一种强化散热复合结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种强化散热复合结构及其制备方法，包括石墨烯膜(2)和沉积于所述石墨烯膜(2)上表面的金属层(3)，所述石墨烯膜(2)和金属层(3)设置有阵列通孔，所述金属层(3)和阵列通孔内壁面附着有聚酰亚胺(4)。本发明专利技术与传统的金属材料相比，一方面提高了热导率，有助于促使热量在整个辐射面上的传导，改善辐射面上温度分布不均的现象。同时具有的低太阳吸收率和高发射率特性可将吸收的太阳能最小化，并使热量较快地辐射到空间环境，有效地提高了整体的散热效率。

An Enhanced Heat Dissipation Composite Structure and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种强化散热复合结构及其制备方法
本专利技术属于散热冷却领域，具体来说是一种强化散热复合结构及其制备方法。
技术介绍
电子设备向小型化和集成化方向发展使得工作器件热流密度急剧增加，采取有效的热控系统是维持器件工作温度稳定的重要途径。此外，随着人类对太空的探索不断加深，卫星航天器所承载的任务也越来越复杂。电子热控技术对于维持航天器稳定的工作温度也是一项不容忽视的技术。在没有介质的太空中，散热只能通过热传导和热辐射来进行。为适应航天空间散热环境，常采取的措施是使用热导率稍高的金属材料将电子器件的产热快速导出。但是值得注意的是，铝板或铜板的热导率仍然较低(<400W/m·K)，不能最大化热损失。同时，铝板或铜板不易弯折、高密度等特性也限制了其广泛应用。
技术实现思路
本专利技术提供了一种强化散热复合结构及其制备方法，该结构与传统的金属材料相比，一方面提高了热导率，有助于促使热量在整个辐射面上的传导，改善辐射面上温度分布不均的现象。同时具有的低太阳吸收率和高发射率特性可将吸收的太阳能最小化，并使热量较快地辐射到空间环境，有效地提高了整体的散热效率。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种强化散热复合结构，包括石墨烯膜和沉积于所述石墨烯膜上表面的金属层，所述石墨烯膜和金属层设置有阵列通孔，所述金属层和阵列通孔内壁面附着有聚酰亚胺。进一步地，所述金属层是银层或铝层。进一步地，所述银层或铝层的厚度为200nm。进一步地，所述阵列通孔的孔直径为100μm～300μm，孔中心距在0.4mm～0.8mm之间。进一步地，所述石墨烯膜使用高定向热解石墨替换。一种根据上述所述的强化散热复合结构的制备方法，包括以下步骤：步骤一：采用液相剥离Hummers法制备氧化石墨烯溶液，并在气-液界面自组装形成氧化石墨烯膜，再通过碳化、石墨化和延压制得石墨烯膜；步骤二：将步骤一所述的石墨烯膜用氧等离子体处理后再通过直流磁控溅射法在其上沉积所述金属层；步骤三：采用激光刻蚀的方法在步骤二所形成的石墨烯膜和金属层的薄膜上形成阵列通孔，金属面朝向激光刻蚀方向；步骤四：制备聚酰亚胺酸(PAA)；步骤五：将步骤四制备的聚酰亚胺酸涂覆在步骤三所形成的具有阵列通孔的薄膜上；步骤六：将步骤五制备的涂覆有聚酰亚胺酸的薄膜进行抽滤，使聚酰亚胺酸能够渗入阵列通孔侧壁；步骤七：将步骤六所获得的覆有聚酰亚胺酸的薄膜置于气氛炉中，经阶梯升温使得聚酰亚胺酸完成亚胺化从而获得强化散热复合结构。进一步地，所述步骤一具体包括：取3g325目的天然鳞片石墨和1.5g硝酸钠与120ml浓硫酸在0℃温度的水浴中混合均匀，分批次加入15g高锰酸钾得到混合液，将混合液在0℃温度水浴中继续搅拌90min，随后将混合液转移到35℃的恒温水浴中，并使用机械搅拌器充分搅拌混合液，4h之后向混合液中缓慢添加120ml去离子水进行稀释，并使混合液的温度不超过100℃，添加完毕后，将得到的溶液在95℃的水浴中继续搅拌15min，得到氧化石墨溶液，经过两次10wt％稀盐酸和多次去离子水洗涤后获得氧化石墨烯溶液，取浓度为7mg/ml的氧化石墨烯溶液50ml缓慢倒置于底面为5cm×5cm的聚四氟乙烯模具中，在设定为35℃的真空干燥箱中干燥，在液-气界面自组装形成氧化石墨烯膜，再经过1000℃碳化、2800℃石墨化和机械延压过程制得所述石墨烯膜。进一步地，所述步骤四具体包括：分别称量0.72克4,4'-二氨基二苯醚(ODA)和1克均苯四甲酸酐(PMDA)，按照先后顺序溶解于14克N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)溶液中得到混合溶液，并将混合溶液置于0℃恒温水浴中持续搅拌1h，最终获得聚酰亚胺酸(PAA)。进一步地，所述步骤七具体包括：将步骤六中覆有聚酰亚胺酸的石墨烯膜水平置于气氛炉中，通以500ml/min的氩气作为保护气，以0.5℃/min的升温速率升温，并分别在80℃、110℃、140℃、170℃、200℃和220℃保温30min以及在250℃保温60min完成亚胺化过程，最终得到强化散热复合结构。