[发明专利]沿平面和厚度方向同时具有高导热系数的石墨片及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种沿平面和厚度方向同时具有高导热系数的石墨片及制备方法，具体地说是一种对膨胀石墨沿不同方向进行二次压制的方法。

背景技术

随着计算机、通讯及航空航天等领域科学技术的快速发展，不断增加的导热、散热需求对热管理材料提出更大的要求。例如微电子芯片表面温度必须维持在较低的温度下(如硅器件﹤100℃)才能确保其高性能工作，如果没有充分的热管理保障，极易导致其提前老化或损坏。因此，开发能够对热量进行有效疏导的高导热散射材料成为热管理的关键问题。传统的金属导热材料(如铝、铜等)由于存在密度较大、热膨胀系数较高、易氧化、不耐化学腐蚀等局限性，已很难满足目前日益增长的散热需求。碳材料具有较高的导热系数、较低的密度、低热膨胀系数、优异的力学性能及化学稳定性，是近年来最具发展前景的一类导热材料，因而在能源、通讯、电子等领域具有广阔的应用前景。

膨胀石墨是由天然鳞片石墨经过石墨插层、水洗、干燥、高温膨胀得到的一种疏松多孔的蠕虫状物质。膨胀石墨由于具有规整大块的石墨化壁层，声子传导的阻碍较少，导热效率很高，因而利用膨胀石墨制备高导热石墨片成为人们的研究重点，也出现类似专利的授权或公开。中华人民共和国国家知识产权局授权号为CN101407322B、CN100368342C、CN101458049A等发明专利公布了利用压缩膨胀石墨制备导热板的技术。

以上所述的发明专利仅仅披露了传统的膨胀石墨制备方法和压制工艺，只获得了导热各向异性的石墨导热材料。对于石墨片层，碳原子的晶格震动是材料导热的基础，因此石墨材料中声子传递只能沿着石墨晶面进行高速传导，而对于石墨晶面层间由于距离过远，严重影响声子的传导。在经过石墨压制工艺处理后，石墨晶面在热压作用下沿平面方向取向，因而在导热石墨片中，只有在沿平面方向上具有高导热率(大于100W/(m·K))，而沿厚度方向导热率很低，不到10W/(m·K)(Zhi-Hai Feng,Tong-Qi Li,Zi-Jun Hu,Gao-Wen Zhao,Jun-Shan Wang,Bo-Yun Huang,Low cost preparation of high thermal conductivity carbon blocks with ultra-high anisotropy from a commercial graphite paper,Carbon,2012,50(10):3947–3948.)。中国的专利申请CN100368342C、CN103539111A等公布的石墨导热板的沿厚度方向导热率都在10W/(m·K)以下。将石墨膜剪切后竖起来，测定的沿厚度方向导热系数高达75W/(m·K)，然而沿平面方向导热系数只有2W/(m·K)(Qi-Zhen Liang,Xu-Xia Yao,Wei Wang,Yan Liu,and Ching-Ping Wong,A three-dimensional vertically aligned functionalized multilayer graphene architecture:an approach for graphene-based thermal interfacial materials,ACS nano,2011,5(3):2392-2401.)。现有已公开的发明专利所获得的石墨片沿平面和厚度方向的导热系数远不能满足大型计算机、高集成电子器件等对导热材料导热能力的要求，在碳材料已有优势基础上开发一种沿平面和厚度方向同时具有高导热系数的材料显得尤为重要。

发明内容

本发明针对现有膨胀石墨制备的石墨片巨大的导热各向异性，即只能沿一个方向具有高导热系数(大于100W/(m·K))而在另一方向导热系数过低(小于10W/(m·K))的缺陷，提供一种沿平面和厚度方向同时具有高导热系数的石墨片及其制备方法。沿平面和厚度方向导热系数分别达到80W/(m·K)和50W/(m·K)的石墨片。

本发明采用以下技术方案：

一种沿平面和厚度方向同时具有高导热系数的石墨片；石墨片中的石墨片层呈S型或波浪形排列，沿平面方向导热系数≧80W/(m·K)；沿厚度方向导热系数≧50W/(m·K)。如图1中石墨片及横断面示意图。

本发明的一种沿平面和厚度方向同时具有高导热系数的石墨片的制备方法，步骤如下：

(1)将膨胀率为100～300的膨胀石墨从一个方向上加压成型，获得石墨胚体，然后从另一个方向对石墨胚体进行压制，获得石墨预制体；