[發明專利]一種含有石墨烯的復合導熱填料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201611112687.3
• 申請日: 2016-12-06
• 公開（公告）號: CN108148452B
• 公開（公告）日: 2023-05-19
• 發明（設計）人: 任文才;馬超群;成會明
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C09C1/44
• 分類號: C09C1/44;C09C3/06;C09K5/14
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 許宗富;周秀梅

本發明公開了一種含有石墨烯的復合導熱填料及其制備方法和應用，屬于新材料及其應用技術領域。利用化學氣相沉積法在適宜溫度和氣氛下在氧化鋁等耐高溫的常規導熱填料表面生長石墨烯層，制備出石墨烯層包覆于基體填料表面的復合導熱填料。所制備復合導熱填料顆粒石墨烯均勻緊密的包覆基體填料表面，形成完整穩定的殼層結構。由于石墨烯自身優異的導熱性能，應用此種復合導熱填料可使所制備的復合材料導熱性能較直接使用常規導熱填料在相同添加量下獲得達4倍的提升，制備的導熱復合材料導熱率可達15W/mK。此種石墨烯復合導熱填料制備工藝簡單，可大規模工業化生產，作為新型高效導熱填料應用于導熱復合材料的制備。

技術領域

本發明涉及新材料及其應用技術領域，具體涉及一種含有石墨烯的復合導熱填料及其制備方法和應用。

背景技術

隨著科技的發展，電子元器件的微型化及多功能化對器件的散熱性提出了更高的要求。器件的散熱問題已成為迅速發展的電信產業面臨的技術“瓶頸”。與傳統金屬材料相比，導熱高分子復合材料具有輕質、柔性、耐腐蝕等優勢，且能制備成傳統金屬材料無法實現的導熱界面材料。一般來說，有機高分子基體本身都是熱的不良導體，直接使用無法獲得理想的導熱性能。復合材料中需加入大量導熱的填料以實現導熱效果。傳統的導熱填料一般存在自身密度過大、價格昂貴(如銀)或自身導熱性能偏低(如氧化鋁)等缺點，嚴重制約了復合材料導熱性能的進一步提升。

研究表明，石墨烯具有優異的導熱性能，其導熱系數高達5300W?m^-1K^-1，遠高于碳納米管和金剛石。此外石墨烯是由單層碳原子構成的蜂窩狀完美晶格，具有很高的結構穩定性和化學穩定性。因此石墨烯作為一種新型高效的導熱填料具有很大的應用潛力。但是如將石墨烯直接作為導熱填料單獨使用也存在著難分散，成本高，對影響復合材料力學性能等方面的問題。

發明內容

為了解決石墨烯材料應用中遇到的上述問題，本發明提供一種含有石墨烯的復合導熱填料及其制備方法和應用。本發明將石墨烯與傳統導熱填料復合，顯著提升傳統導熱填料的導熱性能，同時克服了石墨烯徑厚比大，易團聚，作為納米材料分散困難，影響復合材料力學性能，單獨使用成本高等問題。

為實現上述目的，本發明所采用的技術方案如下：

一種含有石墨烯的復合導熱填料，該復合導熱填料是由石墨烯均勻緊密包覆于導熱填料基體表面形成的殼核結構，其中：所述石墨烯在復合導熱填料中所占的重量百分比為0.5-55％。

所述導熱填料基體為氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、碳化硅或氧化鋅等常用的耐高溫的導熱填料，所述導熱填料基體粒徑范圍為100nm-3mm。

所述復合導熱填料的粒徑大小和形狀通過選用不同粒徑和形狀的導熱填料基體進行調節。

所述含有石墨烯的復合導熱填料的制備方法，是利用化學氣相沉積法在導熱填料基體表面生長石墨烯層，制備出石墨烯包覆于導熱填料基體表面的復合導熱填料。該方法具體包括如下步驟：

(1)在載氣保護氣氛下將反應爐腔體加熱到設定溫度(800-1600℃)；

(2)向反應爐腔體恒溫區內加入所需量的導熱填料基體，保溫5min-1h；

(3)通入碳源氣體氫氣的混合氣，混合氣中甲烷和氫氣的流量比1：(40-80)，反應時間10min-6h；

(4)在載氣保護氣氛下將制得的含有石墨烯的復合導熱填料取出。

所述化學氣相沉積的溫度范圍為800-1600℃。

所述化學氣相沉積過程中，所用載氣為氬氣和氮氣中的一種或兩種，載氣流量根據反應腔體體積而定；所用碳源氣體為甲烷、乙烷、乙烯和乙炔中的一種或幾種。