[发明专利]一种石墨烯纳米复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料领域，尤其涉及一种石墨烯纳米复合材料及其制备方法。

背景技术

随着现代电子器件的飞跃发展，如计算机，智能手机，掌上电脑等的CPU运算速度越来越快，将会在芯片的局部产生大量的热量，必须通过有效的散热材料把局部热量迅速散开来。特别是随着电子元器件的小型化，会在更小的局部区域产生热点，如果不把热点及时散出去，会影响电子器件的效率和寿命。另外近年来开发的高功率照明用的LED照明，发光过程中也会产生大量的热量，如果不及时散出，不但会降低LED发光半导体的光输出效率，如当LED结温（PN结区的温度）升高到80℃时，白光LED的光输出功率会降低到85%；而且大大降低其使用寿命，如一般电子零件的温度每升高10℃，寿命会变成约一半。因此散热问题是当前半导体及半导体照明技术发展的技术瓶颈。另外，高导热材料在传统的应用领域如航空航天也有很大的应用空间。

传统的高导热材料主要是金属材料，如银、铜、金、铝等，但它们的热导率不够理想:如银的热导率427W/mK、铜的热导率398W/mK、金的热导率315W/mK，而铝的热导率只有237W/mK。而且金属材料的密度大，膨胀系数高。材料密度大对散热材料在航空航天领域、轻型化的手持电子领域应用是个问题；膨胀系数太高，不利于散热材料与其它材料匹配，容易因为温差产生较大的界面热阻。

碳材料是热导率极高的材料，且密度低，重量轻，热膨胀系数极小，所以被用来作为新型的导热材料使用。高导热碳材料主要有金刚石及类金刚石膜、天然石墨、人工石墨、高导热碳纤维及其复合材料、碳纳米管及复合材料等，特别值得一提的是近年来发现的石墨烯具有极好的导热性能，其热导率高达5300W/mK，而且柔韧性好，机械性能优越，逐渐被纳入作为新的导热材料的应用行列里来。

石墨材料（天然石墨和人工石墨）因为其资源丰富，制备工艺相对简单，所以其应用更为广泛。常用来制备石墨基散热材料的工艺主要有两种:

一种是经过把有机前驱体（如中间相沥青、聚酰亚胺(PI)等）成型，碳化，高温石墨化。这种工艺形成的石墨材料石墨化程度较高，结构规整，缺陷少，其导热率能达到1900W/mK。但这种工艺时间长，高温耗能大，所以成本高，不利于大规模化生产。

另一种工艺是采用天然石墨加工成的膨胀石墨作为原料压制出高导热石墨材料。这种工艺能把成本大大降低，但是石墨材料本身晶粒尺寸有限，对于由石墨颗粒压制的宏观的板材，石墨晶粒之间的界面热阻是制约整体导热率的主要因素。另外石墨的导热是单向的，即基面方向（XY方向）的导热率极高，而棱面方向（Z方向）是由单层石墨烯规则堆积而成，导热率很低。为提高采用天然石墨压制的石墨板材的导热率，即使采用〉2000摄氏度的高温对其进行长时间的石墨化处理，也很难消除大量缺陷特别是晶界的存在。为此，人们采用石墨材料与金属复合的方式，在低能耗的工艺下制备导热材料。如专利CN101151384A采用银、铜、铝等高导热率金属包覆大粒径石墨颗粒，然后压制成石墨/金属复合体导热材料。专利申请号CN102344780A提出把金属颗粒规则放置在加工成的石墨材料表面，通过进一步加热到金属熔点温度，使金属颗粒溶解形成部分渗入到石墨表面，从而形成石墨/金属复合结构，提高了热源对石墨材料的导热。但由于石墨与金属的浸润性差，所采用的金属并不能很好的填充石墨颗粒间的空隙。另外金属的导热性比石墨颗粒基面方向的导热性要差很多。所以石墨颗粒与金属复合形成的板材并不能解决根本的提高导热性的问题。

因为石墨烯层片本身具有优异的导热特性，近年来人们开始把导热应用的目光集中到石墨烯材料领域。从材料结构及工艺加工性等来看，石墨烯材料能够取代天然石墨，采用第二种成本较低的工艺加工成新一代高导热材料。

石墨烯是单层或数层碳原子层结构，制备石墨烯的工艺方法主要有机械剥离法，化学氧化法，电化学剥离法，CVD法等等。目前根据实际应用比较有工业应用前景的工艺主要是化学氧化法和CVD法。化学氧化法采用天然石墨为原料，经过强氧化剂的氧化及酸的插层，然后采用超声、高温膨胀、微波膨胀等工艺剥离被氧化的石墨烯原子层并进一步还原成石墨烯结构。采用这种工艺制备的石墨烯材料可以应用在复合材料、储能材料、导热材料等需要一定量的领域。而CVD工艺是采用金属催化剂作为载体，在高温下通过碳源裂解沉积石墨烯膜到其表面上。CVD工艺能够制备单层和几层大面积晶化程度较高的石墨烯，这种石墨烯适合应用的领域包括取代ITO材料的透明导电薄膜，电子器件，传感器器件等。