CN115572581A - 一种低热阻的相变-石墨烯泡棉复合导热材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低热阻的相变‑石墨烯泡棉复合导热材料及其制备方法。通过将相变导热材料‑石蜡与石墨烯泡棉相结合，构建出石蜡‑石墨烯复合导热体系，制备出相变‑石墨烯复合导热材料。石墨烯泡棉在宏观上具有多孔结构，同时在微观上含大量苯环，因此石蜡能够良好地吸附在石墨烯泡棉内。由于石蜡的低熔点特性，工作状态下就会液化从而附着在接触面上，从而大大增加有效的热接触面积，再将热量传递给石墨烯、散热终端，以达到高接触面积，且高热导率的设计需求。本发明实现了相变材料和石墨烯泡棉材料优点的有效结合，在高功耗的散热场景中都具有极强散热能力，完全满足当前高端电子产业的散热需求。

Description

一种低热阻的相变-石墨烯泡棉复合导热材料及其制备方法

技术领域

本发明属于石墨烯复合材料技术领域，尤其涉及一种低热阻的相变-石墨烯泡棉复合导热材料及其制备方法。

背景技术

随着电子信息行业的飞速发展，芯片制程的不断进化，如今的高性能处理器能够在体积变化不大的情况下满足更大的性能需求，但这种变化带来的就是芯片热密度的急剧上升，温度一旦超过阈值，电子在运动过程中获得的动量较大，芯片的正常运作就会收到较大干扰，甚至会对芯片中的微电路造成不可逆的物理损伤，即电子迁移现象。因此，为了保护CPU的正常运行以及较长的寿命，足够的散热能力逐渐变成了芯片实际应用的首要问题。

目前来说，市面上芯片的散热主要由三部分构成，发热元件(芯片)、导热连接材料、散热终端(水冷、风冷等散热器材料)，目前的散热终端较为成熟，能达到较大的热设计散热功率，而整个散热体系的瓶颈即局限在了导热连接材料上。导热连接材料需要有以下几种特性：高的热导率、具有一定的可塑性，并且不能对接触面有损伤。如今市面上的硅脂垫，液态硅脂等材料虽然能够和散热表面很好地贴合，但热导率较低，综合热阻较大，在导热能力上逐渐不再适应如今的热设计场合。

石墨烯作为导电、导热性能都十分优异的高新技术材料，一经发现就引起了电子信息领域的广泛关注。作为高效散热和轻质器件开发的解决方案，越来越多的产品利用石墨烯散热膜进行散热-导电一体化处理。而石墨烯衍生产品-石墨烯泡棉，是通过改变制备工艺，将氧化石墨烯膜发泡还原获得的膨胀材料，具有良好的可塑性、极强的导热性以及较大的孔隙率。但石墨烯泡棉始终一种固体材料，相对于传统硅脂材料，与散热表面不能形成良好的接触，实际散热效果甚至还不如后者。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低热阻的相变-石墨烯泡棉复合导热材料及其制备方法，以解决上述技术问题。

为实现上述目的本发明采用以下技术方案：

一种低热阻的相变-石墨烯泡棉复合导热材料，其特征在于，石蜡充分浸润石墨烯表面，并浸入石墨烯空隙内部，形成复合材料，其具有多孔结构，含大量苯环。

2、一种低热阻的相变-石墨烯泡棉复合导热材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、首先取高纯度石蜡(熔点40℃)，以80℃水浴加热10min充分液化；

步骤2、将液态石蜡放入真空干燥机中，以0.1MPa，50℃的真空进行处理30min，使其充分去除空气以及其他杂质；

步骤3、将裁剪好的石墨烯泡棉放入液态石蜡中，再放入真空干燥机，以0.1MPa，60℃进行处理1h，使石蜡充分浸润石墨烯表面，并逐渐浸入石墨烯空隙内部，形成复合材料。

步骤4、去真空，维持在加热状态下将石墨烯泡棉片取出，冷却；

步骤5、将冷却后的石墨烯泡棉在热压机下进行加热挤压，以60℃、1MPa进行10min的热压处理，冷却后去除残留石蜡即可获得相变-石墨烯泡棉复合材料。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明通过将相变导热材料-石蜡与石墨烯泡棉相结合，构建出石蜡-石墨烯复合导热体系，制备出相变-石墨烯复合导热材料。石墨烯泡棉在宏观上具有多孔结构，同时在微观上含大量苯环，因此石蜡能够良好地吸附在石墨烯泡棉内。由于石蜡的低熔点特性，工作状态下就会液化从而附着在接触面上，从而大大增加有效的热接触面积，再将热量传递给石墨烯、散热终端，以达到高接触面积，且高热导率的设计需求。在实际散热中，复合导热材料虽然在低温状态下(工作热设计温度以下)不如传统硅脂等材料，但一旦达到设计温度，材料接触面积大幅提升，同时石墨烯泡棉高热导率的优势被发挥出来，材料的综合导热性能将大幅提升，散热性能领先传统硅脂材料20％，且材料的耐腐蚀、耐高温特性均优于硅脂等传统散热材料。本发明实现了相变材料和石墨烯泡棉材料优点的有效结合，在高功耗的散热场景中都具有极强散热能力，完全满足当前高端电子产业的散热需求。

