TWI599540B - A method for making graphite sheet with high thermal conductivity and changing orientation - Google Patents

Description

一種改變高導熱配向之石墨片製作方法

本發明係關於一種石墨片之製備方法，特別是關於一種具高導熱配向之石墨片製備方法。

石墨材料具有良好的熱傳導性，其熱傳導特性優於銅的熱傳導特性，因此業界經適當合成及熱處理，可將高分子材料轉變為熱傳導值高達1700W/mK的熱裂解石墨紙，可用於散熱領域，尤其是現今電子產品的輕薄化，更需有良好的散熱材料，但熱傳導值高達1700W/mK的熱裂解石墨紙卻有先天的材料限制，石墨材料沒有良好的延展性，只能藉由切削或接合的方式來加工，不容易製成符合規格的散熱元件。

熱裂解石墨紙為2維平面結構，其在X-Y平面(平行該熱裂解石墨紙平面)的熱導性質明顯比Z軸方向(垂直該熱裂解石墨紙平面之方向)優異，具有高導熱配向的特性，因此熱裂解石墨紙(或一般的石墨片狀材料)即便已經高度石墨化，但由於其高導熱特性僅在某一平面上展現，Z軸方向(垂直平面方向)無法達到平面配向的熱傳導係數。

名稱為導熱元件及其製作方法的中華民國發明專利(公告號I521054)，此發明即在提供一種具有高導熱性的 導熱元件之製作方法，該導熱元件包含一支撐體及多數導熱纖維，該等導熱纖維的導熱係數介於380~2000W/m．K，且被高分子基質的支撐體包覆，另一部分裸露於該支撐體外而直接與外界接觸，該等導熱纖維的導熱係數介於380~2000W/m．K，且該高導熱基材沿該等導熱纖維的排列方向的導熱係數不小於300W/m．K，該發明藉由該等導熱纖維的部分裸露而直接與外界接觸，因此，具有極佳的導熱及散熱性；名稱為導熱薄片、其製造方法及使用導熱薄片之散熱裝置的中華民國發明專利(公告號I470010)，此發明為一種導熱薄片，其係含有包含石墨粒子(A)，與Tg為50℃以下之有機高分子化合物(B)的組成物之導熱薄片，其中，石墨粒子(A)為鱗片狀、橢圓球狀或棒狀，且結晶中之六員環面是定向於鱗片的面方向、橢圓球之長軸方向或棒之長軸方向，其特徵為該石墨粒子(A)之鱗片的面方向、橢圓球之長軸方向或棒之長軸方向是定向於導熱薄片的厚度方向，因此可提高厚度方向(垂直薄片平面方向)的導熱度。

上述先前技術之內容，揭露透過改變高導熱配向的技巧來製作高導熱薄片，其手法為將具有單向高導熱特性的材料(例如導熱纖維或鱗片狀石墨)排列於基材內部，且排列方式是將高導熱方向定向於導熱薄片的厚度方向(垂直薄片平面方向)，藉此來提高導熱薄片的厚度方向(垂直薄片平面方向)導熱性；但上述先前技術大部分都是將單向高導熱配向特性 的材料以配向方式包覆於高分子基材內，藉此完成具有厚度方向(垂直薄片平面方向)高導熱度的導熱薄片，但其所添加的高導熱材料大部分是導熱截面積小的導熱纖維、或是散佈在基材內部不連續的導熱粉材，因此對於導熱效果的提升實屬有限。

因此目前業界極需發展出一種可改變高導熱配向之石墨片(高導熱薄片)製作方法，來製備出具有厚度方向(垂直薄片平面方向)的高導熱配向特性的石墨片，如此一來，方能同時兼具材料散熱優點與實際應用面需求，製備出符合應用配向的高導熱配向石墨片。

