[发明专利]一种石墨烯基环氧树脂复合热界面材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新型材料制备领域，具体涉及一种石墨烯基环氧树脂复合材料制备方法，以提高电子元件之间的热界面材料导热性能。

背景技术

近年来，微电子器件正朝着小型化、轻质化和大功率化的方向不断发展。要实现电子元器件的持续小型化不仅仅依赖于纳米技术的发展，同时与器件的散热能力密切相关。众所周知，温度波动将对电子器件的运行可靠性及使用寿命产生显著影响。因此，如何更好的实现电子器件在工作时的快速散热引起科学界的普遍关注。目前最常用的方法是在电子元件之间的空隙中填入热界面材料，以减小元件之间的接触热阻，提高热输运效率。其中环氧树脂材料成为热界面材料的首选，环氧树脂由含有两个及两个以上环氧基的分子聚合而成的低聚物，由于具有优良的化学性能和物理性能，价格低，与各种材料粘结性能好，以及工艺灵活性是其他热固性材料所不能比拟的，可作为涂料、胶粘剂、复合材料树脂基体、电子封装材料等不同领域都发挥了巨大的作用，对于其密度低、不易腐蚀及弹性良好等优点成为热界面材料的首选，但是其导热性较差，需要向其中加入热导填料才能达到热界面材料所需的热导率。

在目前已知的材料中，石墨烯以其高热导性能、力学性能以及电化学性能等倍受科学界的关注，特别是近些年其高热导性能的研究应用方面，从而改变电子器件等散热性能。研究表明单层石墨烯的热导率高达5000W·m^-1·K^-1，是金属铜的12.5倍。因此石墨烯被看做是热导填料的最佳候选之一，科研人员对此开展了相关研究。Shahi等采用石墨烯和碳纳米管作为填料，共同修饰环氧树脂，大幅度提高了其热导率，其中石墨烯含量为50vol％，碳纳米管的含量为0.36vol％。Bonnet等报道了石墨烯和碳纳米管改性的环氧纳米流体和纳米复合物，所制备的复合物具有很高的热导率。中国专利CN103408895A提出一种导电聚合物基纳米碳纤维先用Hummer法制备氧化石墨，将氧化石墨用超声法处理，得到石墨烯，然后在在丙酮溶液中超声分散，加入环氧树脂基体后继续超声搅拌，抽真空后加入固化剂，真空处理后浇注加热，得到石墨烯环氧树脂复合材料，提高了复合材料的机械强度。中国专利CN102153835A提出一种改性石墨烯/环氧树脂复合材料及其制备方法，提高了制备中间产物氧化石墨的反应温度，从而提高了反应速度，使复合材料的韧性有很大的提高。虽然以上和相关文献报道的石墨烯基复合热界面材料的热导率得到了大幅提高(增幅可达1500％，本征环氧树脂的热导率范围在0.17～0.25W·m^-1·K^-1，我们实测为0.2W·m^-1·K^-1)，但是其中石墨烯的含量往往过高(50vol％)，并且需要加入一定量的碳纳米管，而碳纳米管的制备条件较为苛刻，需要耗费大量的时间和昂贵的催化剂。对于专利方面对石墨烯环氧树脂复合热界面材料热导率的提高的制备方面法方面研究尚未少见。

发明内容

针对以上现有技术存在的不足，本发明提出一种石墨烯基复合热界面材料的制备方法：采用化学氧化还原法制备石墨烯，然后将石墨烯在一定条件下与环氧树脂混合而得到石墨烯基环氧树脂复合热界面材料。具体为：首先采用改进的Hummer法将天然石墨粉氧化成氧化石墨，其过程包括采用五氧化二磷、高锰酸钾、浓硫酸及去离子水配成氧化石墨粉溶液，对天然石墨粉进行预氧化，采用浓硫酸、双氧水对预氧化的石墨粉进行二次氧化，将所制备的溶液进行离心处理去除颗粒后取上清液得到氧化石墨溶液，将氧化石墨还原成石墨烯；然后将石墨烯加入二甲基甲酰胺中并超声作用，将分散好的石墨烯溶液倒入环氧树脂中并搅拌一定时间后高温干燥得到石墨烯基环氧树脂复合热界面材料。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的石墨烯基环氧树脂复合热界面材料的制备方法，包含如下几个步骤：

步骤一：氧化石墨的制备：

(1)取五氧化二磷粉末和高锰酸钾粉末加入去离子水于三口烧瓶中，随后加入浓硫酸(浓度为85～98.3wt％)进行均匀混合，配成氧化石墨粉溶液，混合比例为每1.0g五氧化二磷粉末中加入1.05～1.3g高锰酸钾粉末、20～30mL去离子水、3～5mL浓硫酸。