涂层改性石墨烯/碳纳米管/硅油的热界面材料及其制备制造技术

本发明专利技术提供了一种涂层改性石墨烯/碳纳米管/硅油的热界面材料，其特征在于，其包含以下组分：石墨烯1～20％，碳纳米管1～20％，纳米氧化铝1～20％，分散剂0.1～1％，硅烷偶联剂0.1～1％以及硅油40～90％；其制备方法包括：对石墨烯和碳纳米管同时进行酸化处理，采用纳米氧化铝对石墨烯和碳纳米管进行表面涂层改性处理，将涂层改性处理后的石墨烯和碳纳米管与硅油混合，得到涂层改性石墨烯/碳纳米管/硅油的热界面材料。本发明专利技术能够提高产品的导热系数，减少所述热界面材料与散热器或发热元件表面之间的接触热阻。以涂层改性石墨烯/碳纳米管/硅油的热界面材料有望应用于大功率的LED、智能设备和新能源汽车等领域。本发明专利技术还提供所述热界面材料的制备方法。

Thermal interface material of coated graphene / carbon nanotubes / silicone oil and its preparation

The invention provides a thermal interface material for coated modified graphene / carbon nanotubes / silicon oil, which is characterized by the following components: graphene 1 ~ 20%, carbon nanotubes 1 ~ 20%, nano alumina 1 ~ 20%, dispersant 0.1 to 1%, silane coupling agents 0.1 to 1% and silica oil 40 90%; the preparation method includes: Graphene and carbon nanotubes are acidified at the same time. The surface coating of graphene and carbon nanotubes is modified by nano alumina. The modified graphene and carbon nanotubes are mixed with silicon oil after the modified coating, and the thermal interface materials of the coated modified graphene / carbon nanotube / silicon oil are obtained. The invention can improve the thermal conductivity of the product and reduce the thermal contact resistance between the thermal interface material and the radiator or the heating element surface. The thermal interface material coated with graphene / carbon nanotubes / silicone oil is expected to be applied in high-power LED, intelligent devices and new energy vehicles. The invention also provides a method for preparing the thermal interface material.

