一种具有相互垂直结构的石墨烯基热界面材料的构筑方法技术

本发明专利技术公开了一种具有相互垂直结构的石墨烯基热界面材料的构筑方法，所述方法为了实现石墨烯片层的相互垂直排布，利用平板单向冷冻引入温度梯度，在该梯度的驱动作用下，石墨烯片可以实现垂直方向的高度定向排布，预还原的石墨烯水凝胶在重力及容器底的诱导下形成底部平行结构，而上部维持垂直排布，并在后续的还原下维持底部平行，上部垂直的定向结构。本发明专利技术制备的石墨烯宏观体具有底部平行上部垂直的特殊定向结构，可以充分发挥石墨烯在平面方向的优异性能，解决界面处局部热点与热传导问题，可作为热界面材料应用于热管理领域。

【技术实现步骤摘要】
一种具有相互垂直结构的石墨烯基热界面材料的构筑方法
本专利技术属于热界面材料领域，涉及一种高性能热界面材料的构筑方法，具体涉及一种具有相互垂直结构的石墨烯基热界面材料的构筑方法。
技术介绍
电子设备在运行过程中产生热量，温度上升不仅影响设备的正常运转，同时降低设备使用寿命，存在安全隐患，因此有效地散热对电子设备的正常运行是非常重要的。由于任何表面都存在微米级别的凹槽，当两个固体表面(对于电子产品而言，通常为器件与热沉表面)相互接触时，有效接触面积不足1％，这些微小的间隙充满了空气，空气是热的不良导体，导热系数仅为0.22Wm-1K-1，阻碍了两个界面间的有效热传导。热界面材料(TIM)填补了这个缺口，它的高导热性提高了热量转化率达到热平衡，改善了界面的有效热传导。石墨烯作为二维材料，对搭建宏观体有着天然的优势，已知单层石墨烯具有最高的热导率，约5000Wm-1K-1，同时具有较低的热膨胀系数，与基体材料接触电阻低，比表面积大，机械性能优良等，这些特性使它成为制造TIM的理想材料。石墨烯具有超高面内热导率，因此石墨烯在TIM中应用通常将其垂直定向排布，从而发挥其面内热导率的优势，将热量从热源传导到散热材料中。但是这种情况下不可避免的一个问题就是，TIM平行方向的热导率极差(石墨烯面外热导率极低)，这严重影响了热点的温度扩散(均温)。因此，如果设计和热点接触的薄层区域中石墨烯平行排布，起到迅速均温的目的，同时上部石墨烯垂直排布，将扩散开的热量有效的传导到散热器。这种上部石墨烯垂直排布，下部石墨烯平行排布的TIM既可以有效避免局部热点过热，又可以有效传递热量，是一种相对理想的热界面材料。但是现有TIM制备方法无法制备这种具有特殊结构的材料。
技术实现思路
为了实现石墨烯底部平行排布，上部垂直排布，本专利技术提供了一种具有相互垂直结构的石墨烯基热界面材料的构筑方法。本专利技术为了实现石墨烯片层的相互垂直排布，利用平板单向冷冻引入温度梯度，在该梯度的驱动作用下，石墨烯片可以实现垂直方向的高度定向排布，预还原的石墨烯水凝胶在重力及容器底的诱导下形成底部平行结构，而上部维持垂直排布，并在后续的还原下维持底部平行，上部垂直的定向结构。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种具有相互垂直结构的石墨烯基热界面材料的构筑方法，包括如下步骤：步骤一：将氧化石墨烯溶液置于冷冻模具中，与还原剂、促进定向的有机溶剂充分混合后进行预还原处理。本步骤中，还原剂为抗坏血酸，也可以是其他促进凝胶的还原剂，如氢氧化钾、氢碘酸、水合肼、硼氢化钠等。本步骤中，促进定向的有机溶剂为甲醇、乙醇或其他有机溶剂。本步骤中，冰模板定向前需对混合溶液进行预还原处理，预还原的程度为液体具有粘性但不流动，确保冰冻过程中形成定向结构。本步骤中，冷冻模具由底部热导率为5～400Wm-1K-1的金属，侧壁热导率为0.01～2Wm-1K-1的聚合物构成。本步骤中，预还原处理的时间控制在1～3h内。