[發明專利]一種垂直取向石墨烯片/高聚物熱界面材料的制備方法

在審

• 申請號: 201610043545.X
• 申請日: 2016-01-24
• 公開（公告）號: CN105542728A
• 公開（公告）日: 2016-05-04
• 發明（設計）人: 白樹林;張亞飛
• 申請（專利權）人: 北京大學;張亞飛
• 主分類號: C09K5/14
• 分類號: C09K5/14
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于導熱界面材料的制備領域，具體為一種高熱導率垂直取向石墨烯片/高聚物熱界面材料的制備方法。

背景技術

熱界面材料（ThermalInterfaceMaterials,TIMs）在電子元件散熱領域應用廣泛，它可填充于電子元件與散熱器之間以驅逐其中的空氣，使電子元件產生的熱量能更快速地通過熱界面材料傳遞到散熱器，達到降低工作溫度、延長使用壽命的重要作用。隨著芯片的集成度不斷提高和功耗密度不斷增大，芯片工作時產生的熱量越來越多，如果不能及時地將這些熱量通過散熱器散出，電子元件的溫度就會不停上升，嚴重影響電子元件的可靠性和使用壽命。僅僅依靠電子元件與散熱器的直接接觸，無法有效進行熱量傳導，這是因為熱源表面和散熱器之間總是存在很多微觀的溝壑或空隙，其中80%體積是空氣——熱不良導體，所以嚴重影響了散熱效率。因此，需要使用高導熱的熱界面材料排除間隙中的空氣，增大接觸面積，在電子元件和散熱器之間建立快速導熱的綠色通道。半導體、電子元器件通常對熱都很敏感，過高的熱或長時間的熱都帶來安全方面和實際使用的問題。根據統計資料表明電子設備失效的原因50%是溫度超過限定值引起，電子元器件溫度在70-80℃水平上每升高1℃，可靠性就會下降5%；每升高10℃，失效率呈指數增加一個數量級（即“10℃法則”）。

目前大部分熱界面材料是導熱聚合物，這種材料一般可分為本征型和填充型兩種。其中本征型導熱聚合物常見的有聚苯胺、聚乙炔、聚吡咯等，主要通過聚合物本身超大共軛體系或高度取向性形成導熱通道，不過目前對這類聚合物的研究更多地關注其導電性，對其導熱方面的研究比較少，并且這類聚合物制備和加工工藝復雜，難以實現規模化生產；另一種填充型聚合物制備相比較容易實現，即通過在聚合物中填充高導熱填料，這是導熱界面材料最常見的制備方法。導熱界面材料基本由基體和導熱填料兩部分組成，其中填料對導熱網絡形成至關重要，目前，常見的導熱填料按其成分主要由以下：1、無機非金屬化合物：Al₂O₃，BeO，MgO，ZnO，BN，AlN，Si₃N₄，SiC；2、無機非金屬單質：碳黑、石墨片、碳纖維、碳納米管、石墨烯等；3、金屬粉末：銅、金、銀、鋁等。

填充型高分子的導熱性能由高分子基體和填料共同決定。當填料用量較少的時候，均勻分散在基體中的填料被基體隔開，填料間沒有接觸或相互作用，對復合材料導熱性能的貢獻不大。當填料添加量達到某一臨界值時，填料間互相接觸，形成了鏈狀或網狀的導熱結構，稱為導熱網絡，此時復合材料的導熱性能得以有效提高。導熱聚合物復合材料的導熱性能與填料本身的導熱率、填充量、粒徑大小、幾何形狀、填料在基體中的堆積方式、填料表面處理、聚合物-基體間相互作用等因素密切相關。

碳材料因其具有較高的熱導率，引起了研究者的關注。常見碳材料有石墨(2000W/(m·K))，金剛石(2300W/(m·K))，炭黑、碳納米管(CNT)(3000～3500W/(m·K))，石墨納米片層等。碳納米管有優異的導熱性能，熱導率為3000～3500W/(m·K)，可用作導熱填料。但是，碳納米管在使用中面臨許多問題。雖然有研究表明，碳納米管在填料體積f≤7%時，熱導率提高50%～250%。但是碳納米管并不能與基體良好耦合，其邊界熱阻達10^－7m2·K/W，導致熱導率并不隨添加量增大而明顯提高。并且碳納米管在工業應用中的成本仍舊很高，很難達到碳納米管的定向排列，從而有效提高材料的熱導率。

石墨烯是碳原子以sp2鍵緊密排列成的二維蜂窩狀晶格結構，其導熱性能優于碳納米管。石墨烯具有極高的熱導率，單層石墨烯的熱導率可達5300W/(m·K)，并且有良好的熱穩定性。而且除了有高的熱導率值，石墨烯的二維幾何形狀，與基體材料的強耦合及低成本，都使得石墨烯成為界面材料的理想填料。研究表明，石墨烯基界面導熱材料的熱導率相對傳統界面導熱材料可明顯提高。

發明內容

本發明提出了一種超高導熱率垂直取向石墨烯片/高聚物熱界面材料的制備方法。

本發明的技術方案如下：

第一步，以石墨為原料，采用液相剝離法制備氧化石墨烯，然后高溫還原成石墨烯（厚度為納米級別，大小為幾百納米到幾微米不等）；

第二步，采用熱壓成型工藝制備石墨烯薄膜（具有較高的面內熱導率，~1800/W/m·K）；