碳材及其应用制造技术

本申请实施例提供一种碳材及其应用，该碳材包括多层堆叠的碳原子层，碳材中多层堆叠的碳原子层的层间旋转堆叠占比≥20％，碳材的面内热扩散系数≥750mm2/s。本申请实施例的碳材通过特定工艺控制其碳原子层的层间旋转堆叠占比≥20％，从而使得碳材具有较高的面内热扩散系数，可以满足高热通量设备的散热需求。本申请还提供了包含该碳材的电子设备、散热模组、电池系统和半导体结构。电池系统和半导体结构。电池系统和半导体结构。

【技术实现步骤摘要】
碳材及其应用
[0001]本申请是分案申请，原申请的申请号是202111278314.4，原申请日是2021年10月30日，原申请的全部内容通过引用结合在本申请中。


[0002]本申请实施例涉及散热
，特别是涉及一种碳材及其应用。

技术介绍

[0003]随着电子设备小型化、高集成化、多功能化的发展，电子设备中的热点失效问题已成为消费电子领域的关键挑战。为了快速地将大功耗芯片的热点进行均热，传统的手段为使用热管(Heat Pipe，HP)或均热板(vapor chamber，VC，也叫平面热管)进行均热。但是HP或VC均热存在厚度高、体积大、质量重、不可柔性自由弯折、成本高等缺点，不适用于小型电子产品如终端折叠手机、穿戴设备(眼镜、手表)、及对安全性能要求较高的震动场合下车载电池领域。
[0004]高定向碳材料由于其具有较高的热扩散系数、导热系数、优异的稳定性、抗腐蚀性，因此成为学术界及工业界的研究热点。导热石墨片是一类最早引入消费电子领域的导热散热材料，目前已广泛应用于液晶电子背屏、笔记本电脑、能源功率器件、发光二极管、终端手机等领域。其中，人工石墨膜以聚酰亚胺为原材料制备，受原材料和石墨化工艺路线制约，现有人工石墨膜具有热扩散系数低(≤700mm2/s)、导热系数低(通常低于1200W/mK)、成膜厚度薄(≤80μm)等缺点，从而难以满足高热通量，对散热均热薄膜厚度要求高(≥200μm)的场景。而石墨烯虽然理论上具有5300W/mK的超高导热系数，但现有业界制备的石墨烯膜内部缺陷多，石墨化程度低，导致面内(即XY向)热扩散系数≤700mm2/s，原膜内聚力低，无法形成厚度≥0.2mm的原膜，因此也较难满足高热通量，对散热均热薄膜厚度要求高的场景。

