[发明专利]碳纳米管/石墨烯复合薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料制备领域，具体涉及一种碳纳米管/石墨烯复合薄膜及其制备方法。

背景技术

随着工业技术的发展，微电子、LED及高能武器等领域对材料的热导性能提出更高要求，主要是需求高导热的热扩散材料。具体而言，电子线路板上的元器件日益密集，使得电子芯片热流密度增大，热量难以迅速传导出去，芯片温度升高，导致产品失效，因此电子产品的热量管理成为产品设计的重要课题。此外，新兴的LED产业也面临着芯片散热问题，其芯片温度的上升将大大降低LED的寿命，并且温度的上升还将降低LED的发光效率，因此LED散热控温技术成为LED的核心技术之一。以大功率激光武器为代表的高能武器装备同样也存在局部热流密度高造成散热困难的问题，而其元器件也迫切需要一个相对低温的环境才能可靠运行，这也是散热系统需要解决的问题。

石墨烯具有优异的导热性能，室温下其面内热导率高达5300W/mK，是热导率最高的材料。现有的石墨烯薄膜散热材料是由石墨烯片通过一定方式组装为薄膜结构，微观结构是紧密堆积石墨烯片层。现有的石墨烯导热薄膜中石墨烯片层之间主要通过范德华力相互作用，片层间传热效率低，并不能满足高导热需求。碳纳米管轴向方向具有高导热性能，碳纳米管在室温下沿轴向的热导率可达约3000W/mK～3500W/mK。

目前报道的碳纳米管/石墨烯复合材料主要通过液相机械混合法制备，如申请号为201310693751.1的中国专利文献《一种石墨烯-碳纳米管复合材料薄膜及其制备方法》（张家港康德新光电材料有限公司申请）。申请号为201410157857.4的中国专利文献《一种碳纳米管/石墨烯复合材料的制备方法》（西南石油大学申请）公开的方法是将碳纳米管与氧化石墨烯简单物理混合，然后还原氧化石墨烯，再变成碳纳米管与石墨烯的混合材料，这样的复合材料中碳纳米管随机分散在石墨烯片层上，并没有起到连接石墨烯片层作用，没有发挥碳纳米管轴向的高导热性能。因此，制备碳纳米管定向排列在石墨烯表面、联通石墨烯片的三维网络复合材料成为研究重点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种面内方向和厚度方向都有高导热性能的碳纳米管/石墨烯复合薄膜及其制备方法，将其应用到散热系统中，解决高热流密度领域的散热问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种碳纳米管/石墨烯复合薄膜，所述碳纳米管/石墨烯复合薄膜是由石墨烯片层堆积而成，所述石墨烯片层之间生长有碳纳米管，轴向为竖直方向的碳纳米管连接上下层石墨烯片层，轴向为水平方向的碳纳米管连接左右相邻的石墨烯片层。

上述的碳纳米管/石墨烯复合薄膜中，优选的，所述碳纳米管包括单壁碳纳米管和/或多壁碳纳米管。

上述的碳纳米管/石墨烯复合薄膜中，优选的，所述碳纳米管/石墨烯复合薄膜的厚度为3μm～40μm。

上述的碳纳米管/石墨烯复合薄膜中，优选的，所述碳纳米管/石墨烯复合薄膜的面内方向（即水平方向）热导率为500W/mK～1200W/mK，厚度方向热导率为0.1W/mK～20W/mK。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的碳纳米管/石墨烯复合薄膜的制备方法，包括以下步骤：

（1）将石墨烯类物质加入到极性溶剂中，搅拌并辅助超声分散，得到溶液A；

（2）将高分子碳源和过渡金属催化剂前驱体溶解于极性溶剂中，搅拌并辅助超声分散，得到溶液B；

（3）将上述所得的溶液A和溶液B混合，搅拌并辅助超声分散，直至混合均匀，得到混合溶液；

（4）将步骤（3）得到的混合溶液进行过滤，过滤后将滤膜烘干，再将滤膜上的滤饼揭下，得到掺杂石墨烯类物质薄膜；

（5）将步骤（4）得到的掺杂石墨烯类物质薄膜置于炉中，在还原气体和惰性气体中，先加热升温至150℃～300℃，保温20min～60min，再升温至600℃～1200℃，保温30min～120min，得到碳纳米管/石墨烯复合薄膜。

上述的制备方法中，优选的，所述步骤（2）中，所述高分子碳源与过渡金属催化剂前驱体的质量比值为1～20∶1。

上述的制备方法中，优选的，所述溶液A中石墨烯类物质的浓度为0.1mg/ml～10mg/ml，所述溶液B中高分子碳源的浓度为0.25mg/ml～2.5mg/ml，所述溶液A与溶液B混合时的体积比为1∶1～5。