CN115505376A - 一种用于宽幅afg材料制备的过程控制方法 - Google Patents

一种用于宽幅afg材料制备的过程控制方法 Download PDF

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束国法
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Abstract

本发明公开了一种用于宽幅AFG材料制备的过程控制方法，通过制备纳米级金属粉末，对碳化过程中的聚酰亚胺薄膜进行有效的氧元素的去处，再进行石墨化以及表面金属离子的催化剂种植，以获得AFG材料。该种方式首先通过热亚胺化将ID/IG的比值进行有效的降低，同时，通过粉末化金属降低碳化过程中聚酰亚胺薄膜中新的C‑O键的生成，从而大大的降低了原有聚酰亚胺薄膜中氧元素的含量，并有效的提升后续石墨化过程中，SP2杂化程度，并减少SP3的程度，从而增强了声子的定向热量传输能力，并减少声子散热现象的发生。通过该种方式对制备过程中的聚酰亚胺薄膜进行过程质量控制，可以有效的提升基于PI薄膜的石墨烯材料在高端产品的应用范围。

Description

一种用于宽幅AFG材料制备的过程控制方法
技术领域
本发明涉及一种用于宽幅AFG材料制备的过程控制方法。
背景技术
随着电子元器件的飞速发展，其带来的局部高温与散热问题成为现阶段限制大功率计算部件长时间运行的主要问题。
其中石墨烯，尤其是各种人工石墨烯材料的飞速发展，成了解决现有导热问题的重要突破点，烯碳复合材料(AFG)是在石墨烯的表面，通过金属离子的种植从而形成表面具有金属离子导热能力的石墨烯导热材料，其自从实验室制备以来，由于卓越的横向以及纵向的导热能力，逐渐替代传统石墨烯散热结构，从而应用于电子元器件的导热处理。
目前烯碳复合材料的制备工艺主要是依靠聚酰亚胺薄膜(PI)进行表面碳化以及石墨烯制备而成，其在石墨化之前，通过催化剂在表面种植金属离子，从而形成具有定向结构的PI基石墨膜，导热能力可以超过1000W/(m.K)，通过合理的温度控制，其石墨化程度可以达到90％以上，是一种理想化的烯碳复合材料的制备工艺，但是其在制备高端散热薄膜中，其成型稳定性不高，尤其是在制备导热率为1300W/(m.K)，宽幅为600mm的薄膜时，其良率低于80％，且生产成本过大。
目前的研究发现，由于碳化过程中，杂分子通过碳氮键、碳氢键的断裂，从而生成氧气、二氧化碳、氮气、一氧化碳等气体进行排除，此时PI薄膜的质量也产生飞速下降。但是，如果PI薄膜的初始含氧量过高，则后续在石墨化过程中，残留的氧原子会影响微晶尺寸的生长，并进一步的影响后续石墨化的程度与最终性能。
发明内容
本发明的目的是为了解决以上现有技术的不足，提供一种用于宽幅AFG材料制备的过程控制方法。
一种用于宽幅AFG材料制备的过程控制方法，包括以下步骤：
通过热胺法制备PI薄膜，通过分切得到若干块尺寸相同的PI基薄膜；
制备纳米级金属粉末，将金属丝悬挂在惰性气体腔室中，金属丝的两端连接高压电路，在10KV以上的高压作用下，金属丝产生断裂，并生成10-100nm尺寸范围的纳米级金属粉末；
在隔绝空气的情况下，将纳米级金属粉末压合在PI基薄膜的表面，并进行叠层，叠层完成后，进行碳化；
碳化结束后，称量金属粉末的重量变化，并进行记录，将金属粉末与该种金属的氧化物重量进行对比，以测得碳化过程中PI薄膜的氧元素的去除量；
碳化完成后，进行表面金属粉末的吹扫，并进行石墨化以及表面金属离子的催化剂种植，以获得AFG材料。
进一步的，其中PI薄膜的碳化参数为：
在保护气体氛围下，进行高温碳化，其中初始升温为室温升至800摄氏度，二次升温为800℃升至1500℃，其中保护气体为氮气、氩气或是真空保护。
进一步的，将碳化后的PI薄膜进行高温石墨化，其中石墨化温度控制为2600-2800℃；石墨化完成之后，在石墨化的表面种植金属离子，并进行叠层，叠层完成后制备为符合厚度要求的AFG材料。
进一步的，其中PI基薄膜的制备如下：