技术实现思路

[0005]鉴于此，本申请实施例提供一种碳材及其应用，该碳材的面内热扩散系数≥750mm2/s，具有良好的热扩散性能，能够满足高热通量设备的散热需求。
[0006]具体地，本申请实施例第一方面提供一种碳材，所述碳材包括多层堆叠的碳原子层，所述碳材中，所述多层堆叠的碳原子层的层间旋转堆叠占比≥20％，所述碳材的面内热扩散系数≥750mm2/s。
[0007]碳材中，多层碳原子层部分以ABA堆叠方式(Graphite carbor，G碳)堆叠，另一部分以旋转堆叠方式(Turbostratic carbon，Ts碳)堆叠，旋转堆叠即ABC堆叠。由于ABA堆叠结构相对ABC堆叠结构具有更窄的碳原子层层间距，而较窄的层间距将导致层间声子散热较为严重，因此会使得材料的热扩散系数和导热系数难以大幅度提升，本申请实施例的碳材中碳原子层的旋转堆叠占比较高，相应地ABA堆叠占比降低，碳原子层旋转堆叠占比的提升使得碳材的面内热扩散系数大幅提升。本申请实施例的碳材具有非常高的热扩散系数，
能够实现X
‑
Y平面方向的快速热扩散，可以以大面积的膜或片或板的形式应用于具有高散热需求的设备中，为设备发热点均热，快速转移热点热量，防止热点失效问题的发生，提高设备的安全稳定性。
[0008]本申请实施方式中，所述碳材的晶粒在晶体学上的L
c
尺寸大于或等于50nm。本申请碳材的晶粒L
c
尺寸较大，有利于获得较大厚度范围内具有原生膜特性的碳材，从而有利于碳材在散热均热薄膜厚度要求高的场景中的应用，避免采用多层胶进行粘合来获得较大厚度的碳材，从而更好地满足未来5G更高功耗的设备的散热需求。
[0009]本申请实施方式中，所述碳材中C＝C的占比≥80％。碳材中碳碳双键C＝C的占比越高，则表明碳材的石墨化程度越高，石墨化程度越高越有利于获得具有更高的热扩散系数。
[0010]本申请实施方式中，所述碳材在厚度≤2mm范围内具有原生膜特性。本申请碳材在厚度≤2mm范围内具有原生膜特性，即2mm厚度范围内的碳材都不需要采用胶进行粘接，从而可以提高碳材的热扩散性能和结构稳定性，更好地适应大厚度应用需求。
[0011]本申请实施方式中，所述碳材可弯折。由于碳材具有可弯折的特性，因而能够更好地满足有弯折需求的应用场景，例如折叠屏终端设备，碳材在折叠屏终端设备中应用时可以是跨两屏或多屏设置。
[0012]本申请实施方式中，所述碳材的晶粒在晶体学上的L
a
尺寸大于或等于10μm。本申请碳材具有较大的单晶L
a
尺寸，将可以获得较大的声子自由程，从而提升碳材的导热性能，获得较高的热扩散系数。
[0013]本申请实施方式中，所述多层堆叠的碳原子层的层间距离≥0.3nm且≤0.5nm。较小的碳层间距有利于提升碳材的面内热扩散性能。
[0014]本申请实施方式中，所述碳材的断裂伸长率≥1％。本申请实施方式中，所述碳材的断裂强度≥30MPa。本申请实施例碳材具有较高的断裂伸长率和断裂强度，表明其柔软性能和弹性性能较好，抗拉伸性好，可以较好地应用于有弯折需求的应用场景中。
[0015]本申请实施方式中，所述碳材的表面粗糙度Ra小于或等于1μm。本申请实施例碳材表面粗糙度低，有利于声子传导，对碳材导热性能提升有较佳的效果。
[0016]本申请实施方式中，所述碳材包括碳膜、碳片或碳板。
[0017]本申请实施方式中，所述碳材由氧化石墨经石墨化得到。原材易得，利于工业化生产。
[0018]本申请实施例第二方面提供一种设备，所述设备包括上述的碳材。碳材可以作为散热件为设备散热。设备可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、可穿戴设备(如眼镜、手表等)、显示设备、电视、适配器、路由器、车载设备、车载显示器、网关、机顶盒、充电基座、散热模组、电池系统、功率器件、封装模组等具有散热需求的各种设备。
[0019]本申请实施例第三方面提供一种电子设备，所述电子设备包括上述的碳材。将本申请实施例的碳材应用于电子设备中进行散热均热，碳材散热均热性能好，且碳材在电子设备中的设置位置、形状尺寸设计灵活，易组装固定，能够较好地满足电子设备散热需求。
[0020]本申请实施方式中，所述电子设备包括显示屏、中框、后盖和电路板，所述中框用于承载所述显示屏和所述电路板，所述中框位于所述显示屏和所述后盖之间，所述中框与所述后盖之间，和/或所述中框和所述显示屏之间设置有所述碳材。
[0021]本申请实施方式中，所述电子设备还包括两相液冷散热件，所述两相液冷散热件固定连接于所述碳材表面，或者所述两相液冷散热件部分或全部嵌设于所述碳材中。
[0022]本申请实施方式中，所述两相液冷散热件与所述碳材胶黏连接或者焊接连接。
[0023]本申请实施方式中，所述两相液冷散热件包括热管和/或均热板。
[0024]本申请实施例还提供一种散热模组，所述散热模组包括上述的碳材。
[0025]本申请实施方式中，所述散热模组包括基座和设置在所述基座上的散热翅片，所述基座和/或所述散热翅片采用所述碳材。
[0026]本申请实施方式中，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳材，其特征在于，所述碳材包括多层堆叠的碳原子层，所述碳材的面内热扩散系数≥750mm2/s，所述碳材的断裂伸长率≥1％。2.根据权利要求1所述的碳材，其特征在于，所述碳材中，所述多层堆叠的碳原子层的层间旋转堆叠占比≥20％。3.根据权利要求1或2所述的碳材，其特征在于，所述碳材的晶粒在晶体学上的L
c
尺寸大于或等于50nm。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的碳材，其特征在于，所述碳材在厚度≤2mm范围内具有原生膜特性。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的碳材，其特征在于，所述碳材的晶粒在晶体学上的L
a
尺寸大于或等于10μm。6.根据权利要求1
‑
5任一项所述的碳材，其特征在于，所述碳材可弯折。7.根据权利要求1
‑
6任一项所述的碳材，其特征在于，所述碳材中C＝C的占比≥80％。8.根据权利要求1
‑
7任一项所述的碳材，其特征在于，所述多层堆叠的碳原子层的层间距离≥0.3nm且≤0.5nm。9.根据权利要求1
‑
8任一项所述的碳材，其特征在于，所述碳材的断裂强度≥30MPa。10.根据权利要求1
‑
9任一项所述的碳材，其特征在于，所述碳材的表面粗糙度Ra小于或等于1μm。11.根据权利要求1
‑
10任一项所述的碳材，其特征在于，所述碳材包括碳膜、碳片或碳板，所述碳材的厚度为0.1mm
‑
2mm。12.根据权利要求1
‑
11任一项所述的碳材，其特征在于，所述碳材由氧化石墨经石墨化得到。13.一种碳材的制备方法，包括以下步骤：采用大片径氧化石墨分散在溶剂中，并加入催化剂，得到氧化石墨浆料；将氧化石墨浆料涂覆在基板上烘干后，进行高温还原石墨化得到碳材。14.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于，所述催化剂包括过渡金属催化剂、硼系催化剂中的一种或多种。15.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，所述过渡金属催化剂的使用含量以过渡金属原子含量为基准，过渡金属原子的含量占所述氧化石墨含量的0.005％
‑
0.1％；所述硼系催化剂的使用含量以硼原子含量为基准，硼原子的含量占所述氧化石墨含量的0.05％
‑
1％。16.根据权利要求13
‑
15任一项所述的制备方法，其特征在于，所述大片径氧化石墨通过如下工艺制备得到：将石墨原材料加入浓硫酸和/或高锰酸钾，使所述石墨原材料在20℃
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40℃之间进行氧化剥离反应，得到大片径氧化石墨。17.根据权利要求16所述的制备方法，其特征在于，所述浓硫酸中的硫酸质量分数为85％
‑
98.3...

【专利技术属性】
技术研发人员：方浩明，靳林芳，
申请(专利权)人：华为技术有限公司，
类型：发明
国别省市：