[发明专利]定向排布磁性碳纤维石墨烯复合膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了定向排布磁性碳纤维石墨烯复合膜及其制备方法和应用。制备方法是先进行碳纤维的磁负载，然后将磁性碳纤维粉末在溶剂中超声分散，倒入两侧固定有磁极相反磁石的抽滤漏斗中静置，待磁性碳纤维在磁场作用下稳定后，抽滤成膜，将复合膜从滤膜上取下，并放入模具中加压后，放入管式炉中，加入保护气体，升温至1000‑1500℃并保温，得到磁性碳纤维石墨烯复合膜。本发明磁性碳纤维在外磁场作用下平行分布于石墨烯片层中，平行率达到85％‑95％。复合膜中的碳纤维增强了复合膜的力学性能，并有效分离复合膜中的石墨烯片层，提高了片层质量，增加了复合膜的导热性能。

技术领域

本发明涉及导热材料技术领域，特别涉及一种定向排布磁性碳纤维石墨烯复合膜的制备方法和应用。本发明的定向排布磁性碳纤维石墨烯复合膜可以应用于大功率电子元器件、 LED、电池组件的散热中。

背景技术

现有技术高热流密度系统的一般散热方式是通过机械加工得到铜、铝等金属翅片，并将翅片安装于热源处。由于金属的热导率仅有百级W/mK，达到散热要求往往需要高质量、大体积的翅片实现，而其往往增加了系统总重，占用了更多的体积。

在导热领域，石墨烯成为继金刚石、碳纳米管的高导热纳米碳材料，其面内热导率高达5300W/mK。然而，无论通过机械剥离、液相剥离、氧化还原、化学气相沉积等方法得到原始石墨烯，其优异性能多基于纳米尺度，没有很高的商业价值，而石墨烯产品大多以石墨烯为基材或填料因子制成复合材料以发挥石墨烯的优异性能。在热管理系统中，以石墨烯制成的复合材料具有热导率高，稳定性强，力学性能良好，质量轻等特点，使其成为解决高集成度电子元器件散热问题的重要手段。新型复合导热材料相比传统导热材料，需要具有更高的热导率，更轻的质量，并要求具有一定的柔性。碳碳复合导热材料质量轻，而其热导率、机械强度与其微观形貌密切相关，通过调整其内部结构可以提高其力学性能与导热效果。

TGC系列多层高导热石墨膜是由碳源科技有限公司生产，主要应用于民用高端电子器件、LED用芯片材料、工业装置用散热器、核聚变反应堆第一壁等。TGC系列产品的制备方法一般需要采用聚酰亚胺、聚酰胺等高分子膜作为前驱体，先经过600-1000℃碳化、2600-3200℃石墨化并保温，而后通过辊压最终得到产品，这个过程不仅工艺复杂、能耗巨大，同时，由于产品为石墨烯膜堆叠而成，受到拉应力时层间滑移现象明显，抗拉强度较低，且随石墨烯的堆叠层数增加，热导率下降明显。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种复合膜沿碳纤维方向的抗拉强度达到35-37MPa，热导率超过600W/mK的定向排布磁性碳纤维石墨烯复合膜及其制备方法。

本发明另一目的在于提供所述定向排布磁性碳纤维石墨烯复合膜在LED散热中的应用。

本发明通过外磁场引导构建平行排布碳纤维骨架并在骨架上沉积氧化石墨烯，通过低温热还原的方式得到复合膜材料，一方面，碳纤维增强了复合膜的力学性能，另一方面，碳纤维将石墨烯片层有效分离，降低了层间声子泄漏，提高了膜的导热性。同时，该制备方法有效调节了短切碳纤维的纤维取向，且制备过程中仅经过低温碳化，避免了热压石墨化过程，有效降低了制备工艺过程中的能耗。为了提高石墨烯膜的综合性能，

本发明通过引入定向排布的磁性碳纤维分离石墨烯片层减少石墨烯堆叠产生的层间声子散射，同时，磁性碳纤维作为良好的增强体增加了石墨烯膜的抗拉强度，且本发明的制备工艺无需经过石墨化处理，降低了制备过程的能耗。本发明制备的高导热、高强度复合膜为大功率电子元器件、LED、电池组件的散热提供了更好的解决方案。

本发明制备得到的复合膜热导率高，且质量轻，体积小，将其贴附在热源表面作为均温材料，达到相同的散热效果需要的散热材料质量及散热材料所占用的体积都明显降低。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种定向排布磁性碳纤维石墨烯复合膜的制备方法，包括以下步骤：