鑒於上述習知技術之缺點，本發明之主要目的在於提供一種改變高導熱配向之石墨片製作方法，整合複數熱裂解石墨紙、一熱壓夾具、一滲膠夾具、一壓力釜及熱壓、熱處理等製程，以有效改變高導熱特性材料之配向，獲得所需高導熱配向及厚度之高導熱石墨片。

為了達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，提供一種改變高導熱配向之石墨片製作方法，步驟包括：(A)提供複數熱裂解石墨紙以一第一方向置入一熱壓夾具內進行一熱壓製程，以獲得一熱裂解石墨塊；(B)將該熱裂解石墨塊置入一滲膠夾具中，再將該滲膠夾具置入一壓力釜中，進行一真空製程；(C)將一滲膠溶劑注入該壓力釜中，進行一加壓 製程；(D)取出該熱裂解石墨塊進行一熱處理；(E)以一第二方向切割該熱裂解石墨塊以獲得具高導熱特性之石墨片，其中，該第一方向係為平行該熱裂解石墨紙平面之方向，該第二方向係為垂直該熱裂解石墨紙平面之方向。

上述中的步驟(A)，當複數熱裂解石墨紙置入熱壓夾具內進行熱壓製程時，由於熱壓製程中的壓力範圍可以是50~100kg/cm²，因此為避免熱裂解石墨紙滑動或移動，可在熱裂解石墨紙表面塗上酚樹脂，酚樹脂塗佈區域可以是熱裂解石墨紙的四個邊及中間一點，但不以此為限。

本發明的壓力釜上方可設計有三組管線及閥門，分別可控制抽真空、滲膠溶劑注入、空氣加壓等製程，當滲膠溶劑注入壓力釜時，壓力釜內滲膠溶劑液面應超過該滲膠夾具的高度，將滲膠夾具及複數熱裂解石墨紙完全淹沒，以增加滲膠效果，其中，滲膠溶劑可包含有磷酸、純水、呋喃酒精，其比例可以是1：10：100(但不以此為限)。

本發明步驟(C)中可以更包含一步驟，當進行加壓製程後，可將熱裂解石墨塊從洩壓後的壓力釜中取出，然後進行一滲膠製程，滲膠製程可以是將置於滲膠夾具中的熱裂解石墨塊放入一個充滿滲膠溶劑的容器中(容器內膠體液面必須超過夾具)，再進行加熱處理。

本發明步驟(D)中熱處理可包含4階段加熱製程，其加熱製程程序可如下(但不以此為限)：升溫至60℃持溫 12小時→升溫4小時至95℃並持溫8小時→升溫4小時至100℃並持溫8小時→升溫10小時至250℃並持溫2小時→爐冷4小時降溫至30℃。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本創作達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本創作的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。

S101-S105‧‧‧步驟

21‧‧‧底座

22‧‧‧壓模

41‧‧‧金屬容器

42、43、44‧‧‧三組管線及閥門

51‧‧‧熱源

52‧‧‧冷卻水

53‧‧‧高導熱配向之石墨片

54‧‧‧金屬材質

第一圖係為本發明一種改變高導熱配向之石墨片製作方法流程圖；第二圖係為本發明一種熱壓夾具示意圖；第三圖係為本發明一種滲膠夾具示意圖；第四圖係為本發明一種壓力釜示意圖；第五圖係為本發明一種高導熱配向之石墨片(Z軸方向具高導熱特性)應用於水冷裝置之示意圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本創作之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之優點及功效。

本發明係透過改變配向之技巧來製作厚度方向(垂直薄片平面方向，但不以此為限)導熱優良之薄片，其手法 是將熱裂解石墨紙層層黏著後直接沿著導熱優選方向定向於厚度方向裁切出導熱薄片，因此本發明中負責導熱的單一石墨紙材料之截面積大於其他專利所使用的導熱纖維，導熱效果也遠比導熱粉材散佈於高分子基材中優良；本發明之實施例係將熱裂解石墨紙層層疊合黏著，並從疊合面的垂直方向裁切成導熱薄片後，該導熱薄片的X-Y平面(平行該熱裂解石墨紙平面)即與裁切前的石墨紙堆疊面互相垂直，由於熱裂解石墨紙的X-Y平面(平行該熱裂解石墨紙平面)具高導熱特性，且裁切後的導熱薄片其Z軸厚度方向(垂直該熱裂解石墨紙平面之方向)與熱裂解石墨紙的X-Y平面(平行該熱裂解石墨紙平面)導熱優選方向配向一致，因此導熱薄片的Z軸方向(厚度方向)可以維持跟熱裂解石墨紙X-Y平面一樣的熱傳導係數。