本步骤中，氧化石墨烯、还原剂、有机溶剂的质量比为40～60:100:1。步骤二：预还原后将混合溶液进行热平衡。本步骤中，在5～15℃环境下进行1～10h的热平衡处理。步骤三：将热平衡后的混合溶液置于冷冻装置内进行定向冷冻。本步骤中，冷冻装置包括冷源、冷冻容器、均冷液、冷冻模具，其中：冷冻容器与冷冻模具之间有均冷液；冷源可以是液氮，在不锈钢容器内利用乙醇等溶液作为均热溶液，通过控制液氮用量控制冷冻速度，或通过改变冷冻模具底部材料热导率来调节冷冻速率，冷源也可以是其他制冷液或是半导体制冷板等任意制冷材料或者器件；冷源可以为液氮、半导体制冷板等制冷装置；均冷液可以为甲醇、乙醇等低凝固点(-40℃以下)的有机溶剂；冷冻模具底部可以是银、铜、铝、不锈钢等热导率为10～400Wm-1K-1的材料，侧壁为热导率为0.1～5Wm-1K-1的低热导聚合物，可以是硅胶、环氧树脂、亚克力板等。本步骤中，定向冷冻使用液氮常温下即可。步骤四：将冷冻后的样品进行解冻，待完全解冻后，将样品空气条件下加热，使其转化成水凝胶。本步骤中，将解冻的样品在50～70℃空气条件下加热2～4h，确保维持定向结构，预成型的程度为样品表面按压变形但不粘手。步骤五：将水凝胶冷却至室温后进行热平衡，然后置于冷冻装置中二次定向冷冻，加强结构定向。本步骤中，以与步骤三相同的冷冻条件进行定向冷冻，进一步加强定向结构。本步骤中，以与步骤二相同的热平衡条件进行热平衡。步骤六：将二次冷冻的样品完全解冻后，在空气条件下加热，使水凝胶彻底成型。本步骤中，解冻后的样品在50～60℃空气条件下反应3～4h彻底形成水凝胶。步骤七：将彻底成型的水凝胶冷却至室温，放入冰箱内冷冻，以提高水凝较的力学性能。本步骤中，将水凝胶在-20～-30℃环境下冷冻，一般为4h左右，以加强骨架结构强度。步骤八：将冰冻的水凝胶解冻后，在空气条件下加热，对氧化石墨烯水凝胶进行进一步还原。本步骤中，将解冻的水凝胶在50～90℃空气条件下对水凝胶进行还原，还原时间为8～12h。步骤九：将还原后的水凝胶用去离子水清洗数遍后，去除内部溶液，加热干燥，最终得到具有相互垂直结构的石墨烯气凝胶。本步骤中，将去离子水清洗的水凝胶在50～70℃空气条件下干燥5～10h左右，最终得到具有底部平行，上部竖直的定向结构。步骤十：在真空或惰性气氛下，将石墨烯气凝胶进行1000～3000℃高温处理，保温2h左右，进一步提高气凝胶的结晶性，从而提高热导率。步骤十一：采用上部施加正压，下部真空负压相结合的方法将高导热聚合物完全灌注进石墨烯气凝胶中，固化后得到具有相互垂直结构的石墨烯基热界面材料。本步骤中，灌注聚合物时，在特定模具中，上部加压，下部抽真空，在真空负压和外加正压的工同作用下使得聚合物完全填充气凝胶骨架。其中，真空度低于-1Pa，外加压力可以是0.01M～0.8MPa；高导热聚合物可以是环氧树脂等聚合物，也可以是相变材料、硅胶类材料等等。本专利技术在冰模板法的基础上，利用化学还原定型，结合两次定向冷冻铸造制备出底部平行排布和上部垂直排布的的石墨烯海绵宏观体，浸入导热基体材料后得到一种高效热界面材料。该制备方法的关键在于利用不同还原程度的氧化石墨烯，改变氧化石墨烯的液晶性，并利用外界驱动结合冰模板法实现具有相互结构的石墨烯海绵制备。相比于现有技术，本专利技术具有如下优点：1、本专利技术可通过控制冷冻使用液氮的含量控制冷冻速率。2、本专利技术可通过空气条件下对水凝较进行干燥，避免了常规冷冻干燥，简化制备。3、本专利技术可通过设计不同尺寸的模具制备不同尺寸的样品，可实现大尺寸样品制备。4、本专利技术通过冷源为样品提供一个向上的温度梯度(实现在Z轴方向上的定向排布)，预还原的氧化石墨烯其液晶性发生改变，流动性变差，可以维持竖直结构。