[發(fā)明專利]碳納米管陣列/石墨烯導(dǎo)熱復(fù)合材料及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710867364.3
• 申請日: 2017-09-22
• 公開（公告）號: CN109554168A
• 公開（公告）日: 2019-04-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 封偉;呂峰;馮奕鈺;紀(jì)滕霄;曲靜怡;閻清海
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: C09K5/14
• 分類號: C09K5/14;B32B9/00;B32B5/16;B32B9/04;B32B7/08;B32B37/10;B32B37/06;B32B38/08
• 代理公司: 天津創(chuàng)智天誠知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 12214
• 代理人: 王秀奎

本發(fā)明公開了一種碳納米管陣列/石墨烯導(dǎo)熱復(fù)合材料的制備方法，在石墨烯上生長碳納米管陣列并雙向熱壓取向成型導(dǎo)熱石墨片，實現(xiàn)了沿軸向具有高導(dǎo)熱性能的定向碳納米管陣列與在平面方向具有高導(dǎo)熱性能的石墨烯的復(fù)合，經(jīng)過雙向熱壓使得復(fù)合材料致密化，得到熱導(dǎo)率沿平面方向大于500W/(m·K)，沿厚度方向大于20W/(m·K)的石墨復(fù)合導(dǎo)熱片。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及碳納米管陣列/石墨烯導(dǎo)熱復(fù)合材料的制備方法，具體地說是一種在石墨烯上生長碳納米管陣列并雙向熱壓取向成型導(dǎo)熱石墨片的制備方法。

背景技術(shù)

二十一世紀(jì)以來科學(xué)技術(shù)取得了高速的發(fā)展，高效的熱傳導(dǎo)和散熱成為了熱管理材料領(lǐng)域的關(guān)鍵性問題。例如在產(chǎn)熱器件結(jié)構(gòu)工作的過程中，因器件本身的電阻、熱阻、電子渦流等效應(yīng)，產(chǎn)生積累大量熱量，特別是在元件密度極高、散熱空間狹窄的部位，熱流密度會特別大，從而導(dǎo)致整體元件溫度極端不平衡。大部分微電子芯片表面溫度必須維持在較低的水平下(如硅器件﹤100℃)才能確保其高性能工作，許多電子部件需要在40～60℃的溫度下才能正常工作，這對導(dǎo)熱材料提出了越來越高的要求，而器件產(chǎn)熱能否及時排出、器件散熱是否均勻高效是電子器件能否快速穩(wěn)定工作的決定性因素，極大地影響了電子設(shè)備的性能和質(zhì)量。為了及時將這些熱量導(dǎo)出，急切需要開發(fā)質(zhì)量更輕、熱導(dǎo)率更高、性能更加優(yōu)異的導(dǎo)熱新型材料。

石墨烯是由天然鱗片石墨經(jīng)過氧化、插層、剝離得到的一種平面片狀納米材料。石墨烯由于具有規(guī)整有序的石墨原子層，聲子傳導(dǎo)的阻礙較少，面內(nèi)缺陷較少，導(dǎo)熱效率很高，因而利用石墨烯或石墨烯紙制備碳基高導(dǎo)熱材料成為了人們研究的重點，也出現(xiàn)了類似專利的授權(quán)或公開。中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局授權(quán)號為CN103449421B、CN103805144A、CN102573413A等發(fā)明專利公布了利用石墨烯制備導(dǎo)熱片材的技術(shù)。

以上所述的發(fā)明專利僅僅披露了傳統(tǒng)的石墨烯制備方法和復(fù)合工藝，只獲得了具有導(dǎo)熱各向異性的石墨烯導(dǎo)熱材料。而對于石墨烯片層，碳原子的晶格震動是材料導(dǎo)熱的基礎(chǔ)，因此石墨烯紙材料中聲子傳遞只能沿著石墨晶面進行高速傳導(dǎo)，而對于石墨晶面層間由于距離過遠(yuǎn)，嚴(yán)重影響聲子的傳導(dǎo)。在經(jīng)過石墨烯濾膜工藝處理后，石墨烯晶面在熱壓作用下沿平面方向取向，因而在石墨烯導(dǎo)熱片中只有在沿平面方向上具有高熱導(dǎo)率(大于1000W/(m·K))，而沿厚度方向熱導(dǎo)率很低，不到20W/(m·K)(Balandin AA.Thermalproperties of graphene and nanostructured carbon materials.[J].NatureMaterial,2011,10(10):569-81.)。中國的專利申請CN103449421B、CN103805144A等公布的石墨烯導(dǎo)熱板沿厚度方向的熱導(dǎo)率都在10W/(m·K)以下。因此，現(xiàn)有已公開的發(fā)明專利所獲得材料的沿厚度方向?qū)嵯禂?shù)遠(yuǎn)不能滿足大型計算機、高集成電子器件等對導(dǎo)熱材料導(dǎo)熱能力的要求，在碳材料已有優(yōu)勢基礎(chǔ)上開發(fā)一種同時具有沿厚度和平面方向的高導(dǎo)熱、低各向異性的材料顯得尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對現(xiàn)有冷壓石墨烯或膨脹石墨制備的石墨紙導(dǎo)熱片沿厚度方向熱導(dǎo)率過低的不足，提供一種沿平面和厚度方向均具有較高導(dǎo)熱性能即低導(dǎo)熱各向異性的導(dǎo)熱石墨片及其制備方法。沿平面和厚度方向熱導(dǎo)率分別達(dá)到500-550W/(m·K)和20-50W/(m·K)的石墨導(dǎo)熱片，如圖1所示。

為實現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的技術(shù)方案是：

一種碳納米管陣列/石墨烯導(dǎo)熱復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：