[發明專利]沿平面和厚度方向同時具有高導熱系數的石墨片及制備方法

有效

• 申請號: 201510338747.2
• 申請日: 2015-06-17
• 公開（公告）號: CN104943223A
• 公開（公告）日: 2015-09-30
• 發明（設計）人: 封偉;秦盟盟;馮奕鈺
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: B30B11/02
• 分類號: B30B11/02;C01B31/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 王麗

技術領域

本發明涉及一種沿平面和厚度方向同時具有高導熱系數的石墨片及制備方法，具體地說是一種對膨脹石墨沿不同方向進行二次壓制的方法。

背景技術

隨著計算機、通訊及航空航天等領域科學技術的快速發展，不斷增加的導熱、散熱需求對熱管理材料提出更大的要求。例如微電子芯片表面溫度必須維持在較低的溫度下(如硅器件﹤100℃)才能確保其高性能工作，如果沒有充分的熱管理保障，極易導致其提前老化或損壞。因此，開發能夠對熱量進行有效疏導的高導熱散射材料成為熱管理的關鍵問題。傳統的金屬導熱材料(如鋁、銅等)由于存在密度較大、熱膨脹系數較高、易氧化、不耐化學腐蝕等局限性，已很難滿足目前日益增長的散熱需求。碳材料具有較高的導熱系數、較低的密度、低熱膨脹系數、優異的力學性能及化學穩定性，是近年來最具發展前景的一類導熱材料，因而在能源、通訊、電子等領域具有廣闊的應用前景。

膨脹石墨是由天然鱗片石墨經過石墨插層、水洗、干燥、高溫膨脹得到的一種疏松多孔的蠕蟲狀物質。膨脹石墨由于具有規整大塊的石墨化壁層，聲子傳導的阻礙較少，導熱效率很高，因而利用膨脹石墨制備高導熱石墨片成為人們的研究重點，也出現類似專利的授權或公開。中華人民共和國國家知識產權局授權號為CN101407322B、CN100368342C、CN101458049A等發明專利公布了利用壓縮膨脹石墨制備導熱板的技術。

以上所述的發明專利僅僅披露了傳統的膨脹石墨制備方法和壓制工藝，只獲得了導熱各向異性的石墨導熱材料。對于石墨片層，碳原子的晶格震動是材料導熱的基礎，因此石墨材料中聲子傳遞只能沿著石墨晶面進行高速傳導，而對于石墨晶面層間由于距離過遠，嚴重影響聲子的傳導。在經過石墨壓制工藝處理后，石墨晶面在熱壓作用下沿平面方向取向，因而在導熱石墨片中，只有在沿平面方向上具有高導熱率(大于100W/(m·K))，而沿厚度方向導熱率很低，不到10W/(m·K)(Zhi-Hai?Feng,Tong-Qi?Li,Zi-Jun?Hu,Gao-Wen?Zhao,Jun-Shan?Wang,Bo-Yun?Huang,Low?cost?preparation?of?high?thermal?conductivity?carbon?blocks?with?ultra-high?anisotropy?from?a?commercial?graphite?paper,Carbon,2012,50(10):3947–3948.)。中國的專利申請CN100368342C、CN103539111A等公布的石墨導熱板的沿厚度方向導熱率都在10W/(m·K)以下。將石墨膜剪切后豎起來，測定的沿厚度方向導熱系數高達75W/(m·K)，然而沿平面方向導熱系數只有2W/(m·K)(Qi-Zhen?Liang,Xu-Xia?Yao,Wei?Wang,Yan?Liu,and?Ching-Ping?Wong,A?three-dimensional?vertically?aligned?functionalized?multilayer?graphene?architecture:an?approach?for?graphene-based?thermal?interfacial?materials,ACS?nano,2011,5(3):2392-2401.)。現有已公開的發明專利所獲得的石墨片沿平面和厚度方向的導熱系數遠不能滿足大型計算機、高集成電子器件等對導熱材料導熱能力的要求，在碳材料已有優勢基礎上開發一種沿平面和厚度方向同時具有高導熱系數的材料顯得尤為重要。

發明內容

本發明針對現有膨脹石墨制備的石墨片巨大的導熱各向異性，即只能沿一個方向具有高導熱系數(大于100W/(m·K))而在另一方向導熱系數過低(小于10W/(m·K))的缺陷，提供一種沿平面和厚度方向同時具有高導熱系數的石墨片及其制備方法。沿平面和厚度方向導熱系數分別達到80W/(m·K)和50W/(m·K)的石墨片。

本發明采用以下技術方案：

一種沿平面和厚度方向同時具有高導熱系數的石墨片；石墨片中的石墨片層呈S型或波浪形排列，沿平面方向導熱系數≧80W/(m·K)；沿厚度方向導熱系數≧50W/(m·K)。如圖1中石墨片及橫斷面示意圖。

本發明的一種沿平面和厚度方向同時具有高導熱系數的石墨片的制備方法，步驟如下：

(1)將膨脹率為100～300的膨脹石墨從一個方向上加壓成型，獲得石墨胚體，然后從另一個方向對石墨胚體進行壓制，獲得石墨預制體；