[发明专利]一种垂直取向石墨烯片/高聚物热界面材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于导热界面材料的制备领域，具体为一种高热导率垂直取向石墨烯片/高聚物热界面材料的制备方法。

背景技术

热界面材料（ThermalInterfaceMaterials,TIMs）在电子元件散热领域应用广泛，它可填充于电子元件与散热器之间以驱逐其中的空气，使电子元件产生的热量能更快速地通过热界面材料传递到散热器，达到降低工作温度、延长使用寿命的重要作用。随着芯片的集成度不断提高和功耗密度不断增大，芯片工作时产生的热量越来越多，如果不能及时地将这些热量通过散热器散出，电子元件的温度就会不停上升，严重影响电子元件的可靠性和使用寿命。仅仅依靠电子元件与散热器的直接接触，无法有效进行热量传导，这是因为热源表面和散热器之间总是存在很多微观的沟壑或空隙，其中80%体积是空气——热不良导体，所以严重影响了散热效率。因此，需要使用高导热的热界面材料排除间隙中的空气，增大接触面积，在电子元件和散热器之间建立快速导热的绿色通道。半导体、电子元器件通常对热都很敏感，过高的热或长时间的热都带来安全方面和实际使用的问题。根据统计资料表明电子设备失效的原因50%是温度超过限定值引起，电子元器件温度在70-80℃水平上每升高1℃，可靠性就会下降5%；每升高10℃，失效率呈指数增加一个数量级（即“10℃法则”）。

目前大部分热界面材料是导热聚合物，这种材料一般可分为本征型和填充型两种。其中本征型导热聚合物常见的有聚苯胺、聚乙炔、聚吡咯等，主要通过聚合物本身超大共轭体系或高度取向性形成导热通道，不过目前对这类聚合物的研究更多地关注其导电性，对其导热方面的研究比较少，并且这类聚合物制备和加工工艺复杂，难以实现规模化生产；另一种填充型聚合物制备相比较容易实现，即通过在聚合物中填充高导热填料，这是导热界面材料最常见的制备方法。导热界面材料基本由基体和导热填料两部分组成，其中填料对导热网络形成至关重要，目前，常见的导热填料按其成分主要由以下：1、无机非金属化合物：Al₂O₃，BeO，MgO，ZnO，BN，AlN，Si₃N₄，SiC；2、无机非金属单质：碳黑、石墨片、碳纤维、碳纳米管、石墨烯等；3、金属粉末：铜、金、银、铝等。

填充型高分子的导热性能由高分子基体和填料共同决定。当填料用量较少的时候，均匀分散在基体中的填料被基体隔开，填料间没有接触或相互作用，对复合材料导热性能的贡献不大。当填料添加量达到某一临界值时，填料间互相接触，形成了链状或网状的导热结构，称为导热网络，此时复合材料的导热性能得以有效提高。导热聚合物复合材料的导热性能与填料本身的导热率、填充量、粒径大小、几何形状、填料在基体中的堆积方式、填料表面处理、聚合物-基体间相互作用等因素密切相关。

碳材料因其具有较高的热导率，引起了研究者的关注。常见碳材料有石墨(2000W/(m·K))，金刚石(2300W/(m·K))，炭黑、碳纳米管(CNT)(3000～3500W/(m·K))，石墨纳米片层等。碳纳米管有优异的导热性能，热导率为3000～3500W/(m·K)，可用作导热填料。但是，碳纳米管在使用中面临许多问题。虽然有研究表明，碳纳米管在填料体积f≤7%时，热导率提高50%～250%。但是碳纳米管并不能与基体良好耦合，其边界热阻达10^－7m2·K/W，导致热导率并不随添加量增大而明显提高。并且碳纳米管在工业应用中的成本仍旧很高，很难达到碳纳米管的定向排列，从而有效提高材料的热导率。

石墨烯是碳原子以sp2键紧密排列成的二维蜂窝状晶格结构，其导热性能优于碳纳米管。石墨烯具有极高的热导率，单层石墨烯的热导率可达5300W/(m·K)，并且有良好的热稳定性。而且除了有高的热导率值，石墨烯的二维几何形状，与基体材料的强耦合及低成本，都使得石墨烯成为界面材料的理想填料。研究表明，石墨烯基界面导热材料的热导率相对传统界面导热材料可明显提高。

发明内容

本发明提出了一种超高导热率垂直取向石墨烯片/高聚物热界面材料的制备方法。

本发明的技术方案如下：

第一步，以石墨为原料，采用液相剥离法制备氧化石墨烯，然后高温还原成石墨烯（厚度为纳米级别，大小为几百纳米到几微米不等）；

第二步，采用热压成型工艺制备石墨烯薄膜（具有较高的面内热导率，~1800/W/m·K）；