，通过刮刀多次在基材上涂布氧化石墨烯浆料，使得氧化石墨烯浆料覆盖设定高度的纤维阵列，所述设定高度与石墨烯导热垫片的厚度对应。
图5是本发明所述涂布装置的第二实施例的示意图，如图5所示，所述涂布装置包括支架23、刮板21和刮刀22，所述刮板位于支架的背面，所述刮刀位于刮板的底面。
优选地，所述支架和所述刮板可拆卸连接；
优选地，所述涂布装置还包括调节构件24，用于调节刮板顶部与支架的距离，例如，支架和刮板螺纹连接，调节构件为调节螺栓。
利用上述涂布装置在基材上涂布氧化石墨烯浆料，使得氧化石墨烯浆料覆盖设定高度的纤维阵列的方法包括：
纤维排布装置的拉杆穿入刮板上的多个槽；
通过刮刀在基材上涂布氧化石墨烯浆料。
优选地，通过刮刀多次在基材上涂布氧化石墨烯浆料，使得氧化石墨烯浆料覆盖设定高度的纤维阵列。
进一步优选地，通过调节构件使得刮刀与基材或涂布后的氧化石墨烯浆料后的氧化石墨烯层接触。
在一个实施例中，上述涂布装置还包括支撑杆25，用于增强支架的稳定性，所述支撑杆可以撑在支架的相对侧面。
在一个实施例中，刮板上的槽的宽度与纤维排布装置的拉杆间隙配合。
在一个实施例中，上述涂布装置还包括垫块(未示出)，用于纤维排布装置的拉杆两端的支撑。
在一个实施例中，如图6所示，上述涂布装置还包括拉杆支撑架26，在纵向或/和横向上支撑纤维排布装置的拉杆。
上述各实施例的涂布装置，采用多股形状刮刀在纤维阵列中进行涂布，纤维周围通过氧化石墨烯浆料流延到达。在涂布过程中，保持纤维阵列的方向，即与基材呈现垂直。
以下实施例中，纤维阵列增强的石墨烯导热垫片的制备方法如下：
在基材上设置垂直排列的纤维阵列；
在纤维阵列中涂布氧化石墨烯浆料，未涂布浆料的纤维周围，浆料会通过流延的方式到达；
干燥后去除露出的纤维，剥离基材，得到纤维增强氧化石墨烯片；
热处理后得到纤维增强石墨烯导热垫片。
以下实施例中，纤维阵列增强的复合石墨烯导热垫片的制备方法包括：
将上述制备方法获得的石墨烯导热垫片浸入高分子聚合物，固化后得到复合石墨烯导热垫片，显著提升所述导热垫片的压缩性能。
上述纤维其表面可以是经过处理的，也可以是未经任何处理的；所述处理，可以采用空气和/或氧气进行处理，也可以通过硫酸、硝酸、王水、高锰酸钾、双氧水及其混合物进行处理；经过处理的纤维，其表面的氧原子占比为5wt.％-35wt.％；优选6wt.％-15wt.％。表面处理过的纤维，与氧化石墨烯会通过化学反应，产生化学键，从而做到紧密结合。
下述各实施例获得的石墨烯导热垫片、复合石墨烯导热垫片的测试方法包括：
通过ASTMD5470测试样品的应用热阻(样品本征热阻与上下两面接触热阻之和)；
通过ASTME1461测试样品横向和纵向的热扩散系数；
通过ASTM E1269-2018测试比热容；
通过GB 4472-1984测试密度；
导热系数采用以下公式计算：
K＝λ·Cp·ρ
其中，K-导热系数，单位W/(m·K)；
Λ-热扩散系数，单位mm2/s；
Cp-比热容，单位J/g/K；
Ρ-密度，单位g/cm3；
采用GBT 1040.3-2006测试样品横向拉伸性能，样品长宽尺寸100×10mm；
采用ASTM D395测试样品的纵向压缩性及压缩回弹性，分别测试40psi压力下样品的压缩率，以及样品压缩至50％应变后保持30min后的回弹率。
实施例1
本实施例中，纤维阵列增强的石墨烯导热垫片的制备工艺及参数包括：
纤维阵列的纤维为单根碳纤维，直径为5μm，导热系数为300W/(m·K)；纤维阵列中纤维间距为0.2mm；纤维的表面经过氧化处理，氧含量为5wt.％；
氧化石墨烯浆料固含量为0.5wt.％；干燥温度为40℃；热处理温度为2400℃；热处理时间为2h；