請參閱第一圖，為本發明一種改變高導熱配向之石墨片製作方法流程圖。如圖所示，本發明所提供一種改變高導熱配向之石墨片製作方法，步驟包括：(A)提供複數熱裂解石墨紙以一第一方向置入一熱壓夾具內進行一熱壓製程，以獲得一熱裂解石墨塊S101；(B)將該熱裂解石墨塊置入一滲膠夾具中，再將該滲膠夾具置入一壓力釜中，進行一真空製程S102；(C)將一滲膠溶劑注入該壓力釜中，進行一加壓製程S103；(D)取出該熱裂解石墨塊進行一熱處理S104；(E)以一第二方向切割該熱裂解石墨塊以獲得具高導熱特性之石墨片 S105。

實施例

請參閱第二圖，為本發明一種熱壓夾具示意圖、請參閱第三圖，為本發明一種滲膠夾具示意圖、請參閱第四圖，為本發明一種壓力釜示意圖；本實施例實施步驟如下：(1)取熱裂解石墨紙(或其它X-Y平面具備高熱傳導係數之石墨片材)塗上酚樹脂，上膠區域為石墨紙的四個邊及中間一點(2)將已上膠的熱裂解石墨紙一片一片(以第一方向：平行該熱裂解石墨紙平面)放入不鏽鋼製的熱壓夾具中，合計約2000層熱裂解石墨紙，其中熱壓夾具由不鏽鋼或其它具有相當強度之金屬材料製成，結構包含底座21及壓模22，底座21具有一立方體型凹槽，凹槽之長寬應與壓模22及待壓之熱裂解石墨紙的長寬相同(3)以熱壓機加壓上一步驟的熱壓夾具，壓力值約50~100kg/cm²，同時升溫至150℃持溫2小時(4)從熱壓夾具取出熱壓後的熱裂解石墨塊，放入不鏽鋼製的滲膠夾具中，滲膠夾具可利用螺絲拴緊固定住熱裂解石墨塊，其中滲膠夾具由不鏽鋼或其它具有相當強度之金屬材料製成，結構包含上下兩片平面金屬板，以及可將兩片金屬板以平行方式拴緊或鬆開之螺絲柱(5)將該滲膠夾具放入壓力釜中，抽真空1小時，之後關閉抽真空閥門，其中壓力釜由不鏽鋼或其它具有相當強度之金屬材料製成，其主體為具備上蓋的中空金屬容器41，上蓋包含三組管線及閥門(42、43、44)，分別可連接真空幫浦 抽真空、倒入滲膠溶劑以及連接空壓機進行空氣加壓用(6)將滲膠溶劑注入壓力釜中，之後關閉注料管線閥門，壓力釜內膠體液面必須超過滲膠夾具高度，其中滲膠溶劑之配製方法為各溶劑以重量比例為「磷酸：純水：呋喃酒精=1：10：100」進行充份攪拌混合(7)以空壓機在壓力釜的空氣加壓管線加壓至壓力值為7kg/cm²，並打開閥門注入壓力，維持4小時(8)洩壓後從壓力釜中取出滲膠夾具，放入一個充滿滲膠溶劑的容器中，並將容器放入烘箱中，升溫至65℃持溫24小時，其中容器內滲膠溶劑液面必須超過滲膠夾具高度(9)容器內的滲膠溶劑之膠液變稠後，鬆開滲膠夾具取出熱裂解石墨塊，並將殘留膠液刮除乾淨(10)熱裂解石墨塊再次置入滲膠夾具上並放入烘箱進行熱處理，熱處理程序為：「升溫至60℃持溫12小時→升溫4小時至95℃並持溫8小時→升溫4小時至100℃並持溫8小時→升溫10小時至250℃並持溫2小時→爐冷4小時降溫至30℃」(11)將該熱裂解石墨塊沿著與堆疊面(平行該熱裂解石墨紙平面)垂直的方向(第二方向)切削成適當厚度之薄片，即可獲得Z軸方向具高導熱特性之石墨薄片。

