TWI312380B - - Google Patents
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Description
1312380 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種高導熱連續氣相成長後 乂造方法,並且係關於一種藉由前述方法所剪 熱連續氣相成長碳纖維及其應用。 、 【先前技術】 各式各樣的散熱相關問題每每是電子科技進舟的 一大阻礙。例如,為了使功能及速度提升,必 匕赭 密處理器及繪圖元件的功率;而如此的功率再加丄曰 小巧的產品體積,使得散熱管理成為一項嚴 此外三如特定功能之IC、記憶體、雷射發光二極體 ,有著或大或小之散熱問題。1而其解決方法之一:便 是仰賴高導熱係數基板之使用。例如雷射發光二極 產品,它在應用上不像普通的電腦那樣^ I * Ξ板:方式來散熱’因此高導熱係: 基板之使用,便是其熱管理中相當重要的一缺 統之高導熱係數材料大多為金屬材料,其導^ ^ 定j限制,不足以因應目前及未來之熱管理需^3 目前正在研發具有更高導熱係數之複合材料。而^ ίΐ複ίϊ?當中’最為普遍使用之強化材料非碳纖:隹 式的碳纖維中,氣相成長碳』具 3高,之室溫導熱係數,具 而氣相成長奴纖維之密度卻不到銅的1/4。"灰 氣相成長碳纖維都是所有:二最 成長碳纖維還同時兼具良好之拉伸應力及拉伸:數乳2 1312380 ί選ί相成長碳纖維實為發展高導減數複合材料之最 立县广:多為目知之氣相成長碳纖維乃為短纖, 。因料= i碳ί維之纖i長:冗熱J數’增加氣相成 種連續結構且長=二 礙纖、准之方法’乃為目前極為重要之課題。 【發明内容】 續氣相有成長碳纖維Un;目m::種高導熱連 :範以=:的==碳=;以: 發明之方法,配合所需碳纖維長度之基板, 遠長於傳統方法可製得之連續氣相碳纖維。長度 本發明t另1的係提供-種藉由前述方法所制 ϊΐ:ϊϊί:ίϊ成長碳纖維’其具有連續構造,ί ;:長;·^ 續 受到反應氣體流速與重力的爭氅,過耘中 度可無限延伸。由於該高導熱連續氣相成4‘jj 6 1312380 不同於傳統氣相成長後纖維之連績性5在製成複合材料 之後,其高導熱係數得以轉嫁至複合材料,而得到絕佳 的散熱效益。 本發明之又一目的係提供一種石墨化之高導熱連 續氣相成長碳纖維,其係由前述高導熱連續氣相成長碳 纖維於惰性氣體中經過熱處理後而製得,其具有高達 1950 W/m-K之室溫導熱係數。此石墨化之高導熱連續 氣相成長碳纖維應用至複合材料中,因為碳纖維之連續 構造之助益,成功克服傳統氣相成長碳纖維不因連續結 構所形成的斷點熱阻問題,大幅提升複合材料之導熱係 數。 為達上述目的,本發明提供一種高導熱連續氣相 成長碳纖維之製造方法,其包含下列步驟: (a) 提供一表面佈有催化劑之基板; (b) 將前述基板置於反應爐之爐管中; (c) 在前述反應爐之爐管中通入氫氣、氨氣或兩 者組合之氣體; (d) 將前述反應爐之溫度調整為400°C至900°C來 進行熱處理,且熱處理之時間為10分鐘至2 小時; (e) 在前述反應爐之爐管中加入含碳物質; (f) 調整含碳物質與氫氣、氧氣或兩者組合之氣 體的比例;及 (g) 將前述反應爐之溫度調整為500°C至1200 °C,使前述含碳物質裂解,進而形成碳纖維。 在本發明之較佳實施態樣中,前述催化劑係包含 過渡金屬、含過渡金屬之合金、或含過渡金屬之化合 物,且其型態為粉末、溶液或層膜。 7 1312380 ’、係日述方法所製得’且該碳纖維具有連續構造。 碳纖維,又t供*"!種石墨化之高導熱連續氣相成長 於_、柯洛1糸將前述高導熱連續氣相成長碳纖維進一步 得中經過以⑽^至3000°c之熱處理後而製 /、/、有1450 W/m-K至1950 W/m-K之室溫導熱係 長碳、=明f供之一種高導熱連續氣相成 法,太疋衣k方法,相較習用氣相成長碳纖維之製 淘忐法可得到無限長度之連續氣相成長碳纖維,且 ^ 維具有低密度、高導電率及高機械性能等特 性,利於後續光電產業之應用。 