本实施例未采用高分子进行浸渍，得到的石墨烯导热垫片的厚度为0.1mm；
经过测试，所得石墨烯导热垫片的相关性能如下：
密度：0.22g/cm3；
比热容：0.71J/g/K；
纵向热扩散系数：66.95mm2/s；
纵向导热系数：10.46W/(m·K)；
横向热扩散系数：527.19mm2/s；
横向导热系数：82.35W/(m·K)；
应用热阻：0.373K·cm2/W；
横向拉伸强度：0.81MPa；
纵向压缩率：51.24％；
纵向回弹率：23.12％。
实施例2
本实施例中，纤维阵列增强的石墨烯导热垫片的制备工艺及参数包括：
纤维阵列的纤维为多根石墨纤维捻成的纤维束，直径为50μm，导热系数为500W/(m·K)；纤维阵列中纤维间距为2mm；纤维的表面经过氧化处理，氧含量为35wt.％；
氧化石墨烯浆料固含量为9.5wt.％；干燥温度为150℃；热处理温度为2800℃；热处理时间为5h；
本实施例未采用高分子进行浸渍，得到的石墨烯导热垫片厚度为3mm；
经过测试，所得石墨烯导热垫片的相关性能如下：
密度：0.35g/cm3；
比热容：0.69J/g/K；
纵向热扩散系数：58.14mm2/s；
纵向导热系数：14.04W/(m·K)；
横向热扩散系数：481.74mm2/s；
横向导热系数：116.34W/(m·K)；
应用热阻：0.639K·cm2/W；
横向拉伸强度：0.73MPa；
纵向压缩率：63.72％；
纵向回弹率：19.63％。
实施例3
本实施例中，纤维阵列增强的石墨烯导热垫片的制备工艺及参数包括：
纤维阵列的纤维为单根石墨烯纤维，直径为10μm，导热系数为700W/(m·K)；纤维阵列中纤维间距为0.5mm；纤维的表面经过氧化处理，氧含量为6wt.％；
氧化石墨烯浆料固含量为2wt.％；干燥温度为60℃；热处理温度为2950℃；热处理时间为6h；
本实施例未采用高分子进行浸渍，得到的石墨烯导热垫片的厚度为0.5mm；
经过测试，所得石墨烯导热垫片的相关性能如下：
密度：0.33g/cm3；
比热容：0.69J/g/K；
纵向热扩散系数：78.61mm2/s；
纵向导热系数：17.90W/(m·K)；
横向热扩散系数：527.19mm2/s；
横向导热系数：120.04W/(m·K)；
应用热阻：0.319K·cm2/W；
横向拉伸强度：1.42MPa；
纵向压缩率：65.45％；
纵向回弹率：28.72％。
实施例4
本实施例中，纤维阵列增强的石墨烯导热垫片的制备工艺及参数包括：
纤维阵列的纤维为多根纳米碳管捻成的纤维束，直径为20μm，导热系数为600W/(m·K)；纤维阵列中纤维间距为1mm；纤维的表面经过氧化处理，氧含量为15wt.％；
所用氧化石墨烯浆料固含量为6wt.％；干燥温度为120℃；热处理温度为2900℃；热处理时间为7h；
本实施例未采用高分子进行浸渍，得到的石墨烯导热垫片的厚度为1mm；
经过测试，所得石墨烯导热垫片的相关性能如下：
密度：0.29g/cm3；
比热容：0.73J/g/K；
纵向热扩散系数：76.25mm2/s；
纵向导热系数：16.14W/(m·K)；
横向热扩散系数：492.33mm2/s；
横向导热系数：104.23W/(m·K)；
应用热阻：0.338K·cm2/W；
横向拉伸强度：0.97MPa；
纵向压缩率：62.57％；
纵向回弹率：24.43％。
实施例5
本实施例中，纤维阵列增强的石墨烯导热垫片的制备工艺及参数包括：
纤维阵列的纤维为单根石墨烯纤维，直径为15μm，导热系数为900W/(m·K)；纤维阵列中纤维间距为0.6mm；纤维的表面经过氧化处理，氧含量为10wt.％；
