[发明专利]一种热界面材料及其制备和应用

说明书

本发明涉及一种热界面材料及其制备和应用。具体地，本发明公开了一种热界面材料，所述热界面材料由层叠结构经弯曲褶皱、任选的水平压制和任选的高温处理得到，所述热界面材料的上下表面的二维高导热纳米片具有水平堆栈结构，位于所述热界面材料的所述上下表面之间的中间部分的二维高导热纳米片兼具垂直堆栈结构和弯曲堆栈结构。本发明还公开了所述热界面材料的制备方法和应用。所述热界面材料兼具优异的导热性和压缩性，所述制备方法具有工艺简单、成本低、安全环保的特点，因此所述热界面材料可有效解决电子工业产品的散热问题。

技术领域

本发明涉及材料领域，具体地涉及一种热界面材料及其制备和应用。

背景技术

热界面材料以填充空气间隙的方式连接热源与热沉，保证电子设备在工作时产生的热量能够有效地从热源转移于热沉上以达到散热效果，在电子工业中扮演着重要的角色。传统的热界面材料主要是指一些高分子基体填充以高导热陶瓷颗粒，如氮化铝、氮化硼、氧化铝等，热导率大多为1-5W/mK。但是随着电子工业的快速发展，传统的热界面材料已经难以满足随之提升的功率密度带来的散热问题。

碳纳米材料如碳纳米管和石墨烯，由于其超高的热导率，现已被广泛用于解决散热问题。对于热界面材料，传统的应用方式是将石墨烯或者碳纳米管直接共混于高分子基体以达到导热增强的效果。然而，所得到的热界面材料的纵向热导率难以超过10W/mK，这种大相径庭的表现与碳纳米材料超高的本征热导率不符。这主要是因为像碳纳米管和石墨烯这类低维材料的热导率是各向异性的，而传统的共混方式仅仅使这些各项异性填料随机分布于基体中，导致没有很好的利用这种各向异性特性。为了提高这种各向异性导热率的利用率，目前以碳纳米管和石墨烯作为增强相来提高热界面材料的导热性能主要集中于构筑高顺向垂直结构，例如垂直碳纳米管和垂直石墨烯结构。

垂直碳纳米管结构可由化学气相沉积(CVD)方法获得，纵向热导率可超过30W/mK。但是由于垂直碳纳米管较强的基板依赖性、难以提高的表观密度以及较高的界面热阻(30-70Kmm²/W)等限制了该材料在热界面领域的广泛应用。和垂直碳纳米管类似，垂直石墨烯结构也可以用CVD方法制备。Achour等(Applied Physics Letters 102.6(2013):061903.)在氮化铝基板上生长出了垂直石墨烯纳米墙，其热导率可达80W/mK。但是CVD法制备的垂直石墨烯结构难以有效的从氮化铝基板剥离，严重限制了其实际应用。垂直石墨烯结构还可以用导向法制备，可分为微观导向和宏观导向法两种。Wong等(Chemistry of Materials28.17(2016):6096-6104.)利用冰晶诱导氧化石墨烯在形成气凝胶时自组装形成垂直结构，是一种典型的微观导向法，该法制备的垂直石墨烯/环氧树脂复合材料的热导率为2.13W/mK，石墨烯含量极低。但是这种极低的含量却难以通过自组装的方式提高，严重限制了其产物的导热率上限。Park等采用L型管将水平排列的石墨烯转向垂直排列而制备了垂直石墨烯/聚偏氟乙烯复合材料，热导率约10W/mK。但是这种宏观导向的方法所制备的垂直石墨烯结构排列不是很好，并且制备难以放大，不具备实际应用能力。另外，垂直石墨烯结构还可以通过重新组装石墨烯纸的方式制备，比如将石墨烯纸卷起并垂直切片，或者将石墨烯纸切片后重排。Bai等(Carbon 109(2016):552-557)将商业石墨烯纸卷起后用PDMS粘连并切片，制备出热界面材料热导率可达600W/mK，但是其样品的弹性模量亦高达500Mpa，不具备可压缩性，无法应付多芯片连用时的芯片公差，同时界面热阻高，难以作为热界面材料使用。

综上，垂直石墨烯热界面材料的确拥有较高的导热性能，但是完全垂直的石墨烯材料不具备可压缩性，难以作为热界面材料使用，因此本领域急需开发一种既能保证高导热，又能维持压缩性的高性能石墨烯基热界面材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种兼具优异导热性和压缩性的热界面材料及其制备和应用。