将PAA溶液涂布在玻璃的表面上，通过热烘的方式将溶剂进行蒸发，得到固态薄膜，在通过中高温等温处理后得到PI薄膜，对PI薄膜进行分切，并得到若干块尺寸相同的PI基薄膜。
进一步的，石墨化包括以下步骤：
在Ar气氛中，从室温加热至2700℃，此时为第一阶段的升温，升温速率为5-10℃/min；
保温30-35min后，进行自然冷却；
冷却至室温后，进行二次热处理，热处理温度为500-800摄氏度，并在表面涂覆金属离子溶剂，进行金属离子的种植。
进一步的，碳化过程中，保持碳化过程，聚酰亚胺薄膜的表面气体压强为大气压强的0.1-0.5。
进一步的，金属离子种植时采用粉末状金属进行种植，所述的粉末状金属包括NiO、MgO和Al2MgO4，其中对应产生的金属离子分别为Ni、Mg和Al。
碳化过程中，其中碳氮键、碳氧键进行断裂，并生成相应的气体，气体生成完毕后，残留的碳分子产生分子间结构的紊乱；在经过石墨化进行化学键的断裂与键合，并生成石墨晶格的生长，直至完成部分石墨化后停止；
碳化过程中，需要控制初始PI膜的含氧量，如果含氧量过高，则会影响后续石墨化过程中微晶尺寸的生长，从而导致石墨化程度降低；
在实验过程中发现，AFG材料在碳化过程中，通过添加金属离子的形式可以带走一部分氧原子，但是对于氧原子的整体含量的影响不大，而且由于碳氢键也在不断的生成，所以碳化过程中，其实很难在低成本的条件下，将氧含量降低。
在500-800℃时，C-O键的断裂最为剧烈，但同时也不断有C-O键的生成；而新释放出来的氧原子会优先选择成键消耗更少，条件更简单的金属键进行生成，从而减少了在500-800℃下碳氧键的生成量。
有益效果：
通过热亚胺化将ID/IG的比值进行有效的降低，同时，通过粉末化金属降低碳化过程中聚酰亚胺薄膜中新的C-O键的生成，从而大大的降低了原有聚酰亚胺薄膜中氧元素的含量，并有效的提升后续石墨化过程中，SP2杂化程度，并减少SP3的程度，从而增强了声子的定向热量传输能力，并减少声子散热现象的发生。通过该种方式对制备过程中的聚酰亚胺薄膜进行过程质量控制，可以有效的提升基于PI薄膜的石墨烯材料在高端产品的应用范围。
附图说明
图1是不同金属粉末作为原料时的AFG薄膜的导热系数。
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。
实施例一：
一种用于宽幅AFG材料制备的过程控制方法，包括以下步骤：
通过热胺法制备PI薄膜，将PAA溶液涂布在玻璃的表面上，通过热烘的方式将溶剂进行蒸发，得到固态薄膜，在通过中高温等温处理后得到PI薄膜，对PI薄膜进行分切，并得到若干块尺寸相同的PI基薄膜。
制备纳米级金属粉末，将铁、镍为主体的金属丝悬挂在惰性气体腔室中，金属丝的两端连接高压电路，在10KV以上的高压作用下，金属丝产生断裂，并生成10-100nm尺寸范围的纳米级金属粉末；
在隔绝空气的情况下，将纳米级金属粉末压合在PI基薄膜的表面，并进行叠层，叠层完成后，进行碳化；
碳化结束后，称量金属粉末的重量变化，并进行记录，将金属粉末与该种金属的氧化物重量进行对比，以测得碳化过程中PI薄膜的氧元素的去除量；
由于现有技术并不能准确通过理论测量得到金属粉末前后的质量变化与氧元素消耗量的关系，所以在实际生产中，采用试验法进行数值的计算，并进行推算，从而得到金属粉末质量增加率与碳氧键消耗量的对比数据表格。
碳化完成后，进行表面金属粉末的吹扫，并进行石墨化，其中石墨化的具体操作为在Ar气氛中，从室温加热至2700℃，此时为第一阶段的升温，升温速率为5-10℃/min；
保温30-35min后，进行自然冷却；
冷却至室温后，进行二次热处理，热处理温度为500-800摄氏度，并在表面涂覆金属离子溶剂，进行金属离子的种植，以获得AFG材料。
实施例二：
金属原料改用银和铜的混合物，其余与实施例一一致。
实施例三：
金属原料改用钛和钼的混合物，其余与实施例一一致。
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)