而底部受到重力、器壁等影响形成平行结构。由本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有相互垂直结构的石墨烯基热界面材料的构筑方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：/n步骤一：将氧化石墨烯溶液置于冷冻模具中，与还原剂、促进定向的有机溶剂充分混合后进行预还原处理，控制氧化石墨烯、还原剂、有机溶剂的质量比为40～60:100:1；/n步骤二：预还原后将混合溶液进行热平衡；/n步骤三：将热平衡后的混合溶液置于冷冻装置内进行定向冷冻；/n步骤四：将冷冻后的样品进行解冻，待完全解冻后，将样品空气条件下加热，使其转化成水凝胶；/n步骤五：将水凝胶冷却至室温后进行热平衡，然后置于冷冻装置中二次定向冷冻，加强结构定向；/n步骤六：将二次冷冻的样品完全解冻后，在空气条件下加热，使水凝胶彻底成型；/n步骤七：将彻底成型的水凝胶冷却至室温，放入冰箱内冷冻，以提高水凝较的力学性能；/n步骤八：将冰冻的水凝胶解冻后，在空气条件下加热，对氧化石墨烯水凝胶进行进一步还原；/n步骤九：将还原后的水凝胶用去离子水清洗数遍后，去除内部溶液，加热干燥，得到具有相互垂直结构的石墨烯气凝胶；/n步骤十：在真空或惰性气氛下，将石墨烯气凝胶进行1000～3000℃高温处理；/n步骤十一：采用上部施加正压，下部真空负压相结合的方法将高导热聚合物完全灌注进石墨烯气凝胶中，固化后得到具有相互垂直结构的石墨烯基热界面材料。/n...

【技术特征摘要】
1.一种具有相互垂直结构的石墨烯基热界面材料的构筑方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一：将氧化石墨烯溶液置于冷冻模具中，与还原剂、促进定向的有机溶剂充分混合后进行预还原处理，控制氧化石墨烯、还原剂、有机溶剂的质量比为40～60:100:1；
步骤二：预还原后将混合溶液进行热平衡；
步骤三：将热平衡后的混合溶液置于冷冻装置内进行定向冷冻；
步骤四：将冷冻后的样品进行解冻，待完全解冻后，将样品空气条件下加热，使其转化成水凝胶；
步骤五：将水凝胶冷却至室温后进行热平衡，然后置于冷冻装置中二次定向冷冻，加强结构定向；
步骤六：将二次冷冻的样品完全解冻后，在空气条件下加热，使水凝胶彻底成型；
步骤七：将彻底成型的水凝胶冷却至室温，放入冰箱内冷冻，以提高水凝较的力学性能；
步骤八：将冰冻的水凝胶解冻后，在空气条件下加热，对氧化石墨烯水凝胶进行进一步还原；
步骤九：将还原后的水凝胶用去离子水清洗数遍后，去除内部溶液，加热干燥，得到具有相互垂直结构的石墨烯气凝胶；
步骤十：在真空或惰性气氛下，将石墨烯气凝胶进行1000～3000℃高温处理；
步骤十一：采用上部施加正压，下部真空负压相结合的方法将高导热聚合物完全灌注进石墨烯气凝胶中，固化后得到具有相互垂直结构的石墨烯基热界面材料。


2.根据权利要求1所述的具有相互垂直结构的石墨烯基热界面材料的构筑方法，其特征在于所述步骤一中，还原剂为抗坏血酸、氢氧化钾、氢碘酸、水合肼、硼氢化钠中的一种；有机溶剂为甲醇、乙醇或其他有机溶剂；冷冻模具由底部热导率为5～400Wm-1K-1的金属，侧壁热导率为0.01～2Wm-1K...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宜彬，王沙沙，杜善义，赫晓东，
申请(专利权)人：深圳烯创先进材料研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44