所用氧化石墨烯浆料固含量为5wt.％；干燥温度为100℃；热处理温度为3200℃；热处理时间为10h；
本实施例未采用高分子进行浸渍，得到的石墨烯导热垫片厚度为0.6mm；
经过测试，所得石墨烯导热垫片的相关性能如下：
密度：0.36g/cm3；
比热容：0.73J/g/K；
纵向热扩散系数：98.17mm2/s；
纵向导热系数：25.80W/(m·K)；
横向热扩散系数：586.51mm2/s；
横向导热系数：154.13W/(m·K)；
应用热阻：0.207K·cm2/W；
横向拉伸强度：2.44MPa；
纵向压缩率：73.22％；
纵向回弹率：32.81％。
实施例6
本实施例中，相关工艺及参数与实施例1相同，只是增加了高分子聚合物的浸渍，高分子聚合物采用聚二甲基硅氧烷，采用真空浸渍，真空度为0.097MPa；高分子采用常温固化；浸渍固化后高分子聚合物的含量为20wt.％；所得复合石墨烯导热垫片的厚度为0.12mm；
经过测试，所得复合石墨烯导热垫片的相关性能如下：
密度：0.32g/cm3；
比热容：0.88J/g/K；
纵向热扩散系数：32.73mm2/s；
纵向导热系数：9.22W/(m·K)；
横向热扩散系数：234.68mm2/s；
横向导热系数：66.09W/(m·K)；
应用热阻：0.904K·cm2/W；
横向拉伸强度：2.94MPa；
纵向压缩率：46.77％；
纵向回弹率：80.35％。
实施例7
本实施例中，相关工艺及参数与实施例2相同，只是增加了高分子聚合物的浸渍，高分子聚合物采用聚二甲基环硅氧烷，采用高压浸渍，压力为0.5MPa；高分子固化温度为60℃；浸渍固化后高分子聚合物的含量为50wt.％；所得复合石墨烯导热垫片的厚度为2.85mm；
经过测试，所得复合石墨烯导热垫片的相关性能如下：
密度：0.78g/cm3；
比热容：0.86J/g/K；
纵向热扩散系数11.32mm2/s；
纵向导热系数：7.59W/(m·K)；
横向热扩散系数：86.56mm2/s；
横向导热系数：58.06W/(m·K)；
应用热阻：1.76K·cm2/W；
横向拉伸强度：2.76MPa；
纵向压缩率：45.23％；
纵向回弹率：76.41％。
实施例8
本实施例中，相关工艺及参数与实施例5相同，只是增加了高分子聚合物的浸渍，高分子聚合物采用聚二苯基环硅氧烷，先采用在真空度为0.099MPa的条件下真空浸渍，再加压至10MPa压力下浸渍；高分子固化温度为100℃；浸渍固化后高分子聚合物的含量为25wt.％；所得复合石墨烯导热垫片的厚度为0.58mm；
经过测试，所得复合石墨烯导热垫片的相关性能如下：
密度：0.55g/cm3；
比热容：0.81J/g/K；
纵向热扩散系数：37.32mm2/s；
纵向导热系数：16.63W/(m·K)；
横向热扩散系数：213.73mm2/s；
横向导热系数：95.22W/(m·K)；
应用热阻：0.476K·cm2/W；
横向拉伸强度：3.13MPa；
纵向压缩率：57.64％；
纵向回弹率：84.17％。
对比例1
本对比例中，直接将纤维阵列沿着横向排列在基材上，然后将氧化石墨烯浆料在该基材上进行涂布，其他所有条件与实施例8相同。
经过测试，所得石墨烯导热垫片的相关性能如下：
密度：0.38g/cm3；
比热容：0.71J/g/K；
纵向热扩散系数：6.23mm2/s；
纵向导热系数：1.68W/(m·K)；
应用热阻：4.532K·cm2/W；
经过测试，所得复合石墨烯导热垫片的相关性能如下：
密度：0.59g/cm3；
比热容：0.84J/g/K；
纵向热扩散系数：0.718mm2/s；
纵向导热系数：0.356W/(m·K)；
