一种石墨烯导热膜以及高效生产石墨烯导热膜的方法技术

本发明专利技术涉及一种石墨烯导热膜以及高效生产石墨烯导热膜的方法，所述导热膜的膜厚至少100μm、密度至少2g/cm3、导热系数至少1750W/m

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯导热膜以及高效生产石墨烯导热膜的方法


[0001]本专利技术涉及石墨烯
，具体涉及一种石墨烯导热膜以及高效生产石墨烯导热膜的方法。

技术介绍

[0002]石墨烯材料是一种具有sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格结构的功能材料。石墨烯材料完美的晶体结构赋予其良好的电学、热学、光学、力学等特性，使其在化工、储能、电子器件、生物医药、航空航天等领域具有广泛的应用潜能。
[0003]目前石墨烯材料常用的制备方法有机械剥离法、液相剥离法、SiC外延生长法、化学气相沉积法和有机合成法等。机械剥离法是最早获得石墨烯的方法，其利用外加物理作用力以克服石墨片层之间的分子间作用力，从而得到石墨烯。这种方法得到石墨烯是目前已知方法中质量最高的，但其制备的偶然性较大且产率低，得到的石墨稀尺寸较小，难以满足大面积、大量制备的要求。液相剥离法是将石墨分散在溶剂中，通过物理和化学手段辅助剥离得到石墨烯。这种方法可以得到石墨烯分散液，但其质量也相对比较低。SiC外延生长法主要是通过对SiC进行高温加热使其表面的Si原子升华，剩余C原子在冷却时将重新堆积形成石墨烯。这种方法得到的石墨稀质量较高，面积也较大，但是制备温度高、石墨烯形貌难以控制。化学气相沉积法是直接对碳源进行加热使其分解，用载气运输C原子进入反应区，并在催化金属表面生长石墨烯。这种方法具有制备容易、成本低，石墨烯面积大、质量高、层数可控、带隙可调的优点，对下游的应用开发具有重要意义，因此受到越来越多研究者的广泛关注。此外，还可以利用有机合成法，用碳原子或小分子合成石墨烯，这样可以精确地控制石墨烯的结构，但是该方法复杂且产率很低。
[0004]通常采用聚酰亚胺(PI)膜高温碳化以及石墨化处理制得高密度的石墨烯导热膜，然而该方法对原材料PI膜的技术要求较高，因此原材料PI膜成本也比较高，相对增加了石墨烯的生产成本。另外还可以采用氧化石墨烯为原料，经过分散，得到氧化石墨烯浆料，再采用涂布方式涂布在基材上，通过烘干得到氧化石墨烯膜，然后再通过碳化还原和高温石墨化处理得到石墨烯导热膜(如CN108203091A)，但是该方法工序复杂，且能耗很高，其中石墨化阶段需要加热到2850℃～3200℃，必然需要大量的电力消耗，另外原材料氧化石墨烯在制备过程中会有大量含强酸、强氧化剂的废水排放，对环境也会造成严重污染。
[0005]因此如何简化石墨烯导热膜的制备过程、降低生产成本并同时保证石墨烯导热膜的高导热性能是本专利技术要解决的技术问题。

