[發明專利]定向高導熱碳/聚合物復合材料及制備方法

有效

• 申請號: 201510401752.3
• 申請日: 2015-07-09
• 公開（公告）號: CN105001450B
• 公開（公告）日: 2018-05-18
• 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: C08K9/00
• 分類號: C08K9/00;C08K3/04;C08K3/22;C08L101/00;C08L67/00;C08L77/00;C08L79/08;C08L29/04;C08L69/00;C08L63/00
• 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

本發明涉及一種沿特定方向的碳/聚合物復合材料及制備方法；配制鐵的質量分數為0.05～5％的四氧化三鐵前驅體溶液；將導熱碳材料與四氧化三鐵前驅體溶液混合均勻，反應、過濾、洗滌、干燥后獲得四氧化三鐵在碳材料表面均勻分散的磁性碳材料；將磁性碳材料置于0.1～1T的磁場中，磁場的方向為從N極到S極，通過調控N極和S極的相對位置獲取不同的磁場方向，磁性碳材料沿磁場方向取向排列；將聚合物前驅體溶液澆筑在取向的碳材料陣列中，經固化后獲得碳材料在聚合物中取向排列的碳/聚合物復合材料。碳材料表面負載四氧化三鐵，并在磁場中沿磁場方向取向排列；復合材料沿碳材料取向方向的導熱系數≧30W/(m·K)。

技術領域

本發明涉及一種沿特定方向具有高導熱系數的碳/聚合物復合材料及制備方法，具體地說是一種將導熱碳材料進行可控取向并和聚合物復合的方法。

背景技術

隨著科學技術的快速發展，高效的導熱和散熱成為熱管理領域的關鍵問題。隨著計算機、手機、衛星等電器裝置電子元件集成度和精密度的不斷提高，其單位面積電子器件不斷提高的發熱量使系統產生的熱量驟增。這些熱量如果不能實現快速疏導，就會與局部材料之間形成較大的溫度差，影響器件的正常運轉。研究顯示電子元器件的穩定性對溫度極為敏感，當工作溫度升高2℃，可靠性下降10％。

近年來，一系列高導熱的金屬材料(如鋁、銅等)、碳材料(如膨脹石墨、石墨烯、碳納米管等)被用于制造高性能的散熱器件，如銅箔、石墨膜等。隨著各種電子元器件的不斷小型化、復雜化，其散熱面的形狀不規則并且有一定的粗糙度，傳統的硬質金屬箔、石墨膜柔彈性差，導致散熱面不能與散熱材料很好的貼合，產生巨大的接觸熱阻，難以發揮散熱材料的預期散熱性能。(Yee Kan Koh,Myung-Ho Bae,David G.Cahill,Eric Pop.Heatconduction across monolayer and few-layer graphenes.Nano Letters 10(2010):4363–4368).

因此，基于導熱填料增強的柔性聚合物熱界面材料得到開發，公開號為CN103183889A、CN103694720A等發明專利公布了將膨脹石墨、石墨烯、氮化硼等導熱材料與聚合物進行混合制備導熱復合材料的方法。然而，雖然導熱填料本身沿結晶平面方向具有很高的導熱系數(石墨2000W/mK，石墨烯5300W/mK，碳纖維900W/mK)，復合材料的導熱系數卻不到10W/mK(Khan M.F.Shahil,Alexander A.Balandin.Thermal properties ofgraphene and multilayer graphene:Applications in thermal interfacematerials.Solid State Communications 152(2012):1331–1340)。這是由于導熱填料本身存在極大的導熱各向異性，沿垂直晶面方向導熱系數不到10W/mK，同時其在聚合物基體中無規取向，導熱填料之間難以形成有效的導熱通道而存在很大的界面熱阻，極大限制了復合材料導熱系數的提高(Vivek Goyal,Alexander A.Balandin.Thermal properties ofthe hybrid graphene-metal nano-micro-composites:Applications in thermalinterface materials.Applied Physics Letters 100(2012):073113)。

綜上所述，導熱碳材料能夠與絕大部分聚合物復合制備碳/聚合物復合材料，但目前報道中，碳材料在聚合物中是無規取向的，因此其導熱能力是各向同性的，并且導熱系數很低。針對現有電子元器件的散熱特點，開發一種熱界面材料，沿特定方向具有高導熱系數而能夠將器件發熱面的熱量高效定向地疏導到冷卻面顯得尤為重要。

發明內容