一种碳纳米墙/高分子复合结构热界面材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于垂直碳纳米墙/高分子复合结构的超薄热界面材料及其制备方法；该热界面材料由连续、垂直排列的碳纳米墙和高分子基体组成；热界面材料首先采用中压等离子体气相沉积的方法，沉积生长形成连续、垂直的碳纳米墙结构，然后以高分子作为基体进行复合，提高了热界面材料面外热导率，解决了其面外热导率低的问题。

A kind of carbon nano wall / polymer composite structure thermal interface material and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种碳纳米墙/高分子复合结构热界面材料及其制备方法
本专利技术涉及一种碳纳米墙/高分子复合结构热界面材料及其制备方法，属于化学材料领域。
技术介绍
电子元器件的微型化和集成化对散热性能提出了更高的要求。过热的环境会影响其使用寿命和运行可靠性。由于微观表面粗糙度的存在，两个固体的实际接触面积仅占其表观接触面积的1~2%，其余部分则由热导率仅为0.026W·m-1K-1的空气填充，在热源和热沉之间形成大的接触热阻，限制了热量的散出。为了解决这一问题，热界面材料被用在热源和热沉之间填充空气间隙，减小接触热阻，提高散热效率。传统的热界面材料主要是将一些高导热陶瓷填料如氮化硼、氮化铝、氧化铝等混入聚合物基体中，热导率大多为1~5Wm-1K-1，难以解决电子行业高功率高密度封装所带来的散热问题。石墨烯由于其超高的热导率，已被广泛用于解决散热问题。目前常用的制备石墨烯基热界面材料的方法主要包括以下两类：1）直接将石墨烯与高分子基体共混，该类方法操作简单，但是由于石墨烯的分散不均从而导致样品热导率低；2）模板法，主要有冰晶模板法和镍泡沫模板法两种，冰晶模板法难以提高石墨烯含量，其热导率往往较低；以镍泡沫作为模板往往能够达到更高的石墨烯含量，且CVD生长的石墨烯具有更高的质量，故热导率较高。Bai等(Fang,H.;Zhao,Y.;Zhang,Y.;Ren,Y.;Bai,S.L.Three-dimensionalgraphenefoam-filledelastomercompositeswithhighthermalandmechanicalproperties.ACSAppl.Mater.Interfaces2017,9,26447–26459.)利用镍泡沫作为模板，在石墨烯含量仅为11.6wt%时，其横向热导率可以达到28.77W·m-1K-1，但是受限于镍泡沫本身的特性，其纵向热导率依然不高。除此以外，目前绝大多数工作均无法将石墨烯基热界面材料的厚度降低到微米量级，故其仍难以满足日益增长的散热及封装需求。
技术实现思路
针对上述存在的技术问题，本专利技术的目的是：提出了一种碳纳米墙/高分子复合结构热界面材料及其制备方法，提高了热界面材料面外热导率。本专利技术的技术解决方案是这样实现的：一种碳纳米墙/高分子复合结构热界面材料，包括碳纳米墙和高分子基底；所述碳纳米墙由垂直于基板的石墨烯堆叠而成，具有连续、垂直的结构；所述高分子基体为可压缩的高分子弹性体。在本申请提供的热界面材料中，具有连续、垂直的碳纳米墙结构，并通过旋涂、真空辅助浸渍等方法与高分子弹性体基体复合。可选地，所述碳纳米墙的厚度为1~150µm，密度为0.1~0.3g/cm3。可选地，所述热界面材料的厚度为1~150µm，密度为0.7~1.2g/cm3。。可选地，所述热界面材料的面外热导率介于10~25W·m-1K-1，石墨烯含量介于5~10wt%。在本申请中，面外热导率为热界面材料的法线方向。本申请还提供了一种上述的碳纳米墙/高分子基体复合结构超薄热界面材料的制备方法：采用中压等离子体气相沉积的方法，沉积生长形成连续、垂直的碳纳米墙结构，并以高分子作为基体进行复合，即可得到所述热界面材料。具体地，制备方法包括：a）将干净的硅片作为生长基底，利用中压等离子体气相沉积技术，进行碳纳米墙沉积成长，得到具有连续、垂直结构的碳纳米墙；b）将得到的碳纳米墙通过旋涂的方法，与高分子弹性基体进行复合，得到垂直碳纳米墙/高分子复合结构；c）将垂直碳纳米墙/高分子复合结构从硅基板上剥离，即得到独立的所述热界面材料。可选地，所述碳纳米墙沉积压力为0.1~10Torr。优选地，所述碳纳米墙沉积压力为600~800Pa。可选地，所述碳纳米墙沉积功率为3~21kW；所述碳纳米墙沉积时间为0.5~25min；优选地，所述碳纳米墙沉积功率为15~18kW；所述碳纳米墙沉积时间为10~15min。所述碳纳米墙沉积功率的上限选自15kW、18kW、21kW；所述碳纳米墙沉积功率的下限选自3kW、5kW、8kW。