一種具有石墨烯的熱界面材料及其製備方法與流程
2023-05-02 17:33:01
本發明涉及材料技術領域，特別涉及一種具有石墨烯的熱界面材料及其製備方法。
背景技術：
電子設備中晶片等發熱元件工作時產生的熱量通常需藉助散熱器件實現熱量向外部的擴散。從微觀角度看，發熱元件與散熱器件之間的接觸界面都存在很多的凹凸不平，需使用熱界面材料(Thermal Interface Materials，TIM)填充發熱元件與散熱器件的接觸界面，降低接觸熱阻。隨著電子設備的微型化、輕量化和高密度化的發展。
目前，業界導熱效果比較好的熱界面材料是通過在鋯金屬箔的兩個表面生長碳納米管陣列而形成的。但由於該熱界面材料內鋯金屬箔的界面熱阻較大，所以導致該熱界面材料的導熱性能相對較差。
技術實現要素：
為了解決熱界面材料內鋯金屬箔的界面熱阻較大，導致該熱界面材料的導熱性能相對較差的問題，本發明提供了一種具有石墨烯的熱界面材料，包括鋁金屬箔、石墨烯薄膜和碳納米管陣列，鋁金屬箔具有第一表面以及與第一表面相對的第二表面，石墨烯薄膜覆蓋在鋁金屬箔的第一表面，碳納米管陣列中的納米管分布在石墨烯薄膜的表面和第二表面，鋁金屬箔的第二表面包括裸露的鋁金屬。
本發明由於鋁金屬箔的第二表面包括裸露的金屬，降低了熱界面材料的界面熱阻，提高了熱界面材料的導熱性能，且用鋁金屬代替現有技術中的鋯金屬，進一步提高了導熱性。另一方面，石墨烯與碳納米管均有優異的導熱性能，石墨烯覆蓋在鋁金屬箔的第一表面，更進一步提高了導熱性。
在一些實施方式中，碳納米陣列管垂直於石墨烯薄膜的表面和鋁金屬箔的第二表面。由此，儘量保證碳納米管的垂直導熱性。需要說明的是，此處的垂直不是百分百的垂直，在本領域技術誤差範圍內，即可認為垂直。
在一些實施方式中，碳納米管陣列中相鄰兩個碳納米管之間的空隙中填充有聚合納米纖維。由此，由於熱界面材料界面熱阻主要是由於界面處金屬基材表面的金屬氧化物和碳納米管之間的空氣所致的，採用導熱性能比現有技術的樹脂更優秀的聚合納米纖維來填充相鄰兩個碳納米管之間的空隙，進一步提高熱界面材料的導熱性能。
在一些實施方式中，鋁金屬箔的厚度為10～50μm，石墨烯薄膜的厚度為10～50nm，碳納米管的質量密度為0.2～0.3g/cm3。由此，這些參數的選擇極大的提升了熱界面材料的導熱性能。
在一些實施方式中，碳納米管之間的間距為10～100nm，聚合納米纖維的直徑尺寸為1～50nm。由此，即保證了碳納米管的生長容易度，也保證了碳納米管陣列的導熱效果。
本發明還提供了一種用於製備上述的具有石墨烯的熱界面材料的方法，包括以下步驟：
S1：在鋁金屬箔的第一表面生長石墨烯薄膜；
S2：在石墨烯薄膜的表面和鋁金屬箔的第二表面生長碳納米管陣列；
S3：對鋁金屬箔的第二表面進行還原反應，使第二表面包括裸露的鋁金屬箔，得到的熱界面材料。
本發明的製備具有石墨烯的熱界面材料的方法在鋁金屬箔的表面形成碳納米管陣列之後，對鋁金屬箔的第二表面進行還原反應，使得得到的界面材料中鋁金屬箔的第二表面包括裸露的鋁金屬，降低了熱界面材料的界面熱阻，提高了熱界面材料的導熱性能。
在一些實施方式中，還原反應具體為把生長有石墨烯薄膜和碳納米管陣列的鋁金屬箔放在H2氣氛中進行退火還原處理。由此，由於H2可以的與鋁金屬箔表面氧化物中的O原子進行還原反應，生成H2O，還原效果好，可以有效降低了熱界面材料的界面熱阻。
在一些實施方式中，在H2氣氛中進行退火還原處理過程中，H2流量為50～80sccm，氣壓為0.1～0.5MPa，退火處理溫度為400～500℃，退火處理時間為10～20min。此為經試驗所得到的，H2與鋁金屬箔表面氧化物中的O原子進行還原反應的效果最佳的條件。
在一些實施方式中，還包括步驟S4：在真空中採用蒸鍍工藝，在碳納米管陣列中相鄰兩個碳納米管之間填充聚合納米纖維，得到熱界面材料。由此，由於熱界面材料界面熱阻主要是由於界面處金屬基材表面的金屬氧化物和碳納米管之間的空氣所致的，採用導熱性能比現有技術的樹脂更優秀的聚合納米纖維來填充相鄰兩個碳納米管之間的空隙，進一步提高熱界面材料的導熱性能。
在一些實施方式中，蒸鍍工藝條件：溫度為100～200℃，工作氣壓為10～30Torr。此為經多次試驗得到的最佳條件。
附圖說明
圖1是本發明實施例1的具有石墨烯的熱界面材料示意圖；
圖2是本發明實施例2的具有石墨烯的熱界面材料的示意圖；
圖3是本發明實施例3的具有石墨烯的熱界面材料的製備方法的流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明具體實施方式做進一步說明。