【技术实现步骤摘要】
涂层改性石墨烯/碳纳米管/硅油的热界面材料及其制备
本专利技术涉及一种热界面材料的制备方法，尤其涉及一种涂层改性石墨烯/碳纳米管/硅油的热界面材料的制备方法。
技术介绍
热界面材料是一种用于IC封装和电子产品散热的常用材料，可填补两种材料因接合或接触时产生的微空隙及材料本身带有表面凹凸不平的孔洞，减少两者之间热传递的阻抗，最终达到提高散热性。传统的热界面材料通常是将导热系数高的颗粒均匀地分散到聚合物材料中而制备得到的复合材料，较高的导热粉体材料包括氮化硼、氧化铝、石墨、铝或者其他金属等。聚合物作为载体的连续相很大程度上决定了该热界面材料的应用产品和场合，如硅胶、橡胶、硅油和相变材料等。随着功率半导体电子器件的集成工艺快速发展，电子器件向着集成化程度越来越高，体积越来越小，能量密度越来越大，使得应用产品的导热散热成为越来越被重视的问题。为了满足对散热的需要，研发人员采用了各种散热方式，例如风扇散热、热管散热和水泵散热等方式对散热器进行加强散热和降温可以有效带走电子器件的热量。但是半导体集成器件和散热器件之间的接触界面并非达到很理想的接触，一般有效的接触面积小于10％，因此为了增加两者的有效接触界面并且具有较高的热传到性能，这样的热界面材料就显得十分有必要，能够从根本上极大地提高功率半导体器件将热量传递给散热器，从而实现应用产品的降温和可靠性运行。作为碳材料的新成员，石墨烯因其具有优异的电子、力学、热学等性能，所以常被用做复合材料中的增强相和功能相。石墨烯是一类具有SP2杂化轨道的二维平面结构材料，有研究表明，单层石墨烯的热导率高达5000W/m·K，比金刚石和碳纳米管的热导率高很多，由此在热管理领域石墨烯获得了研发人员的广泛关注。而碳纳米管材料作为一维结构材料，具备柔顺性好、长径比高和高导热率等特性，有研究表明，单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的热导率可高到3000W/m·K以上。目前热界面材料的热导率有待进一步提高，导热率的典型值在1W/mk。而新型的高热导率的石墨烯和碳纳米管等材料有望可以应用于高导热的热界面材料。而纳米材料由于容易团聚很难分散在聚合物材料中，限制了纳米颗粒在复合材料中发挥其优异性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有较高导热率高的热界面材料及其制备方法。通过对石墨烯和碳纳米管进行涂层改性，增强其在硅油体系中的高效分散，降低复合物的体系粘度，通过双行星搅拌制备工艺，提高纳米材料的填充率，从而实现热界面材料的高导热率性能，提高了电子电器设备的可靠性和使用寿命。为了达到上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种涂层改性石墨烯/碳纳米管/硅油的热界面材料，其特征在于，其包含以下组分：石墨烯1～20％，碳纳米管1～20％，纳米氧化铝1～20％，分散剂0.1～1％，硅烷偶联剂0.1～1％以及硅油40～90％；其制备方法包括：对石墨烯和碳纳米管同时进行酸化处理，采用纳米氧化铝对石墨烯和碳纳米管进行表面涂层改性处理，将涂层改性处理后的石墨烯和碳纳米管与硅油混合，得到涂层改性石墨烯/碳纳米管/硅油的热界面材料。优选的，所述的涂层改性处理后的石墨烯和碳纳米管的表面纳米氧化铝涂层的厚度为20～100纳米。优选的，所述的石墨烯的厚度为1～100纳米，粒径大小为1～100微米，导热率为1000～5000W/mk。优选的，所述的碳纳米管的直径为1～500纳米，长度为1～200微米，导热率为500～4000W/mk。优选的，所述的硅油为二甲基硅油、苯基硅油、乙基硅油和甲基氟硅油中的至少一种。优选地，所述的分散剂为BYK-2150。优选地，所述的硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷。本专利技术还提供了上述的涂层改性石墨烯/碳纳米管/硅油的热界面材料的制备方法，其特征在于，包括：第一步、对石墨烯和碳纳米管同时进行酸化处理：将质量配比1∶3～3∶1的石墨烯粉体和碳纳米管粉体置于混酸中，粉体总质量与混酸的体积比为1g∶50-150L，混酸为浓度为70-98％的浓硫酸与浓度为65-80％的浓硝酸的体积比1∶0.5-1.5的混合物，在温度70-90℃条件下回流3-8小时，抽滤洗涤，再置于90-110℃真空干燥箱中干燥5-15小时，得到酸化处理干燥后的石墨烯和碳纳米管的混合粉体；第二步、采用纳米氧化铝对石墨烯和碳纳米管进行表面涂层改性处理：将酸化处理干燥后的石墨烯和碳纳米管的混合粉体，置于球磨机的研磨罐中，加入纳米氧化铝，再倒入质量为粉体总质量的5-15％的无水乙醇，进行球磨3-8小时后，将所有混合物在90-110℃鼓风烘箱中干燥1-3小时，再置于石英舟，在充入氩气保护的高温管式炉中处理1-3小时，使纳米氧化铝包覆在石墨烯和碳纳米管上，得到涂层改性处理后的石墨烯和碳纳米管；第三步、将涂层改性处理后的石墨烯和碳纳米管与硅油混合：将涂层改性处理后的石墨烯和碳纳米管，按比例添加到硅油中，再添加分散剂和硅烷偶联剂，开启双行星搅拌脱泡机，搅拌均匀后得到涂层改性石墨烯/碳纳米管/硅油的热界面材料。优选的，所述的纳米氧化铝的质量为酸化后的混合粉体质量的10％～200％。优选的，所述的高温管式炉的温度为300-500℃。优选的，所述的双行星搅拌脱泡机的公转速度和自转速度能够单独控制，速度大小以数字标识(1、2、3....9，共九个挡位，越来越快)，设备运行方式，公转1～9/自转1～9，时间1分钟～999分钟。与现有的技术相比，本专利技术具有如下有益效果：其一，利用石墨烯和碳纳米管的高热导率，通过无机氧化铝涂层表明改性碳材料，获得具有均匀性和稳定性的涂层改性石墨烯和碳纳米管，在硅油中的粘度低，增加粉体材料的质量分数，因而可以得到石墨烯/碳纳米管填充率大的的热界面材料；其二，以石墨烯的平面结构和碳纳米管的一维管状结构相结合，能够在热界面材料中形成三维的导热网络结构，进而提高产品的导热系数，减少所述热界面材料与散热器或发热元件表面之间的接触热阻。并通过双行星搅拌脱泡工艺，排走纳米材料表明的微小气泡，形成致密的稳定的硅油基热界面材料，有利于更好的发挥石墨烯和碳纳米管的导热特性，因而获得导热率高且均一导热的热界面材料。其三，本专利技术的涂层改性石墨烯/碳纳米管/硅油的热界面材料有望应用于大功率的LED、智能设备和新能源汽车等领域。本专利技术还提供所述热界面材料的制备方法。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。本专利技术所提供的一种涂层改性石墨烯/碳纳米管/硅油的热界面材料是纳米氧化铝涂层对石墨烯和碳纳米管粉末进行表面改性处理，采用双行星搅拌脱泡混合工艺，即可得到石墨烯/碳纳米管/硅油复合热界面材料。如无特殊说明，本专利技术的各百分含量均为质量百分含量。本专利技术各实施例所用的各原料均为市售产品，纳米氧化铝购自杭州万景新材料有限公司，VK-L20Y。石墨烯购自上海悦达墨特瑞新材料科技有限公司，SYD-G1。碳纳米管购自江苏先丰纳米材料科技有限公司，XFS22。本专利技术各实施例所用的双行星搅拌脱泡机为采用日本KURABO公司生产的KK-250S型号产品，公转速度和自转速度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种涂层改性石墨烯/碳纳米管/硅油的热界面材料，其特征在于，其包含以下组分：石墨烯1～20％，碳纳米管1～20％，纳米氧化铝1～20％，分散剂0.1～1％，硅烷偶联剂0.1～1％以及硅油40～90％；其制备方法包括：对石墨烯和碳纳米管同时进行酸化处理，采用纳米氧化铝对石墨烯和碳纳米管进行表面涂层改性处理，将涂层改性处理后的石墨烯和碳纳米管与硅油混合，得到涂层改性石墨烯/碳纳米管/硅油的热界面材料。

