[发明专利]高效石墨烯纳米改性散热材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种高效石墨烯纳米改性散热材料及其制备方法，该高效石墨烯纳米改性散热材料包括按照重量份计算的如下组分：石墨烯纳米改性粉体5‑10份、第二溶剂55‑80份、高分子聚合物50‑70份以及附加剂8‑10份；其中石墨烯纳米改性粉体是由石墨烯混合粉在第一溶剂中超声共混后进行干燥而制成的，石墨烯混合粉包括如下按照重量份计算的组分：石墨烯15‑20份、氧化石墨烯2‑4份和纳米陶瓷5‑8份，纳米陶瓷包括Al₂O₃纳米陶瓷和氮化铝(AlN)纳米陶瓷，且Al₂O₃纳米陶瓷的重量和氮化铝(AlN)纳米陶瓷的重量满足5：3；石墨烯纳米改性粉体的含量满足4wt%‑7wt%。

技术领域

本发明涉及散热材料领域，具体是一种高效的石墨烯纳米改性散热材料及其制备方法，可解决微电子、航空航天、军事设备、半导体照明、电机电器等领域的电子元器件的导热问题。

背景技术

高导热材料作为一种具有强大应用前景的功能材料，由于具有良好的热传导性能，可在微电子、航空航天、军事装备、半导体照明、电机电器等诸多制造业及高科技领域发挥重要的作用。尤其是近年来随着集成技术、微电子封装技术和半导体照明的发展，电子元器件的总功率密度不断增长，而电子元器件和电子设备的物理尺寸却逐渐趋向于小型、微型化，所产生的热量迅速积累，导致集成器件周围的热流密度也在增加，其所导致的高温环境必将会影响到电子元器件和设备的性能，这就需要更加高效的散热控制方案。因此，电子元器件的散热问题已演变成为当前电子元器件和电子设备制造的一大焦点。

举例来说，半导体照明中，随着LED向高光强、高功率方向发展，其散热问题日渐突出。目前，商品化的功率型LED输入功率一般为1~3W，芯片面积约为1mm×1mm ~ 2.5mm×2.5mm，其热流密度达到了100~300W/cm²，由此引发的散热问题已经严重影响到LED的发光效率和使用寿命。随着技术的发展和需求的延伸，单颗LED芯片的发光亮度已经不能完全满足照明亮度的需求，成组使用的功率型LED构成大功率LED照明光源成为了必然选择，在实际环境下，成组使用的LED芯片模组排成一定形式的阵列焊接在专用的基板上，LED工作时会产生热量，这些热量通过基板传导到灯壳散热翅片上，从而达到散热的目的。然而，LED散热基板与灯壳散热翅片均是固体材料，接触面之间存在空气间隙，空气导热性能极差，严重影响传热效率。目前普遍采用的办法是将既具有柔软性又具有一定导热性能的热界面材料（TIMs）应用于固体组件接触间隙，以填补空气缝隙，提高传热效果。实际应用中广泛使用的热界面复合材料－导热硅脂是以硅油为基质，加入导热填料（导热金属颗粒物）制备而成，存在的缺点是作为导热填料的金属颗粒容易被氧化变成金属氧化物，使导热硅脂的导热性能的变差。热界面复合材料主要依赖于所使用的导热填料的良好导热性能。一种性能良好的导热填料应具备以下特性：导热系数高，热膨胀系数低，密度小，抗氧化和抗腐蚀性能好。多年来被广泛使用的导热填料有铝、铜、钼、掺杂石墨、氧化铝、氮化铝、碳化硅，这些材料在室温下的导热系数分别约为：247、398、142、150、40、320、270W/m·K。

石墨烯是近年来新发现的一种由单层碳原子层组成的六方蜂巢状二维纳米材料，其特殊的二维结构，使其具有完美的量子隧道效应、半整数的量子霍尔效应和从不消失的电导率等一系列特殊性质，它可以包裹起来形成零维的富勒烯（Fullerene），卷起来形成一维的碳纳米管（Carbon Nanotube），层层堆积形成三维的石墨（graphite），其具有低的密度、弱的化学活性、快的导热速度、高的比表面积和大的红外辐射率，使之成为化学、材料科学及物理学领域的研究热点。特别是石墨烯独特的二维结构显示出超高的导热系数，单层石墨烯的导热系数高达4840~5300W/m·K，是制备复合散热材料的理想材料之一。虽然石墨烯以及聚合物纳米复合材料因为具有优异的各种性能已经有大量的研究报导，目前已引起科学界和工业界的广泛关注，但是石墨烯易堆垛的特性，导致了差的分散性和后期加工难度的增加，从而无法表现出石墨烯本征的优异特性。

发明内容