应用热阻：21.292K·cm2/W。
由于本对比例中，纤维沿着横向进行排列，所得石墨烯导热垫片和复合石墨烯导热垫片，在纵向上导热系数很低，热阻极高，已经不适宜再作为导热垫片进行应用了。
本发明采用纤维阵列作为增强体，起到均匀增强的效果；在横向排列的石墨烯中布置了纵向均匀排列的纤维阵列，石墨烯主要用于横向导热，纤维主要用于纵向导热；利用氧化石墨烯的流延性，采用的涂布方式可以避免纤维对涂层的影响，纤维与石墨烯之间紧密结合，结合之处可以做到无缝对接，不会产生孔洞；采用在纤维阵列中涂布氧化石墨烯，实现石墨烯的高定向排列；通过浸渍高分子聚合物，可以进一步提升所述石墨烯导热垫片的压缩性能。
为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (39)

1.一种纤维阵列增强的石墨烯导热垫片的制备方法，其特征在于，包括：
将纤维阵列垂直排列在基材上；
在基材上涂布氧化石墨烯浆料，使得氧化石墨烯浆料覆盖设定高度的纤维阵列；
涂布氧化石墨烯浆料后进行干燥 ；
干燥后去除露出的纤维，剥离基材，得到纤维阵列增强的氧化石墨烯片；
对上述氧化石墨烯片进行热处理，得到纤维阵列增强的石墨烯导热垫片。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯浆料的固含量为0.5wt.%-9.5wt.%。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯浆料的固含量为2wt.%-6wt.%。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述涂布氧化石墨烯浆料后进行干燥的步骤中，通过常温或加热进行干燥。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述涂布氧化石墨烯浆料后进行干燥的步骤中，通过加热干燥。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述涂布氧化石墨烯浆料后进行干燥的步骤中，加热温度40-150℃。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述对上述氧化石墨烯片进行热处理的步骤中，所述热处理的温度≥2400℃。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述热处理的温度≥2800℃；所述热处理的时间≥2h。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述热处理的时间≥5h。
10.一种纤维阵列增强的石墨烯导热垫片，其特征在于，通过权利要求1-9中任一所述的制备方法制备，所述石墨烯导热垫片包括石墨烯层和纤维阵列，所述纤维阵列垂直设置于石墨烯层内，在横向排列的石墨烯中布置了纵向均匀排列的纤维阵列。
11.根据权利要求10所述的石墨烯导热垫片，其特征在于，所述石墨烯导热垫片的厚度为0.1-3mm。
12.根据权利要求11所述的石墨烯导热垫片，其特征在于，所述石墨烯导热垫片的厚度为0.5-1mm。
13.根据权利要求10所述的石墨烯导热垫片，其特征在于，所述纤维阵列的纤维之间的间距为0.2-2mm。
14.根据权利要求13所述的石墨烯导热垫片，其特征在于，所述纤维阵列的纤维之间的间距为0.5-1mm。
15.根据权利要求10所述的石墨烯导热垫片，其特征在于，所述纤维阵列的纤维的导热系数≥300W/(m·K)。
16.根据权利要求15所述的石墨烯导热垫片，其特征在于，所述纤维阵列的纤维的导热系数≥500W/(m·K)。
