一种高垂直导热石墨烯膜的制备方法及其应用技术

本发明专利技术提出一种高垂直导热石墨烯膜的制备方法，该方法利用氧化石墨烯纳米片层的内部缺陷在高温下实现碳碳层间交联，搭建垂直方向层间的声子传输桥梁，进而赋予石墨烯膜具有优异的垂直导热性能；此外，由于层间共价键的形成，石墨烯层间的电子传输及耐剪切性能也得到了极大的提升，在大功率电子元件及高功率器件等高热管理领域展现出应用潜力。等高热管理领域展现出应用潜力。等高热管理领域展现出应用潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种高垂直导热石墨烯膜的制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于功能材料
，具体涉及一种高垂直导热石墨烯膜的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]石墨烯(Graphene)是从石墨材料中剥离出来，由碳原子组成的单层原子厚度的二维晶体。石墨烯狭义上指单层石墨，厚度为0.335nm，仅有一层碳原子。完美的石墨烯具有理想的二维晶体结构，由六边形晶格组成。石墨烯具有极强的导热性能，单层石墨烯的热导率可达5000W/mK，是室温下纯金刚石的3倍，金属铜的12倍。石墨烯导热膜是一种由氧化石墨烯宏观组装且经过高温石墨化处理得到的一种散热膜材料，在水平方向上，石墨烯的导热系数可达到1300～2000W/mK，石墨烯膜的高导热特性，使其成为传统石墨散热膜的理想替代材料，广泛用于智能手机、平板电脑、大功率节能LED照明、超薄LCD电视等散热。
[0003]石墨烯导热膜中的高效率传热是由石墨烯片层内强sp2键连接所带来的，但是由于石墨烯膜层间只主要存在范德华作用力，片层间中大Π键的声子传输速度远低于化学键，导致层间垂直导热率较低，导热系数仅为5～20W/mK，相比水平方向的导热率低约两个数量级。而Π键之间的范德华作用力低于共价键，因此难以实现两者之间的转变，因此，石墨烯导热膜垂直方向的低导热成为热管理材料领域发展的制约瓶颈，使其在许多高功率器件等领域中的应用受限。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种高垂直导热石墨烯膜材料的制备方法，具有10W/mK以上的垂直导热率。本专利技术通过控制活化温度使得氧化石墨烯片层中缺陷调实现层间交联，实现了石墨烯在垂直方向的高导热特性，解决了石墨烯这类各向异性高导热碳材料在垂直方向的导热短板；同时，高垂直导热石墨烯材料的开发也为散热提供了更多途径，进而满足其在热管理领域中高效快速散热的紧迫需求。
[0005]具体的，本申请的技术方案为：一种高垂直导热石墨烯膜的制备方法，该方法为，将氧化石墨烯纳米片通过湿法组装铺膜，干燥后，在1600～2000摄氏度下高温碳活化，时间为30
‑
240min；在还原氧化石墨烯的同时，使得上下氧化石墨烯纳米片在缺陷处发生层间交联。在1600
‑
2000℃这一温度区间时，氧化石墨烯膜片层间的缺陷被活化，缺陷与缺陷之间易产生化学交联，因为为声子的传输提供的高效的通路，进而展现出较高的垂直导热率。当高温处理温度达到2000℃以上时，氧化石墨烯充分石墨化，进而形成三维的石墨晶体，单层石墨层间以非共价键形式连接，导致其层间声子散射剧烈，垂直导热率较低；当热处理温度低于1600℃时，氧化石墨烯膜层间存在大量的内部缺陷，由于此时的反应热力学能量降低，未达到缺陷与缺陷之间的反应活化能，导致声子在垂直方向传输时，容易被缺陷位点捕获，导致其垂直导热率极低。
[0006]在本专利技术某些实施例中，所述氧化石墨烯纳米片厚度为5nm以下，尺寸在1～30um
不等。氧化石墨烯的尺寸越小则可暴露出更多的边缘缺陷。
[0007]在本专利技术某些实施例中，通过减小所述氧化石墨烯纳米片的尺寸增加边缘缺陷，促进所述层间交联。例如，通过超声、机械剪切等手段减小所述氧化石墨烯纳米片的尺寸。
[0008]在本专利技术某些实施例中，通过对氧化石墨烯纳米片进行刻蚀以增加石墨烯纳米片的内部缺陷，促进所述层间交联。例如，采用双氧水、氢氧化钾进行刻蚀。具体的，该方法为：将氧化石墨烯悬浮液与双氧水或氢氧化钾溶液混合，加热反应后便可在片层内部制备不同含量的缺陷。
