[發明專利]一種石墨烯納米復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201310754066.5
• 申請日: 2013-12-31
• 公開（公告）號: CN103801686A
• 公開（公告）日: 2014-05-21
• 發明（設計）人: 慈立杰;茆勝
• 申請（專利權）人: 深圳市國創新能源研究院
• 主分類號: B22F1/02
• 分類號: B22F1/02;B22F9/24;B22F3/16;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 北京聯瑞聯豐知識產權代理事務所(普通合伙) 11411
• 代理人: 黃冠華

技術領域

本發明涉及材料領域，尤其涉及一種石墨烯納米復合材料及其制備方法。

背景技術

隨著現代電子器件的飛躍發展，如計算機，智能手機，掌上電腦等的CPU運算速度越來越快，將會在芯片的局部產生大量的熱量，必須通過有效的散熱材料把局部熱量迅速散開來。特別是隨著電子元器件的小型化，會在更小的局部區域產生熱點，如果不把熱點及時散出去，會影響電子器件的效率和壽命。另外近年來開發的高功率照明用的LED照明，發光過程中也會產生大量的熱量，如果不及時散出，不但會降低LED發光半導體的光輸出效率，如當LED結溫（PN結區的溫度）升高到80℃時，白光LED的光輸出功率會降低到85%；而且大大降低其使用壽命，如一般電子零件的溫度每升高10℃，壽命會變成約一半。因此散熱問題是當前半導體及半導體照明技術發展的技術瓶頸。另外，高導熱材料在傳統的應用領域如航空航天也有很大的應用空間。

傳統的高導熱材料主要是金屬材料，如銀、銅、金、鋁等，但它們的熱導率不夠理想:如銀的熱導率427W/mK、銅的熱導率398W/mK、金的熱導率315W/mK，而鋁的熱導率只有237W/mK。而且金屬材料的密度大，膨脹系數高。材料密度大對散熱材料在航空航天領域、輕型化的手持電子領域應用是個問題；膨脹系數太高，不利于散熱材料與其它材料匹配，容易因為溫差產生較大的界面熱阻。

碳材料是熱導率極高的材料，且密度低，重量輕，熱膨脹系數極小，所以被用來作為新型的導熱材料使用。高導熱碳材料主要有金剛石及類金剛石膜、天然石墨、人工石墨、高導熱碳纖維及其復合材料、碳納米管及復合材料等，特別值得一提的是近年來發現的石墨烯具有極好的導熱性能，其熱導率高達5300W/mK，而且柔韌性好，機械性能優越，逐漸被納入作為新的導熱材料的應用行列里來。

石墨材料（天然石墨和人工石墨）因為其資源豐富，制備工藝相對簡單，所以其應用更為廣泛。常用來制備石墨基散熱材料的工藝主要有兩種:

一種是經過把有機前驅體（如中間相瀝青、聚酰亞胺(PI)等）成型，碳化，高溫石墨化。這種工藝形成的石墨材料石墨化程度較高，結構規整，缺陷少，其導熱率能達到1900W/mK。但這種工藝時間長，高溫耗能大，所以成本高，不利于大規模化生產。

另一種工藝是采用天然石墨加工成的膨脹石墨作為原料壓制出高導熱石墨材料。這種工藝能把成本大大降低，但是石墨材料本身晶粒尺寸有限，對于由石墨顆粒壓制的宏觀的板材，石墨晶粒之間的界面熱阻是制約整體導熱率的主要因素。另外石墨的導熱是單向的，即基面方向（XY方向）的導熱率極高，而棱面方向（Z方向）是由單層石墨烯規則堆積而成，導熱率很低。為提高采用天然石墨壓制的石墨板材的導熱率，即使采用〉2000攝氏度的高溫對其進行長時間的石墨化處理，也很難消除大量缺陷特別是晶界的存在。為此，人們采用石墨材料與金屬復合的方式，在低能耗的工藝下制備導熱材料。如專利CN101151384A采用銀、銅、鋁等高導熱率金屬包覆大粒徑石墨顆粒，然后壓制成石墨/金屬復合體導熱材料。專利申請號CN102344780A提出把金屬顆粒規則放置在加工成的石墨材料表面，通過進一步加熱到金屬熔點溫度，使金屬顆粒溶解形成部分滲入到石墨表面，從而形成石墨/金屬復合結構，提高了熱源對石墨材料的導熱。但由于石墨與金屬的浸潤性差，所采用的金屬并不能很好的填充石墨顆粒間的空隙。另外金屬的導熱性比石墨顆粒基面方向的導熱性要差很多。所以石墨顆粒與金屬復合形成的板材并不能解決根本的提高導熱性的問題。

因為石墨烯層片本身具有優異的導熱特性，近年來人們開始把導熱應用的目光集中到石墨烯材料領域。從材料結構及工藝加工性等來看，石墨烯材料能夠取代天然石墨，采用第二種成本較低的工藝加工成新一代高導熱材料。

石墨烯是單層或數層碳原子層結構，制備石墨烯的工藝方法主要有機械剝離法，化學氧化法，電化學剝離法，CVD法等等。目前根據實際應用比較有工業應用前景的工藝主要是化學氧化法和CVD法。化學氧化法采用天然石墨為原料，經過強氧化劑的氧化及酸的插層，然后采用超聲、高溫膨脹、微波膨脹等工藝剝離被氧化的石墨烯原子層并進一步還原成石墨烯結構。采用這種工藝制備的石墨烯材料可以應用在復合材料、儲能材料、導熱材料等需要一定量的領域。而CVD工藝是采用金屬催化劑作為載體，在高溫下通過碳源裂解沉積石墨烯膜到其表面上。CVD工藝能夠制備單層和幾層大面積晶化程度較高的石墨烯，這種石墨烯適合應用的領域包括取代ITO材料的透明導電薄膜，電子器件，傳感器器件等。