【實施方式】 奋土歧在所屬領域具有通常知識者閱讀以下詳細說明並 二ίίϊ圖式與申請專利範圍之後,將清楚了解本發明 的特性與優點。 乃 本發明之較佳實施態樣說明: 本發明係使用一反應爐來製作連續氣相沉積碳纖 、准’其相關製程流程如第一圖所示。 、- 如第一圖所示,本發明係將被覆於基板1〇 化劑20置於—可控制氣氛的反應爐之爐管3〇 二 ^匕劑20可為顆粒狀或薄膜狀’第—圖上係 = 為例;其中反應爐可為水平式或垂直式,較, 式;而催化劑20較佳為過渡金屬、或含過渡 金、或含過渡金屬之化合物,例如鐵、鈷、^ 了 η σ 為鐵。 罈,且敢佳 在反應爐之爐管30中通入一大氣壓之氣氣、& $ 或兩者組合之氣體40,藉由反應爐溫度之調整礼將 劑20在具有適當溫度之反應溫區中於適當日'^間 !312380 之爐管30之體積的10〇/〇。 &使彎曲且順向成長之碳纖維60持續成長,直到其 頂端80超出成長温區(即基材10之長度)為止;其間 了調整或不調整反應爐溫度和含碳物質50與氫氣、氨 氣或兩者組合之氣體40的比例。反應爐溫度和含碳物 質5〇與氫氣、氨氣或兩者組合之氣體40的體積百分比 之調整範圍係與上述裂解階段同。 此連續之氣相成長碳纖維不論是在長度上、或直 徑上’均非以習用氣相成長碳纖維製法所製得之氣相成 長碳纖維能夠望其項背。 此外’此高導熱連續氣相成長碳纖維在惰性氣氛 中經過2600。(:至3000°C之熱處理後,即可達到石墨化 ^效果’該種石墨化之高導熱連續氣相成長碳纖維具有 高達1450 W/m-K至1950 W/m-K之室溫導熱係數,且 由於它具有連續構造,故其所形成之複合材料能成功克 服傳統氣相成長碳纖維複合材料因碳纖維不連續所引 起的斷點熱阻問題,大幅提昇了複合材料之導熱係數。 爲使諸君了解本案之實用性,茲舉以下實施例來 說明,但下列實施例並非用於限定本發明: 實施例1 : 將表面佈有鐵催化劑顆粒之基板(長8 cm、寬6 cm)置於水平式反應爐之爐管中,通以一大氣壓、流量 800 seem之氬氣,並將反應爐加熱至7〇〇°C,旋即通入 一大氣壓、流量100 seem之氫氣取代氬氣,以對催化劑 進行熱處理,熱處理時間為20分鐘;接著將爐溫升高 至1100°C,並加入流量50 seem之曱炫,此時甲烧之體 積濃度為33% ;之後於1100°C持溫2小時,可得到直 徑為5/zm、長度為8 cm之連續氣相成長碳纖維,碳纖 11 1312380 維長度與基板相等。 實施例2 : 如實施例1中所述(除後述條件外,其餘皆與實 施例1相同),將11 〇〇°C反應時之曱燒體積濃度比例提 高至50% (曱烧流量9〇 seem、氫氣流量90 seem),於 1100°C持溫2小時,可得到直徑為8/zm、長度為8 cm 之連續氣相成長碳纖維,碳纖維長度與基板相等。 實施例3 : 將表面佈有鐵催化劑顆粒之基板(長35 cm、寬 10 cm)置於水平式反應爐之爐管中,通以一大氣壓、 流量1000 seem之氬氣,並將反應爐加熱至700°C,旋 即通入一大氣壓、流量600 seem之氫氣取代就氣,以對 催化劑進行熱處理,熱處理時間為20分鐘;接著將爐 溫升高至1100°C,並加入流量300 seem之曱烧,此時 曱烷之體積濃度為33% ;之後於1100°C持溫2小時, 可得到直徑為6 # m、長度為35 cm之連續氣相成長碳 纖維,碳纖維長度與基板相等。 實施例4 : 將表面佈有鐵催化劑顆粒之基板(長47 cm、寬 12 cm)置於水平式反應爐之爐管中,通以一大氣壓流 量、1000 seem之氬氣,並將反應爐加熱至7〇〇。(:,旋即 通入一大氣壓、流量500 sccm之氫氣取代氬氣,以對催 化劑進行熱處理’熱處理時間為20分鐘;接著將爐溫 ^高至1050°C,並降低氫氣流量為375 sccm,再加入流 量為125 seem之乙炔,此時乙炔之體積濃度為25% ; 12 1312380 之後於1050°C持溫2小時,可得到直徑為8/zm、長度 為47 cm之連續氣相成長碳纖維,碳纖維長度與基板相 等。 