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：(1)本专利技术所形成的“类三明治”结构既拥有了碳薄膜材料的高导热特性，还结合了高红外发射率低太阳吸收率的柔性结构，同时结构中阵列孔的存在起到了抑制分层，强化机械强度的作用，在同样的散热条件下，高导热材料可加快高热流密度从热点向周围扩散，获得辐射面上较高的温度分布，根据表面辐射排散热量Qr的计算公式(1)，高发射率和较大的温差可带来更多的散热总量，阵列孔所形成的空气通道可产生自然对流换热效果，带有一定的热量，该结构克服了碳材料在航天热控领域的缺陷，适用于系统与电子设备温度的热控制与热管理；Qr＝εσ(Td4-Tspc4)(1)(2)本专利技术所述的通过直流磁控溅射法沉积的银层作为镜面反射层，厚度在200nm左右，处于该状态的银层能呈现出较强的金属性，在太阳光谱波段和红外波段均有较高的反射率，可提高上层聚合物的辐射特性；(3)本专利技术所述的激光刻蚀形成的阵列通孔，在压力的作用下使得前驱液能够渗入阵列通孔侧壁，经过高温处理后可形成上层聚合物延伸到石墨层中的复合结构，该结构可有效提高上层聚合物与下层薄膜之间的附着力，提升复合薄膜整体的机械性能，也为热空气提供了流动通道，带来一定的自然对流散热。(4)本专利技术制作工艺简单，多聚物涂层厚度易于控制，易于规模化生产，可大面积制备，并具有一定柔韧性，适用于很多复杂结构中，具有很大的实际应用价值。附图说明图1是本专利技术强化散热复合结构的制备流程图。图2是本专利技术强化散热复合结构的结构示意及强化散热原理图。具体实施方式下面结合说明书附图，对本专利技术作进一步的说明。结合图2，一种强化散热复合结构，包括石墨烯膜2和沉积于所述石墨烯膜2上表面的金属层3，所述石墨烯膜2和金属层3设置有阵列通孔，所述金属层3和阵列通孔内壁面附着有聚酰亚胺4。进一步地，所述金属层3是银层或铝层。进一步地，所述银层或铝层的厚度为200nm。进一步地，所述阵列通孔的孔直径为100μm～300μm，孔中心距在0.4mm～0.8mm之间。进一步地，所述石墨烯膜3使用高定向热解石墨替换。结合图1，一种根据上述所述的强化散热复合结构的制备方法，包括以下步骤：步骤一：采用液相剥离Hummers法制备氧化石墨烯溶液，并在气-液界面自组装形成氧化石墨烯膜，再通过碳化、石墨化和延压制得石墨烯膜2，该结构的存在可加快热传导，有效避免局部温度升高；步骤二：将步骤一所述的石墨烯膜2用氧等离子体处理后再通过直流磁控溅射法在其上沉积所述金属层3的镜面反射层；步骤三：采用激光刻蚀的方法在步骤二所形成的石墨烯膜2和金属层3的薄膜上形成阵列通孔，金属面朝向激光刻蚀方向；步骤四：制备多聚物前驱液聚酰亚胺酸(PAA)；步骤五：将步骤四制备的聚酰亚胺酸涂覆在步骤三所形成的具有阵列通孔的薄膜上；步骤六：将步骤五制备的涂覆有聚酰亚胺酸的薄膜进行抽滤，使聚酰亚胺酸能够渗入阵列通孔侧壁，一方面提高结合强度，另一方面防止阵列通孔被前驱液堵塞，此外，阵列通孔为空气提供了良好的流动通道，有助于进一步带走照明灯产生的热量；步骤七：将步骤六所获得的覆有聚酰亚胺酸的薄膜置于气氛炉中，经阶梯升温使得聚酰亚胺酸完成亚胺化从而获得强化散热复本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种强化散热复合结构，其特征在于，包括石墨烯膜(2)和沉积于所述石墨烯膜(2)上表面的金属层(3)，所述石墨烯膜(2)和金属层(3)设置有阵列通孔，所述金属层(3)和阵列通孔内壁面附着有聚酰亚胺(4)。

【技术特征摘要】
2019.03.08 CN 20191017631731.一种强化散热复合结构，其特征在于，包括石墨烯膜(2)和沉积于所述石墨烯膜(2)上表面的金属层(3)，所述石墨烯膜(2)和金属层(3)设置有阵列通孔，所述金属层(3)和阵列通孔内壁面附着有聚酰亚胺(4)。2.根据权利要求1所述的强化散热复合结构，其特征在于，所述金属层(3)是银层或铝层。3.根据权利要求2所述的强化散热复合结构，其特征在于，所述银层或铝层的厚度为200nm。4.根据权利要求1所述的强化散热复合结构，其特征在于，所述阵列通孔的孔直径为100μm～300μm，孔中心距在0.4mm～0.8mm之间。5.根据权利要求1所述的强化散热复合结构，其特征在于，所述石墨烯膜(3)使用高定向热解石墨替换。6.一种根据权利要求1所述的强化散热复合结构的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：采用液相剥离Hummers法制备氧化石墨烯溶液，并在气-液界面自组装形成氧化石墨烯膜，再通过碳化、石墨化和延压制得石墨烯膜(2)；步骤二：将步骤一所述的石墨烯膜(2)用氧等离子体处理后再通过直流磁控溅射法在其上沉积所述金属层(3)；步骤三：采用激光刻蚀的方法在步骤二所形成的石墨烯膜(2)和金属层(3)的薄膜上形成阵列通孔，金属面朝向激光刻蚀方向；步骤四：制备聚酰亚胺酸(PAA)；步骤五：将步骤四制备的聚酰亚胺酸涂覆在步骤三所形成的具有阵列通孔的薄膜上；步骤六：将步骤五制备的涂覆有聚酰亚胺酸的薄膜进行抽滤，使聚酰亚胺酸能够渗入阵列通孔侧壁；步骤七：将步骤六所获得的覆有聚酰亚胺酸的薄膜置于气氛炉中，经阶梯升温使得聚酰亚胺酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：范德松，王君，李强，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32