【技术特征摘要】
1.一种涂层改性石墨烯/碳纳米管/硅油的热界面材料，其特征在于，其包含以下组分：石墨烯1～20％，碳纳米管1～20％，纳米氧化铝1～20％，分散剂0.1～1％，硅烷偶联剂0.1～1％以及硅油40～90％；其制备方法包括：对石墨烯和碳纳米管同时进行酸化处理，采用纳米氧化铝对石墨烯和碳纳米管进行表面涂层改性处理，将涂层改性处理后的石墨烯和碳纳米管与硅油混合，得到涂层改性石墨烯/碳纳米管/硅油的热界面材料。2.如权利要求1所述的涂层改性石墨烯/碳纳米管/硅油的热界面材料，其特征在于，所述的涂层改性处理后的石墨烯和碳纳米管的表面纳米氧化铝涂层的厚度为20～100纳米。3.如权利要求1所述的涂层改性石墨烯/碳纳米管/硅油的热界面材料，其特征在于，所述的石墨烯的厚度为1～100纳米，粒径大小为1～100微米，导热率为1000～5000W/mk。4.如权利要求1所述的涂层改性石墨烯/碳纳米管/硅油的热界面材料，其特征在于，所述的碳纳米管的直径为1～500纳米，长度为1～200微米，导热率为500～4000W/mk。5.如权利要求1所述的涂层改性石墨烯/碳纳米管/硅油的热界面材料，其特征在于，所述的硅油为二甲基硅油、苯基硅油、乙基硅油和甲基氟硅油中的至少一种。6.如权利要求1所述的涂层改性石墨烯/碳纳米管/硅油的热界面材料，其特征在于，所述的分散剂为BYK-2150。7.如权利要求1所述的涂层改性石墨烯/碳纳米管/硅油的热界面材料，其特征在于，所述的硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷。8.权利要求1-7所述的涂层改性石墨烯/碳纳米管/硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟岩，梁勇，于伟，
申请(专利权)人：上海超碳石墨烯产业技术有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31