綜上所述,本發明係提供一種以化學氣相沉積法 所製得的高導熱連續氣相成長碳纖維,其直徑大小依製 程條件不同而改變,然而其連續長度可無限延伸;一般 而言,其直徑分佈於一微米(Am)至數十微米之間, 而其長度係在合理範圍内與反應爐中的基板長度相 ® 等,因此操作者可根據本發明之方法,配合所需碳纖維 長度之基板,製作出長度遠長於傳統方法可製得之連續 氣相碳纖維。此連續氣相成長碳纖維不但具有傳統氣相 . 成長碳纖維之低密度、局導電率、南機械性能、南導熱 係數等優良特性,同時克服傳統氣相成長碳纖維複合材 料因碳纖維不連續所引起的斷點熱阻問題,大幅提昇了 複合材料之導熱係數。 以上所述係本發明之實施態樣及所運用之技術原 理,若依本發明之構想概念所作之改變,且其所產生之 • 功能作用仍未超出本說明書及圖式所涵蓋之精神時,均 應在本發明之範圍内,合予陳明。 13 1312380 【圖式簡單說明】 第一圖係本發明之高導熱連續氣相成長碳纖維之製造 方法示意圖。
【主要元件符號說明】 10 基板 20 催化劑 30 反應爐之爐管 40 氫氣、氨氣或兩者組合之氣體 50 含碳物質 60 碳纖維 70 反應爐之爐管中的特定氣體流速 80 氣流下游基板端 14
Claims (1)
1312380 十、申請專利範圍: 1. 一種高導熱連續氣相成長碳纖維之製造方法,其包含下 列步驟: (a) 提供一表面佈有催化劑之基板; (b) 將前述基板置於反應爐之爐管中; (c) 在前述反應爐之爐管中通入氫氣、氨氣或兩者組合 之氣體; (d) 將前述反應爐之溫度調整為400°C至900°C來進行 熱處理,且熱處理之時間為10分鐘至2小時; (e) 在前述反應爐之爐管中加入含碳物質; (f) 調整含碳物質與氫氣、氨氣或兩者組合之氣體的比 例;及 (g) 將前述反應爐之溫度調整為500°C至1200°C,使前 述含碳物質裂解,進而形成碳纖維。 2. 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中在前述步驟(c) 之前進一步包括另一步驟,其係在前述反應爐之爐管中 通入氬氣,並加熱至400°C至600°C。 3. 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中前述催化劑係 包含過渡金屬、含過渡金屬之合金、或含過渡金屬之化 合物。 4. 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中前述催化劑之 型態為粉末、溶液或層膜。 5. 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中前述反應爐為 水平式或垂直式。 6. 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中前述步驟(d)之 熱處理之溫度為500°C至800°C。 7. 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中前述步驟(d)之 熱處理之時間為20分鐘至1小時。 15 1312380 曲並伏貼於前述基板上,並 20.如申請專利範圍第19項所礼k方向繼續成長。 爐管中氣體流速係在下列範圍^法其中前述反應爐之 爐管的氣频積大於反分鐘進人反應爐之 反應爐之爐管體積的10%。壚&體積的1%,但小於 儿-種高導熱連續氣相成長後 — 圍第1至2 0項中任一項所迷之隹其=由申請專利範 具有連續構造。 方法所製得,且該碳纖維 熱連續ί相成長碳纖維,其係由中請 •产性々辦l項所述的面導熱連續氣相成長碳纖維於 W生讀中經過26Q(rc至3_t之熱處理後而製得。 申請專鄕®第22項所述之石墨化之高導熱連續氣 相成長破纖維,其具有145〇 w/m_K至15>5〇 W/m-K之 室溫導熱係數。
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