本實施例所完成之具Z軸方向(垂直該熱裂解石墨紙平面)高導熱特性之石墨片，將其裁切成長1cm×寬1cm×厚0.2cm之薄片，並進行縱向熱導試驗，使用的熱傳導率測定儀廠牌型號為NETZSCH CFA-447，溫度測試範圍從25℃~200℃，每次增加25℃共進行10次熱導係數測試並取平均值，實 驗結果如表一所示。

請參閱第五圖所示，為本發明一種高導熱配向之石墨片(Z軸方向具高導熱特性)應用於水冷裝置之示意圖。如圖五所示，為了讓熱源51的熱更快讓冷卻水52(箭頭方向為水流方向)帶走，可以用本發明一種高導熱配向之石墨片53(Z軸方向具高導熱特性)作為熱源與冷卻水的分隔層，取代其他散熱使用的金屬材質54，本發明一種高導熱配向之石墨片在Z軸方向具更好的高導熱特性，因此可提高熱交換速度。

上述之實施例僅為例示性說明本創作之特點及功效，非用以限制本創作之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背創作之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本創作之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

S101-S105‧‧‧步驟

Claims (8)

1. 一種改變高導熱配向之石墨片製作方法，步驟包括：(A)提供複數熱裂解石墨紙以一第一方向置入一熱壓夾具內進行一熱壓製程，以獲得一熱裂解石墨塊；(B)將該熱裂解石墨塊置入一滲膠夾具中，再將該滲膠夾具置入一壓力釜中，進行一真空製程；(C)將一滲膠溶劑注入該壓力釜中，進行一加壓製程；(D)取出該熱裂解石墨塊進行一熱處理以讓滲膠溶劑熱固化；(E)以一第二方向切割該熱裂解石墨塊以獲得具高導熱特性之石墨片；其中，該第一方向係為平行該熱裂解石墨紙平面之方向，該第二方向係為垂直該熱裂解石墨紙平面之方向。
2. 如申請專利範圍第1項所述之改變高導熱配向之石墨片製作方法，其中，該熱裂解石墨紙係塗上酚樹脂，酚樹脂塗佈區域係為該熱裂解石墨紙的四個邊及中間一點。
3. 如申請專利範圍第1項所述之改變高導熱配向之石墨片製作方法，其中，該熱壓製程之壓力範圍係為50~100kg/cm²。
4. 如申請專利範圍第1項所述之改變高導熱配向之石墨片製作方法，其中，該壓力釜上方係有三組管線及閥門，分別控制抽真空、滲膠溶劑注入、空氣加壓製程。
5. 如申請專利範圍第1項所述之改變高導熱配向之石墨片製作方法，其中，該滲膠溶劑係包含磷酸、純水、呋喃酒精，其比例係為1：10：100。
6. 如申請專利範圍第1項所述之改變高導熱配向之石墨片製作方法，其中，該壓力釜內滲膠溶劑液面係超過該滲膠夾具。
7. 如申請專利範圍第6項所述之改變高導熱配向之石墨片製作方法，步驟(C)中更包含一步驟，其中，進行該加壓製程後，將該熱裂解石墨塊取出進行一滲膠製程。
8. 如申請專利範圍第1項所述之改變高導熱配向之石墨片製作方法，其中，該熱處理係包含4階段加熱製程。