[发明专利]一种高导热天然柔性石墨薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于一种高导热的天然柔性石墨薄膜的制备方法。

背景技术

天然柔性石墨是美国联合碳化物公司于1963年首先研制成功，它是以天然磷片石墨为原料，经提纯、酸化插层、膨化、压制或辊压而成的一种石墨卷材或板材，即天然柔性石墨。天然柔性石墨由于具有良好的化学稳定性、耐高低温、耐腐蚀、耐辐射、导热性能好、导电能力强，且具有良好的柔韧性、压缩回弹性等诸多优点，目前已广泛应用于电子、石油、化工、冶金等密封领域。

近些年来，基于天然柔性石墨其组成结构单元——石墨微晶的高热导性，国内外学者开始注重高导热柔性石墨薄膜材料的研发。柔性石墨薄膜具有超高的热导率、低密度、低热膨胀系数、良好的高温稳定性能等优异性能，是近年来最具发展前景的一类薄膜散热材料。在一些散热的器件上取代传统金属材料，不仅有利于电子器件的小型化微型化和高功率密度化，而且可以有效地减轻器件的重量；同时可用于高端电子器件设备，达到高效散热、使用安全、寿命长的目的。影响天然柔性石墨薄膜导热性能的因素较多，主要包括原料天然鳞片石墨颗粒尺寸、纯度、插层试剂、膨胀倍数以及石墨蠕虫的压延取向性和密度等。为了获得高导热的柔性石墨薄膜，国内外科研人员进行了大量的研究工作。Vovchenko等人（Thermal characterization expanded graphite and its composites. Inorganic Materials. 2007, 43(6):597-601(膨胀石墨及其复合材料的热性能评价)）以浓硫酸为氧化插层剂，在不同温度下膨化制得石墨蠕虫，然后经辊压制得高导热柔性石墨。通过系统研究不同密度的柔性石墨与热导率之间的内在联系，发现柔性石墨的C轴方向热导率随体积密度的变化存在一个拐点，当体积密度低于1.5g/cm³时，热导率随密度的增加而降低；当密度高于1.5g/cm³时，又随密度的增加而增加。美国GrafTech公司对高导热柔性石墨进行了深入广泛的应用研究，已开发的高导热柔性石墨已用于数字信息显示屏、液晶显示屏、等离子显示板、手机、笔记本电脑、流场板等领域，均取得了明显的散热效果。柔性石墨片能在二维方向具有热分布均匀、消除局部热斑，同时在第三维方向有减小接触温度的独特能力，是常用的铝、 铜各向同性材料所无法比拟的。这种将导热性和屏蔽性结合在一体的优势，使得柔性石墨片成为在解决热控制问题时的一种理想的材料选择。目前，美国GrafTech公司已制备出系列高导热柔性石墨薄膜产品，其导热系数最高达到600W/m.K以上。但该材料在制备过程中，使用浓H₂SO₄为插层剂，导致最终产品中有S残留，在应用中易引发接触部件腐蚀。

发明内容

本发明的目的是提供一种无硫、无腐蚀，高导热性能，厚度可控的天然柔性石墨薄膜的制备方法。

本发明是以一定颗粒尺寸的高纯天然鳞片石墨为插层宿主材料，利用高氯酸(HClO₄)为插层剂、硝酸（HNO₃）为氧化剂，经氧化插层反应后制备出高氯酸/石墨层间化合物（HClO₄-GIC）；然后在一定温度下膨化处理，制备出中间产物膨胀石墨。最后在压延机上辊压膨胀石墨制成高导热柔性石墨薄膜材料。本发明提出的高导热柔性石墨薄膜材料，其具体制备方法包括如下工艺步骤：

（1）按重量百分比为55－70wt%的高氯酸(HClO₄)与1－6wt%的硝酸（HNO₃），将HClO₄与HNO₃进行混合, 混合后，将重量百分比为28－40wt%天然鳞片石墨加入其中搅拌1－3min，得到混合物；

（2）将步骤(1)得到的混合物加热到15－100℃，反应5－60min，得到高氯酸/石墨层间化合物（HClO₄-GIC）；

（3）将步骤（2）得到的高氯酸/石墨层间化合物用去离子水进行洗涤至pH值为5－7，然后将其于80－105℃烘干处理2－6h，得到干燥高氯酸/石墨层间化合物；

（4）将步骤（3）得到的干燥高氯酸/石墨层间化合物进行膨化处理，其中膨化温度为850－1050℃，膨化时间为3－15s，膨化后冷却至室温，得到可膨胀石墨；

（5）将步骤（4）得到的可膨胀石墨置入压延机中，在线压力为40－80MPa条件下进行辊压处理，得到高导热天然柔性石墨薄膜。