1.一种用于宽幅AFG材料制备的过程控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过热胺法制备PI薄膜，通过分切得到若干块尺寸相同的PI基薄膜；
制备纳米级金属粉末，将金属丝悬挂在惰性气体腔室中，金属丝的两端连接高压电路，在10KV以上的高压作用下，金属丝产生断裂，并生成10-100nm尺寸范围的纳米级金属粉末；
在隔绝空气的情况下，将纳米级金属粉末压合在PI基薄膜的表面，并进行叠层，叠层完成后，进行碳化；
碳化结束后，称量金属粉末的重量变化，并进行记录，将金属粉末与该种金属的氧化物重量进行对比，以测得碳化过程中PI薄膜的氧元素的去除量；
碳化完成后，进行表面金属粉末的吹扫，并进行石墨化以及表面金属离子的催化剂种植，以获得AFG材料。
2.根据权利要求1所述的一种用于宽幅AFG材料制备的过程控制方法，其特征在于，其中PI薄膜的碳化参数为：
在保护气体氛围下，进行高温碳化，其中初始升温为室温升至800摄氏度，二次升温为800℃升至1500℃。
3.根据权利要求2所述的一种用于宽幅AFG材料制备的过程控制方法，其特征在于，其中保护气体为氮气、氩气或是真空保护。
4.根据权利要求1所述的一种用于宽幅AFG材料制备的过程控制方法，其特征在于，将碳化后的PI薄膜进行高温石墨化，其中石墨化温度控制为2600-2800℃；石墨化完成之后，在石墨化的表面种植金属离子，并进行叠层，叠层完成后制备为符合厚度要求的AFG材料。
5.根据权利要求1所述的一种用于宽幅AFG材料制备的过程控制方法，其特征在于，其中PI基薄膜的制备如下：
将PAA溶液涂布在玻璃的表面上，通过热烘的方式将溶剂进行蒸发，得到固态薄膜，在通过中高温等温处理后得到PI薄膜，对PI薄膜进行分切，并得到若干块尺寸相同的PI基薄膜。
6.根据权利要求1所述的一种用于宽幅AFG材料制备的过程控制方法，其特征在于，石墨化包括以下步骤：
在Ar气氛中，从室温加热至2700℃，此时为第一阶段的升温，升温速率为5-10℃/min；
保温30-35min后，进行自然冷却；
冷却至室温后，进行二次热处理，热处理温度为500-800摄氏度，并在表面涂覆金属离子溶剂，进行金属离子的种植。
7.根据权利要求1所述的一种用于宽幅AFG材料制备的过程控制方法，其特征在于，碳化过程中，保持碳化过程，聚酰亚胺薄膜的表面气体压强为大气压强的0.1-0.5。
8.根据权利要求1所述的一种用于宽幅AFG材料制备的过程控制方法，其特征在于，金属离子种植时采用粉末状金属进行种植，所述的粉末状金属包括NiO、MgO和Al2MgO4，其中对应产生的金属离子分别为Ni、Mg和Al。
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