技术实现思路

[0006]为了解决上述技术问题，而提供一种石墨烯导热膜以及高效生产石墨烯导热膜的方法。本专利技术方法生产石墨烯导热膜效率高，且工艺过程简单，制得的石墨烯导热膜其导热性能较好。
[0007]为了达到以上目的，本专利技术通过以下技术方案实现：
[0008]一种石墨烯导热膜，其膜厚至少100μm、密度至少2g/cm3、导热系数至少1750W/m
·
K、热扩散系数至少920mm2/s。
[0009]上述石墨烯导热膜的高效生产石墨烯导热膜的方法，包括如下步骤：
[0010](1)将固态碳粉置于坩埚中，然后加入密度比所述固态碳粉大的金属，将所述坩埚置于加热炉内，在所述加热炉内通入保护气体并维持加热炉内部环境处于常压状态，加热所述坩埚至其内金属形成熔体并达到反应温度后保温，所述固态碳粉在金属形成熔体的过程中于金属熔体内逐渐上浮并溶解达到饱和后在金属熔体的表面析出进而生长形成较薄的石墨烯膜，随着这个过程重复进行在金属熔体表面就形成至少100μm厚度均匀高质量的石墨烯导热膜；
[0011](2)随炉降温后，在所述石墨烯导热膜的表面进行液氮喷雾使所述石墨烯导热膜与金属的表面产生界面分离，取出并获得石墨烯导热膜产品。
[0012]进一步地，所述金属为纯镍、纯铁、铁镍合金、含镍或铁的合金中的一种，所述含镍或铁的合金中镍或铁的含量在90wt％以上，这些金属在熔体状态均对固态碳粉具有≥0.05wt％的较高溶解度；所述保护气为氮气、氦气、氩气中的一种；所述固态碳粉为焦炭、炭黑、活性炭、石墨中的一种或多种，其中石墨具体可以是天然石墨、人工石墨、膨胀石墨等。
[0013]再进一步地，所述固态碳粉的粉末直径D50为1～50μm，优选1～25μm，更优选1～10μm。
[0014]进一步地，所述固态碳粉的用量是所述金属重量的0.3～3wt％；形成的所述金属熔体占所述坩埚容积的至少60％。
[0015]进一步地，步骤1中加热并达到反应温度后保温的程序是：以10～15℃/min的速度从室温升温至1460～1600℃并保温0.5～4h。
[0016]进一步地，步骤2中所述液氮喷雾的流量5～30mL/s、压力至少为0.5MPa。
[0017]有益技术效果：
[0018]本专利技术通过将固态碳粉直接敷设在坩埚的底部，在固态碳源粉末上加入金属，由于所用固态碳源的密度小于金属，因此在加热形成金属熔体的过程中，位于坩埚底部的固态碳粉在熔体中向上浮动，由于选用的金属在熔体状态对碳具有较好的溶解度，溶解在金属熔体中的碳呈非晶态结构，在高温下具有自发向晶体结构转变的趋势，因此当金属熔体溶解的碳达到饱和后，碳原子会在金属熔体的表面析出进而生长形成较薄的石墨烯膜，随之溶解在金属熔体中的碳便处于非饱和状态，上浮的碳粉就能在金属熔体中继续溶解，然后在熔体表面析出并进行石墨烯膜生长，随着这个过程重复进行，在金属熔体表面就形成至少100μm厚度均匀高质量的石墨烯导热膜；另外由于形成的一定厚度的石墨烯导热膜与所选金属(铁和或/镍及其合金)具有较高的界面结合力，常规降温方式的温度变化率小，其驱动力不足以将一定厚度的石墨烯导热膜从金属的界面处分离，而采用化学试剂将金属进行腐蚀以分离得到石墨烯膜的方法，不仅成本高昂，还会造成大量酸性废水排放，因此本专利技术后续在随炉冷却后，采用液氮喷雾使金属基材表面产生过冷收缩，而金属基材表面的过冷收缩率远远大于石墨烯导热膜的收缩率(由于两者热膨胀系数的巨大差异)，因此石墨烯导热膜在金属表面发生自动分离，从而可顺利取出并获得大面积的石墨烯导热膜产品。
[0019]本专利技术生产石墨烯导热膜产品的方法，制备过程无需进行浆料混合、涂布、烘干、特别是碳化还原和石墨化等一系列工序，制备工艺大大简化，且易于操作，能耗更低，安全
高效，同时得到的大面积石墨烯导热膜产品的导热性能优于现有技术水平。
附图说明
[0020]图1为实施例1生产的石墨烯导热膜产品的拉曼图。
具体实施方式
[0021]下面将结合本专利技术的实施例和附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本专利技术及其应用或使用的任何限制。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯导热膜，其特征在于，所述导热膜的膜厚至少100μm、密度至少2g/cm3、导热系数至少1750W/m
·
K、热扩散系数至少920mm2/s。2.高效生产如权利要求1所述的石墨烯导热膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将固态碳粉置于坩埚中，然后加入密度比所述固态碳粉大的金属且所述金属在熔体状态对所述固态碳粉具有≥0.05wt％的溶解度；将所述坩埚置于加热炉内，在所述加热炉内通入保护气体并维持加热炉内部环境处于常压状态，加热所述坩埚至其内金属形成熔体并达到反应温度后保温，在金属熔体表面形成至少100μm厚度均匀的石墨烯导热膜；(2)随炉降温后，在所述石墨烯导热膜的表面进行液氮喷雾使所述石墨烯导热膜与金属的表面产生界面分离，取出并获得石墨烯导热膜产品。3.根据权利要求2所述的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：王增奎，郭冰，
申请(专利权)人：江苏江南烯元石墨烯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：