實施例1
如圖1所示，本實施例中的具有石墨烯的熱界面材料包括鋁金屬箔1、石墨烯薄膜2和碳納米管陣列3，鋁金屬箔具有第一表面以及與第一表面相對的第二表面，石墨烯薄膜覆蓋在鋁金屬箔的第一表面，碳納米管陣列中的納米管分布在石墨烯薄膜的表面和第二表面，鋁金屬箔的第二表面包括裸露的鋁金屬。由於鋁金屬箔的第二表面包括裸露的金屬，降低了熱界面材料的界面熱阻，提高了熱界面材料的導熱性能，且用鋁金屬代替現有技術中的鋯金屬，進一步提高了導熱性。另一方面，石墨烯與碳納米管均有優異的導熱性能，石墨烯覆蓋在鋁金屬箔的第一表面，更進一步提高了導熱性。本實施裡中碳納米管陣列3垂直於石墨烯薄膜2的表面和鋁金屬箔1的第二表面。這樣可儘量保證碳納米管的垂直導熱性。需要說明的是，此處的垂直不是百分百的垂直，在本領域技術誤差範圍內，即可認為垂直。本實施例中，鋁金屬箔1的厚度為30μm，石墨烯薄膜2的厚度為20nm，碳納米管的質量密度為0.2g/cm3。這些參數的選擇極大的提升了熱界面材料的導熱性能。
實施例2
由於熱界面材料界面熱阻主要是由於界面處金屬基材表面的金屬氧化物和碳納米管之間的空氣所致的，在實施例1的基礎上，如圖2所示，在碳納米管陣列3中相鄰兩個碳納米管之間的空隙中填充有聚合納米纖維4，採用導熱性能比現有技術的樹脂更優秀的聚合納米纖維4來填充相鄰兩個碳納米管之間的空隙，進一步提高熱界面材料的導熱性能。本實施例中鋁金屬箔1的厚度為40μm，石墨烯薄膜2的厚度為40nm，碳納米管的質量密度為0.3g/cm3，碳納米管之間的間距為80nm，聚合納米纖維4的直徑尺寸為30nm。這些參數保證了碳納米管的生長容易度，也保證了碳納米管陣列的導熱效果。通過電解過程生產製造出了排列整齊的聚合物納米纖維。該聚合物納米纖維用作導熱新材料，其導熱效率比常規聚合物導熱效率提高了20倍，經過改善的聚合物納米纖維導熱材料在溫度高達200攝氏度時仍具有非常高的可靠性。
在其它實施方式中，各參數可在以下範圍內選擇：鋁金屬箔的厚度為10～50μm，石墨烯薄膜的厚度為10～50nm，碳納米管的質量密度為0.2～0.3g/cm3，碳納米管之間的間距為10～100nm，聚合納米纖維的直徑尺寸為1～50nm。
本發明的熱界面材料可應用於導熱片或兩種需要導熱的介質的中間連接部件中。
實施例3
如圖3所示，本實施例中的用於製備上述的熱界面材料的方法，包括以下步驟：
S1：在鋁金屬箔的第一表面生長石墨烯薄膜；石墨烯薄膜的生長方法為本領域中的現有技術方法，本發明不作規定。
S2：在石墨烯薄膜的表面和鋁金屬箔的第二表面生長碳納米管陣列；碳納米管陣列的生長方法也是通過催化法，採用本領域的現有技術製備，本發明不作規定。
S3：對鋁金屬箔的第二表面進行還原反應，使第二表面包括裸露的鋁金屬箔，得到的熱界面材料。還原反應具體為把生長有石墨烯薄膜和碳納米管陣列的鋁金屬箔放在H2氣氛中進行退火還原處理。由於H2可以的與鋁金屬箔表面氧化物中的O原子進行還原反應，生成H2O，還原效果好，可以有效降低了熱界面材料的界面熱阻。在H2氣氛中進行退火還原處理過程中，H2流量為60sccm，氣壓為0.3MPa，退火處理溫度為500℃，退火處理時間為10min。此為經試驗所得到的，H2與鋁金屬箔表面氧化物中的O原子進行還原反應的效果最佳的條件。在其它實施方式中，還原參數可從以下範圍中選擇：H2流量為50～80sccm，氣壓為0.1～0.5MPa，退火處理溫度為400～500℃，退火處理時間為10～20min。
S4：在真空中採用蒸鍍工藝，在碳納米管陣列中相鄰兩個碳納米管之間填充聚合納米纖維，得到熱界面材料。由於熱界面材料界面熱阻主要是由於界面處金屬基材表面的金屬氧化物和碳納米管之間的空氣所致的，採用導熱性能比現有技術的樹脂更優秀的聚合納米纖維來填充相鄰兩個碳納米管之間的空隙，進一步提高熱界面材料的導熱性能。聚合納米纖維也可採用現有技術中的靜電紡絲法、熔噴法、界面聚合法等製備，本發明不對其製備方法限定，目前較好的製備方法為電解法。本實施例中的蒸鍍工藝條件：溫度為200℃，工作氣壓為10Torr。此為經多次試驗得到的最佳條件。在其它實施方式中，蒸鍍工藝條件可從以下範圍中選擇：蒸鍍工藝條件：溫度為100～200℃，工作氣壓為10～30Torr。
以上所述的僅是本發明的一些實施方式，應當指出，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明的創造構思的前提下，還可以做出其它變形和改進，都屬於本發明的保護範圍。