[0009]本专利技术还涉及上述方法制备得到的高垂直导热石墨烯膜在电子器件、热管系统、高温热防护等领域中的应用。
[0010]本专利技术的有益效果在于：
[0011](1)通过氧化石墨烯热处理的控制，使得层间形成sp2共价交联结构，为新型石墨烯碳材料的发展提供了新的发展方向。
[0012](2)层间交联结构的存在极大的提高了声子在垂直方向的传输，增强了石墨烯膜的垂直导热能力，进一步地显著提高了石墨烯膜的散热能力，在热管理领域中展现出巨大的发展潜力。
附图说明
[0013]图1为层间交联石墨烯膜材料的球差电镜图。
具体实施方式
[0014]为更进一步阐述本专利技术为实现预定专利技术目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本专利技术的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
[0015]实施例1
[0016]将厚度为2～5nm，平均尺寸为20um，浓度为10mg/cm3的氧化石墨烯溶液中加入质量分数1％的双氧水溶液，在60℃下加热反应4h，待反应完成后，将氧化石墨烯溶液进行刮涂，干燥成膜，随后将膜在1600℃下进行热处理4h，降温完成后便得到了高垂直导热的石墨烯膜材料，从图1的球差电镜图可以看出，该石墨烯膜中，石墨烯层间为sp2共价交联，进一步测得其中石墨烯膜的垂直导热率为20W/mK。
[0017]实施例2
[0018]将厚度为2～5nm，平均尺寸为20um，浓度为10mg/cm3的氧化石墨烯溶液中加入质量分数1％的双氧水溶液，在60℃下加热反应4h，待反应完成后，将氧化石墨烯溶液进行刮涂，干燥成膜，随后将膜在2000℃下进行热处理1h，降温完成后便得到了高垂直导热的石墨烯膜材料，其中石墨烯膜的垂直导热率为35W/mK。
[0019]实施例3
[0020]将厚度为2～5nm，平均尺寸为30um，浓度为10mg/cm3的氧化石墨烯溶液中加入质量分数1％的氢氧化钾，在60℃下加热反应4h，待反应完成后，将氧化石墨烯溶液进行刮涂，干燥成膜，随后将膜在1600℃下进行热处理30min，降温完成后便得到了高垂直导热的石墨烯膜材料，其中石墨烯膜的垂直导热率为17W/mK。
[0021]实施例4
[0022]将厚度为2～5nm，平均尺寸为1um，浓度为10mg/cm3的氧化石墨烯溶液进行刮涂，干燥成膜，随后将膜在1600℃下进行热处理4h，降温完成后便得到了高垂直导热的石墨烯膜材料，其中石墨烯膜的垂直导热率为14.5W/mK。
[0023]实施例5
[0024]将厚度为2～5nm，平均尺寸为20um，浓度为10mg/cm3的氧化石墨烯溶液，进行300W超声处理12h，随后将其进行刮涂，干燥成膜，随后将膜在2000℃下进行热处理4h，降温完成后便得到了高垂直导热的石墨烯膜材料，其中石墨烯膜的垂直导热率为22.8W/mK。
[0025]对比例1
[0026]将厚度为2～5nm，平均尺寸为20um，浓度为10mg/cm3的氧化石墨烯溶液直接进行刮涂，干燥成膜，随后将膜在1600℃下进行热处理4h，降温完成后便得到了石墨烯膜材料，垂直导热率仅为3.2W/mK。
[0027]对比例2
[0028]将厚度为2～5nm，平均尺寸为20um，浓度为10mg/cm3的氧化石墨烯溶液直接进行刮涂，干燥成膜，随后将膜在2000℃下进行热处理4h，降温完成后便得到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高垂直导热石墨烯膜的制备方法，所述石墨烯膜的垂直导热率在10W/mK以上；其特征在于，该方法为，将氧化石墨烯纳米片通过湿法组装铺膜，干燥后，在1600～2000摄氏度下高温碳活化30
‑
240min，使得上下氧化石墨烯纳米片在缺陷处发生层间交联，得到高垂直导热石墨烯膜。2.根据权利要求1所述的高垂直导热石墨烯膜的制备方法，其特征在于：所述氧化石墨烯纳米片厚度为5nm以下。3.根据权利要求1所述的高垂直导热石墨烯膜的制备方法，其特征在于：通过减小所述氧化石墨烯纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：张先雷，汪炜，
申请(专利权)人：湖北热流新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：