[发明专利]一种兼具面内方向和厚度方向高热导率的石墨烯基复合膜及其制备方法

说明书

本发明属于材料工程领域，具体涉及一种在兼具面内方向和厚度方向高导热石墨烯基复合薄膜及其制备方法。本发明目的是以内含氧化石墨烯的超细高分子纤维为骨架，氧化石墨烯作为成膜物质，借助1500‑2600℃的高温处理，使内含氧化石墨烯的高分子纤维在炭化过程中与成膜的石墨烯“焊接”起来连成一体，石墨烯紧密包覆于纤维表面，形成结构致密的一体化全炭复合薄膜，从而使薄膜在面内方向和厚度方向兼具高导热性能，特别是在厚度方向的热导率取得突破。

技术领域

本发明属于材料工程领域，具体涉及一种在兼具面内方向和厚度方向高导热石墨烯基复合薄膜及其制备方法。

背景技术

热量管理，是决定现代电子、光电子和光子器件的性能和可靠性的决定性因素，特别是对于下一代三维集成电路和超快高功率密度器件而言，这一需求更为突出。从1959年以来，器件的特征尺寸不断减小，从微米量级逐渐向纳米级发展，同时集成度每年以40～50%的高速度递增。在电子器件中，相当一部分功率损耗转化为热的形式，而电子器件的耗散生热会直接导致电子设备温度的升高和热应力的增加，对电子器件的工作可靠性和使用寿命造成严重威胁，高性能散热材料和热界面材料的研究与开发已经受到科学界和工业界的广泛关注。

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, 都使得石墨烯成为散热的理想填料。目前，宏观石墨烯薄膜在面内方向的热导率大多都超过1200 W/(m · K)以上，远高于传统的石墨材料和金属材料。然而，单纯的石墨烯薄膜在厚度方向的热导率大多在5-20 W/(m · K) 范围内，远不能满足目前的应用需求，而且力学强度不高，也限制其广泛的应用。

将石墨烯与其它物质复合形成复合薄膜，可进一步提高薄膜的力学强度和厚度，拓宽其应用范围。专利CN 107686699A利用导热绝缘粉体与石墨烯形成复合薄膜，薄膜的面内方向的热导率能达到较高的值，但厚度方向的热导率却仅为25 W/(m ·K)。其原因主要是因为石墨烯与导热粉体仅仅是物理上的复合，在厚度方向难以形成导热通道，同时石墨烯与粉体也没有形成紧密结合的一体化，导致界面热阻较大。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明目的是以内含氧化石墨烯的超细高分子纤维为骨架，氧化石墨烯作为成膜物质，借助1500-2600℃的高温处理，使内含氧化石墨烯的高分子纤维在炭化过程中与成膜的石墨烯“焊接”起来连成一体，石墨烯紧密包覆于纤维表面，形成结构致密的一体化全炭复合薄膜。从而使薄膜在面内方向和厚度方向兼具高导热性能，特别是在厚度方向的热导率取得突破。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种兼具面内方向和厚度方向高导热石墨烯基复合薄膜，所述复合薄膜面内方向的热导率为900-1500 W/(m ·K)，厚度方向热导率为60-150 W/(m ·K)。

所述的兼具面内方向和厚度方向高导热石墨烯基复合薄膜的制备方法，包含以下步骤：

S1、骨架制备

取0.1-0.5g 氧化石墨烯、100-500 ml水，超声分散、离心、洗涤过滤、透析后得到氧化石墨烯水溶液；加入2.0-15.0g高分子纤维浆液到上述水溶液中，超声分散、过滤、烘干，形成骨架；所述高分子纤维浆液的重量比浓度为2.8%-3.2%；

S2、薄膜制备

将0.2-1.5g 氧化石墨烯、100-1200 ml添加有分散剂的水溶液混合，超声得氧化石墨烯溶液；

通过湿法工艺将上述氧化石墨烯溶液渗入到S1中所述骨架中，烘干、热处理，形成厚度10-60µm的石墨烯薄膜。

优选的，步骤S1中所述超声分散时间为30-60min。