[發(fā)明專利]一種碳納米管陣列—金屬復(fù)合散熱材料及其制備方法

在審

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• 申請日: 2019-09-03
• 公開（公告）號: CN112442684A
• 公開（公告）日: 2021-03-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 封偉;陳燦;俞慧濤;馮奕鈺
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: C23C18/12
• 分類號: C23C18/12;B82Y30/00;B82Y40/00
• 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)明公開一種碳納米管陣列—金屬復(fù)合散熱材料及其制備方法，先在金屬片材表面涂覆聚碳硅烷溶液，經(jīng)熱處理轉(zhuǎn)化為碳化硅，而后通過化學(xué)氣相沉積法在碳化硅附載層表面生長碳納米管陣列。所得碳納米管取向方向與金屬片平面方向垂直，均勻致密分布在金屬片材表面，且碳納米管陣列與金屬基底間通過高導(dǎo)熱碳化硅層穩(wěn)固連接，將來自金屬基底的熱量通過熱傳導(dǎo)和熱輻射方式快速向外部環(huán)境擴(kuò)散。針對密閉空間和真空系統(tǒng)的熱對流不足，其散熱能力優(yōu)于傳統(tǒng)金屬散熱材料。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種具有高效散熱性能的碳納米管陣列/金屬復(fù)合材料，屬于導(dǎo)熱復(fù)合材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，電子元器件高密度集成，高效散熱成為限制電子產(chǎn)品性能提升的關(guān)鍵技術(shù)。統(tǒng)計資料表明，電子元器件溫度每上升2℃，可靠性將降低10％，過高的溫度還可能帶來安全隱患。目前，電子元件系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量主要通過熱界面材料傳導(dǎo)至大比表面積金屬散熱結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)向外部定向快速擴(kuò)散。通常，熱界面材料被認(rèn)為是熱傳輸?shù)钠款i，但經(jīng)過多年的發(fā)展，其導(dǎo)熱能力已有顯著提高，如中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局授權(quán)專利CN107053786B所公開的液態(tài)金屬熱界面材料熱導(dǎo)率可達(dá)20～80W/mK，遠(yuǎn)高于市售熱界面材料，如導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱銀膠、相變導(dǎo)熱材料(導(dǎo)熱系數(shù)通常不超過7W/mK)。而大比表面積金屬散熱結(jié)構(gòu)逐漸成為熱傳輸壁壘。金屬散熱主要通過熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射三種方式，隨著電子元件系統(tǒng)進(jìn)一步小型化、密集化，將難以采用強(qiáng)制對流方式將熱量傳導(dǎo)出去，而熱傳導(dǎo)受限于空氣低的熱導(dǎo)率，因此，增強(qiáng)金屬熱輻射為首選方案。

碳納米管自1991年發(fā)現(xiàn)以來，其特有的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)等性質(zhì)及獨特的準(zhǔn)一維管狀分子結(jié)構(gòu)，使其在納米電子器件、儲氫燃料電池等未來高科技領(lǐng)域具有諸多潛在的應(yīng)用價值。碳納米管具有良好的傳熱性能，其軸向的熱導(dǎo)率可達(dá)6000W/(mK)，是熱導(dǎo)率最高的材料之一，因此碳納米管廣泛地用于制備導(dǎo)熱復(fù)合材料。此外，具有規(guī)整取向的碳納米管陣列是目前已知的熱輻射率最高的材料，其將來自基底的熱量通過紅外熱輻射方式向周圍環(huán)境傳輸，將其應(yīng)用于金屬散熱結(jié)構(gòu)可顯著增強(qiáng)綜合散熱性能。

為增強(qiáng)金屬輻射散熱能力，可在金屬表面引入碳納米管輻射層，目前已出現(xiàn)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CN203554877U、CN206014744U等發(fā)明專利公開了在金屬表面引入碳納米管輻射層的技術(shù)，但碳納米管層并非陣列取向結(jié)構(gòu)，而是無規(guī)分布結(jié)構(gòu)，熱輻射能力較弱。此外，碳納米管層與金屬基底間采用聚合物層粘結(jié)，將造成熱傳遞不連續(xù)現(xiàn)象，降低整體散熱性能。因此，在金屬基底表面高導(dǎo)熱聯(lián)接碳納米管陣列，對提高大比表面積金屬散熱結(jié)構(gòu)的散熱能力具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種碳納米管陣列/金屬復(fù)合散熱材料及其制備方法，金屬基底與碳納米管陣列間采用高導(dǎo)熱碳化硅層連接，具有較高輻射散熱能力及整體散熱能力。

本發(fā)明的技術(shù)目的通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)。

一種碳納米管陣列—金屬復(fù)合散熱材料，由碳納米管陣列和金屬組成，碳納米管陣列與金屬表面垂直且均勻分布在金屬表面，在碳納米管陣列與金屬之間通過碳化硅層進(jìn)行連接。

而且，在碳納米管陣列中，碳納米管直徑20～140nm，長度大于190μm(190—800μm)，陣列密度大于5×10⁷cm^-2(5—9×10⁷cm^-2)。

上述材料的制備方法，按照下述步驟進(jìn)行：

步驟1，在金屬表面設(shè)置碳化硅載體層

將聚碳硅烷均勻分散在二甲苯中形成載體層前驅(qū)液，再將載體層前驅(qū)液均勻涂覆于金屬表面，干燥后置于管式爐中，在惰性保護(hù)氣體和氫氣的混合氣氛中，自室溫20—25攝氏度升溫至900—1000攝氏度進(jìn)行保溫，以將聚碳硅烷分解為碳化硅，得到表面附載碳化硅載體層的金屬；

步驟2，碳納米管陣列的生長