附图说明

图1为本发明热源(芯片)为低温复合导热材料状态图

图2为本发明热源(芯片)工作温度复合导热材料状态图。

图3为本发明将得到的相变-石墨烯泡棉复合材料泡棉处理前后散热效果的对比图。

图4为本发明石蜡处理后的石墨烯泡棉与硅脂垫性能对比图。

图中：1、石墨烯泡棉，2、石蜡，3、热源(芯片)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细阐述。

一种低热阻的相变-石墨烯泡棉复合导热材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、首先取高纯度石蜡(熔点40℃)，以80℃水浴加热10min充分液化；

步骤2、将液态石蜡放入真空干燥机中，以0.1MPa，50℃的真空进行处理30min，使其充分去除空气以及其他杂质；

步骤3、将裁剪好的石墨烯泡棉放入液态石蜡中，再放入真空干燥机，以0.1MPa，60℃进行处理1h，使石蜡充分浸润石墨烯表面，并逐渐浸入石墨烯空隙内部，形成复合材料。

步骤4、去真空，维持在加热状态下将石墨烯泡棉片取出，冷却；

步骤5、将冷却后的石墨烯泡棉在热压机下进行加热挤压，以60℃、1MPa进行10min的热压处理，冷却后去除残留石蜡即可获得相变-石墨烯泡棉复合材料。

制备出的低热阻的相变-石墨烯泡棉复合导热材料，石蜡充分浸润石墨烯表面，并浸入石墨烯空隙内部，形成复合材料，其具有多孔结构，含大量苯环。

如图1所示A处，热源(芯片)3为低温阶段，石墨烯泡棉1、石蜡2接触与正常材料相同。如2所示B处，热源(芯片)3为工作温度阶段，石蜡2相变为液态，填充间隙增加接触面积。

将得到的相变-石墨烯泡棉复合材料进行了散热能力上的测试与对比，泡棉处理前后，散热效果的对比，结果如3所示，可以看到，无论是硅脂处理还是石蜡处理，泡棉的散热性能均得到了大幅提升，证明了接触面积改变对散热效果的大幅提升，从图中也可以体现出石蜡这种相变材料在温度低时的工作效果要差，而在温度高时表现优异。

石蜡处理后的石墨烯泡棉对比性能优异的硅脂垫，如图4所示，可以看到，在一定功耗范围内，硅脂垫与复合石墨烯泡棉的导热效果基本一致，硅脂垫有小幅度的性能领先，而在温度超过一定值后，相变材料的优势得到了体现，曲线斜率明显小于硅脂垫，证明了接触面积提升带来的大幅导热性能提升。

通过对比，可以得到以下结论：证明了石墨烯泡棉材料具有极强的导热能力。处理后的复合石墨烯泡棉表现为更低的内核温度，证明了复合石墨烯泡棉优异的导热能力，表明了石蜡-石墨烯复合导热系统构建的成功。相较于传统导热硅脂，复合石墨烯泡棉具有更好的表面接触方式，高于某特定温度后表现为更优异的导热能力，证明了在高功耗场景下石墨烯复合材料具有更大的应用优势。

以上所述为本发明较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种低热阻的相变-石墨烯泡棉复合导热材料，其特征在于，石蜡充分浸润石墨烯表面，并浸入石墨烯空隙内部，形成复合材料，其具有多孔结构，含大量苯环。

2.一种低热阻的相变-石墨烯泡棉复合导热材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、首先取高纯度石蜡(熔点40℃)，以80℃水浴加热10min充分液化；

步骤2、将液态石蜡放入真空干燥机中，以0.1MPa，50℃的真空进行处理30min，使其充分去除空气以及其他杂质；

步骤3、将裁剪好的石墨烯泡棉放入液态石蜡中，再放入真空干燥机，以0.1MPa，60℃进行处理1h，使石蜡充分浸润石墨烯表面，并逐渐浸入石墨烯空隙内部，形成复合材料。

步骤4、去真空，维持在加热状态下将石墨烯泡棉片取出，冷却；

步骤5、将冷却后的石墨烯泡棉在热压机下进行加热挤压，以60℃、1MPa进行10min的热压处理，冷却后去除残留石蜡即可获得相变-石墨烯泡棉复合材料。

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