所述碳纳米墙沉积时间的上线选自15min、20min、25min；所述碳纳米墙沉积时间的下限选自0.5min、5.5min、10.5min。可选地，所述高分子的复合至少可以通过以下方法实现：通过旋涂、真空辅助浸渍等方法，使得高分子基体进入碳纳米墙间隙，即可得到所述的碳纳米墙/高分子基体复合结构。可选地，所述旋涂转速为2000~5000rpm，旋涂时间为0.5~2min。优选地，所述旋涂转速为3000~4000rpm，旋涂时间为1~1.5min。可选地，所述高分子基体包括但不限于聚氨酯（PU）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、橡胶（NR）等具有可压缩性的高分子弹性体。由于上述技术方案的运用，本专利技术与现有技术相比具有下列优点：本专利技术采用利用中压等离子体气相沉积技术，得到具有连续、垂直结构的碳纳米墙，并将其与高分子弹性基体进行复合，解决热界面材料面外热导率低的问题。本申请提供的热界面材料的面外热导率介于10~25W·m-1K-1，石墨烯含量介于5~10wt%。附图说明下面结合附图对本专利技术技术方案作进一步说明：附图1为本专利技术的热界面材料的制备过程示意图；附图2是实施例1中碳纳米墙的拉曼光谱图；附图3是实施例1中碳纳米墙横截面的扫面电子显微镜照片；附图4是实施例1中热界面材料顶部形貌的扫面电子显微镜照片。具体实施方式下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。如无特别说明，实施例中所采用的原料均来自商业购买，未经处理直接使用；实施例中所采用的仪器设备均采用厂家推荐参数。本申请中所用原材料及试剂：聚二甲基硅氧烷（PDMS）：美国道康宁公司；氩气、甲烷、氢气：宁波市江东华宇化工气体经营部。仪器设备：实施例中，碳纳米墙生长采用MPCVD系统（安徽贝意克设备技术有限公司）；碳纳米墙于高分子复合采用KW-4A型台式匀胶机；样品的面外热导率采用LFA467激光闪烁仪(Netzsch,Germany)测定；样品的形貌采用场发射扫描电子显微镜(QuantaFEG250，FEI，USA)测定。如附图1所示，本专利技术所述的一种碳纳米墙/高分子基体复合结构热界面材料，具有连续、垂直的碳纳米墙结构，并通过旋涂、真空辅助浸渍等方法与高分子弹性体基体复合。所述热界面材料中的碳纳米结构提供面外的导热通路。热界面材料的制备方法至少包括以下步骤：利用中压等离子体气相沉积技术，沉积生长连续、垂直的碳纳米墙结构，并将其与高分子弹性基体进行复合，完成后进行剥离，即可得到所述热界面材料。可选地，所述碳纳米墙沉积压力为0.1~10Torr；优选地，所述碳纳米墙沉积压力为600~800Pa。可选地，所述碳纳米墙沉积功率为3~21kW；所述碳纳米墙沉积时间为0.5~25min；优选地，所述碳纳米墙沉积功率为15~18kW；所述碳纳米墙沉积时间为10~15min。可选地，所述的高分子复合至少可以通过以下方法实现：通过旋涂、真空辅助浸渍等方法，使得高分子基体进入碳纳米墙间隙，即可得到所述的碳纳米墙/高分子基体复合结构。可选地，所述旋涂转速为2000~5000rpm，旋涂时间为0.5~2min；优选地，所述旋涂转速为3000~4000rpm，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纳米墙/高分子复合结构热界面材料，其特征在于：包括碳纳米墙和高分子基底；所述碳纳米墙由垂直于基板的石墨烯堆叠而成，具有连续、垂直的结构；所述高分子基体为可压缩的高分子弹性体。

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米墙/高分子复合结构热界面材料，其特征在于：包括碳纳米墙和高分子基底；所述碳纳米墙由垂直于基板的石墨烯堆叠而成，具有连续、垂直的结构；所述高分子基体为可压缩的高分子弹性体。2.根据权利要求1所述的碳纳米墙/高分子复合结构热界面材料，其特征在于：所述碳纳米墙的厚度在1~150µm，密度为0.1~0.3g/cm3。3.根据权利要求1所述的碳纳米墙/高分子复合结构热界面材料，其特征在于：所述热界面材料的面外热导率介于10~25W·m-1K-1，石墨烯含量5~10wt%。4.一种权利要求1至3任一项所述的碳纳米墙/高分子复合结构热界面材料的制备方法，其特征在于：采用中压等离子体气相沉积的方法，沉积生长形成连续、垂直的碳纳米墙结构，并以高分子材料作为基体进行复合，即可得到所述热界面材料。5.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：林正得，罗勇，陈红梅，张仁钦，
申请(专利权)人：苏州仁甬得物联科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32