一种石墨烯薄膜表面超薄软钎焊改性层的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种石墨烯薄膜表面超薄软钎焊改性层的制备方法，该制备方法包括以下步骤：首先，在石墨烯薄膜上加工待改性区；其次，将活性钎料合金放置于所述待改性区上方，在真空条件下进行钎焊，在待改性区表面形成第一改性层；最后，将金属薄片置于所述第一改性层表面，真空条件下进行微扩散焊，在第一改性层表面形成第二改性层，即获得石墨烯薄膜表面超薄软钎焊改性层。本发明专利技术提供的制备方法可实现石墨烯薄膜与软钎焊改性金属层之间良好的机械咬合和冶金结合，改性层与石墨烯薄膜之间的结合强度高、界面接触热阻及接触电阻低，且改性层与常规的低温焊料间润湿及冶金结合良好，可实现在石墨烯薄膜表面的任意位置批量制备软钎焊改性合金层。钎焊改性合金层。钎焊改性合金层。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯薄膜表面超薄软钎焊改性层的制备方法


[0001]本专利技术属于石墨烯材料
，具体涉及一种石墨烯薄膜表面超薄软钎焊改性层的制备方法。

技术介绍

[0002]石墨烯是一种以sp2杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状的晶格结构，石墨烯薄膜则是由具有高度定向的多层石墨烯堆叠而成，层内碳原子的sp2杂化电子轨道形成了垂直于层间的离域π键，电子可以在π键内自由移动，因此石墨烯薄膜具有良好的导电性，其电导率超过105S/m。此外，石墨烯薄膜还具有优异的导热性能，其(002)晶面的热导率可达2000W/m
·
K以上，远超金属中导热率最高的银429W/m
·
K。凭借较低的密度、超高的柔性、电导率以及导热率，石墨烯薄膜的出现解决了宏观材料无法同时兼顾高导电、高导热和高柔性的难题。因此，石墨烯薄膜在柔性射频天线、柔性显示屏、传感器以及超级电容等电子器件领域具有良好的应用前景。
[0003]在实际应用中，为实现石墨烯薄膜电子器件的制备与组装，通常需要将石墨烯薄膜与其它电子器件(包括石墨薄膜、金属及陶瓷材料基的电子组件与发热元件等)进行连接。同时，考虑到应用环境的要求，石墨薄膜与其它部件的连接必须具有较高的稳定性、导电性及散热性能。
[0004]目前，碳材料高温活性钎焊研究较多，高温活性钎料中的活性元素能与碳形成冶金结合。例如，以Ag基为主含活性元素Ti的活性钎料与碳反应形成TiC，实现与石墨烯薄膜连接，同时该连接还具有较高的导电性和散热性能。然而，活性钎料与石墨烯薄膜的连接存在两个明显的问题：一方面，石墨烯薄膜与活性钎料的连接仅存在于表面，导致石墨烯薄膜表面容易剥离；另一方面，常见的低温焊料在活性钎料表面润湿性差，难以确保钎焊改性后的石墨烯薄膜与电子器件之间低温、高质量连接。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种与低温焊料之间的润湿及冶金效果更好、能够与电子器件之间形成高质量连接的石墨烯薄膜表面超薄软钎焊改性层的制备方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：提供一种石墨烯薄膜表面超薄软钎焊改性层的制备方法，包括以下步骤：
[0007]S1、在石墨烯薄膜上加工待改性区；
[0008]S2、将活性钎料合金放置于对所述待改性区上方，在真空条件下进行钎焊，在石墨烯薄膜表面形成第一改性层；
[0009]S3、将金属薄片置于所述第一改性层表面，真空条件下进行微扩散焊，在第一改性层表面形成第二改性层，即获得石墨烯薄膜表面超薄软钎焊改性层。
[0010]所述步骤S1中，在石墨烯薄膜上加工待改性区的方法包括：将石墨烯薄膜裁剪成一定规格，在裁剪后的石墨烯薄膜上切割若干渗透通孔或凹坑。上述加工方法可以采用激
光切割的方式进行，渗透通孔的形状可以是圆形、矩形或其他形状，可以采取单孔形状排布、多孔形状规则排布或多孔形状不规则排布；渗透通孔也可以替换为凹坑等非通孔结构，或两者的组合。在本专利技术中，通过在石墨烯薄膜预制加工一定数量的渗透通孔或凹坑，有利于石墨烯薄膜与活性钎料合金焊接形成结构更加稳定的连接。
[0011]所述步骤S2中，活性钎料合金选自Sn基、Al基、Cu基、Ag基、Ni基合金中的任意一种，活性钎料合金的组成元素还至少包含Ti、Cr、Zr、Al、Si、B中的一种。上述元素能够与石墨烯中的碳形成冶金反应，配合步骤S1中的预处理步骤，在石墨烯薄膜与钎料改性层之间形成良好的机械咬合和冶金结合，使改性后的石墨烯薄膜具有更低的界面接触热阻及接触电阻。例如，活性钎料可以选择Ag
‑
Cu
‑