17.根据权利要求10所述的石墨烯导热垫片，其特征在于，所述纤维阵列的纤维的直径为5-50微米。
18.根据权利要求17所述的石墨烯导热垫片，其特征在于，所述纤维阵列的纤维的直径为10-20微米。
19.根据权利要求10所述的石墨烯导热垫片，其特征在于，所述纤维阵列的纤维为碳纤维、石墨纤维、石墨烯纤维和纳米碳管纤维中的至少一种。
20.根据权利要求17所述的石墨烯导热垫片，其特征在于，所述纤维阵列的纤维为单根纤维或/和纤维束。
21.根据权利要求10所述的石墨烯导热垫片，其特征在于，所述纤维阵列的纤维为未经处理的纤维或经过氧化处理的纤维。
22.根据权利要求21所述的石墨烯导热垫片，其特征在于，所述经过氧化处理的纤维的氧原子占比为5wt.%-35wt.%。
23.根据权利要求22所述的石墨烯导热垫片，其特征在于，所述经过氧化处理的纤维的氧原子占比为6wt.%-15wt.%。
24.一种复合石墨烯导热垫片的制备方法，其特征在于，还包括：
将高分子聚合物浸入权利要求1-9中任一所述制备方法制备的石墨烯导热垫片，进行固化，得到复合石墨烯导热垫片。
25.根据权利要求24所述的制备方法，其特征在于，采用真空浸渍、常压浸渍或高压浸渍将高分子聚合物浸入石墨烯导热垫片。
26.根据权利要求25所述的制备方法，其特征在于，真空浸渍的真空度为0.095～0.099MPa。
27.根据权利要求26所述的制备方法，其特征在于，高压浸渍的压力为0.5～10MPa。
28.根据权利要求24所述的制备方法，其特征在于，所述固化的温度为60～200℃或常温。
29.根据权利要求24所述的制备方法，其特征在于，所述高分子聚合物为环氧树脂、酚醛树脂、糠醛树脂、聚氨酯、丙烯酸树脂、聚丁烯和有机硅胶中的至少一种。
30.根据权利要求29所述的制备方法，其特征在于，所述高分子聚合物为有机硅胶。
31.根据权利要求29所述的制备方法，其特征在于，所述高分子聚合物为聚二甲基环硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、α, ω-二羟基聚二甲基硅氧烷、聚二苯基硅氧烷、α, ω-二羟基聚甲基（3, 3, 3-三氟丙基）硅氧烷、氰基硅氧基硅烷和α, ω-二乙基聚二甲基硅氧烷中的至少一种。
32.一种复合石墨烯导热垫片，其特征在于，包括权利要求1-9中任一所述制备方法制备的石墨烯导热垫片和浸入所述石墨烯导热垫片的高分子聚合物。
33.根据权利要求32所述的复合石墨烯导热垫片，其特征在于，所述高分子聚合物的含量为10wt.%-60wt.%。
34.根据权利要求33所述的复合石墨烯导热垫片，其特征在于，所述高分子聚合物的含量为20wt.%-50wt.%。
35.一种涂布装置，其特征在于，包括刮板和刮刀，所述刮刀设置在刮板的一端，用于在基材上涂布氧化石墨烯浆料，所述刮板上设置有多个槽，所述刮板上的槽用于穿过固定纤维的纤维排布装置的拉杆，所述纤维排布装置包括基材和拉杆，所述基材和拉杆上对应设置有多个孔，纤维从基材或/和拉杆一个孔或多个孔穿入，从基材或/和拉杆另外的一个孔或多个孔穿出，形成纤维阵列。
36.根据权利要求35所述的涂布装置，其特征在于，所述刮板和刮刀呈L型。
37.根据权利要求35所述的涂布装置，其特征在于，所述涂布装置还包括支架，所述刮板位于所述支架的背面。
38.根据权利要求37所述的涂布装置，其特征在于，所述支架和所述刮板可拆卸连接。
39.根据权利要求37所述的涂布装置，其特征在于，所述涂布装置还包括调节构件，用于调节刮板顶部与支架的距离。
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