Ti合金、Sn
‑
Ti合金、Ni
‑
Cr
‑
P合金等。优选地，活性钎料合金选自Ag基钎料，其界面接触电阻更低、导电性能更好。更优选地，活性钎料合金为Ag基含Ti的合金，如Ag
‑
Cu
‑
Ti合金，与Sn基等其他类焊料相比，Ag基含Ti的焊料熔点更高，制备得到的石墨烯薄膜表面超薄软钎焊改性层的稳定性更好。优选地，活性钎料合金呈薄片状，其厚度为60～100μm。
[0012]进一步的，活性钎料合金的熔化温度区间为T1～T2，步骤S2中，钎焊的温度为T3，且T2+10≤T3≤T2+100；钎焊的时间为10～40min。在上述钎焊的温度条件下，能确保钎料合金完全融化并填充石墨烯的加工区的渗透通孔或凹坑结构。优选地，T2+30≤T3≤T2+60，钎焊的时间为10～20min。
[0013]此外，在步骤S2的钎焊过程中，为了避免活性钎料透过石墨烯薄膜待改性区的通孔渗透后与底座焊合，可以在钎焊之前，在待改性的石墨烯薄膜底部铺垫一层石墨烯隔离层。由于石墨烯薄膜隔离层也是层状结构，焊后仅表面一层附于带有改性层的石墨烯薄膜的底部，在焊接金属薄片后可剥离多余部分，对改性层并无影响。
[0014]进一步的，步骤S2中，所述钎焊在真空条件下进行，真空度为5
×
10
‑4Pa～7
×
10
‑3Pa。由于本专利技术中的活性钎料中的活性元素容易与氧发生反应，因此在钎焊操作时需要保持较高的真空度。此外，在进行钎焊之前，可以对活性钎料合金进行打磨处理，以清除其表面的氧化膜。
[0015]所述步骤S3中，金属薄片的材质选自Cu、Ni、Ag、Au中的一种；对于活性钎料合金的熔化区间温度T1～T2，微扩散焊的温度T4需满足：T1≤T4≤T2，微扩散焊的时间为5～10min。本专利技术在微扩散步骤中，选择Cu、Ni、Ag、Au等Sn基低温焊料更易浸润的金属薄片，可以获得超薄的软钎焊改性层。一方面，能够避免活性元素扩散至金属薄片的表面，影响浸润效果；另一方面，有利于将改性层的整体厚度控制在150μm以下，实现超薄的效果。
[0016]其中，微扩散焊是本专利技术中的关键步骤，该步骤既需要保持金属片的完整性，同时也要使金属片与活性钎料合金发生扩散，形成一定的结合。因此，本专利技术将微扩散焊的温度设置为T1≤T4≤T2，使微扩散焊温度处于钎料合金的熔化温度区间内，以达到上述要求。若温度高于上述范围，钎料合金中的活性元素会通过金属片熔化的晶界扩散至金属片表面，影响后期的润湿效果；如温度低于上述范围，焊合率偏低，难以得到理想的微扩散焊效果。此外，微扩散焊的时间也需要严格控制，本专利技术限定了微扩散焊的时间为5～10min，此时活性钎料的流动性不强，且焊接时间较短，钎料仅与金属薄片的表面扩散焊合，不会穿过金属薄片并扩散至其表面。这样加工方式获得的改性层结构更加完美，且与常规的扩散焊相比，能够显著缩短实验所需的时间。
[0017]进一步的，步骤S3也需要在真空条件下进行，且真空度为5
×
10
‑4Pa～7
×
10
‑3Pa，与步骤S2相同，采用二级真空系统对焊接环境的真空度进行控制和维持。
[0018]在步骤S3中，金属薄片的厚度为15～30μm本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯薄膜表面超薄软钎焊改性层的制备方法，包括以下步骤：S1、在石墨烯薄膜上加工待改性区；S2、将活性钎料合金放置于所述待改性区上方，在真空条件下进行钎焊，在待改性区表面形成第一改性层；S3、将金属薄片置于所述第一改性层表面，在真空条件下进行微扩散焊，在第一改性层表面形成第二改性层，即获得石墨烯薄膜表面超薄软钎焊改性层。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，在石墨烯薄膜上加工待改性区的方法包括：将石墨烯薄膜裁剪成一定规格，在裁剪后的石墨烯薄膜上切割若干渗透通孔或凹坑。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，活性钎料合金的熔化温度区间为T1～T2；活性钎料合金选自Sn基、Al基、Cu基、Ag基、Ni基合金中的任意一种，活性钎料合金的组成元素还至少包含Ti、Cr、Zr、Al、Si、B中的一种。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，钎焊的温度为T3，且T2+10≤T3≤T2+100；钎焊的时间为...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖勇，程凯，赵宇，张建，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：