导热界面复合材料及其制备方法技术

导热界面复合材料，它是石墨烯

【技术实现步骤摘要】
导热界面复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及热界面材料制备
，具体涉及一种石墨烯
/
碳纤维协同导热的热界面材料，即热界面片材
(
或片状热界面材料
)。

技术介绍

[0002]随着电子设备的小型化
、
集成化
、
智能化
、
高性能化，电子元件尤其是芯片的发热功率密度持续提高，导致电子设备的热管理问题成为棘手的问题，热界面材料起到填充热源与散热设备空隙
、
实现热量快速传输的作用，传统的导热硅胶片热导率只有1～
10W/mk
，难以满足导热散热的需求
。
碳材料具有密度低
、
耐腐蚀
、
耐高温
、
热膨胀系数低等性能优势，高结晶性碳具有相当高的热导率，比如，石墨烯的热导率高达
5300W/mk
，沥青基碳纤维热导率高达
300
～
1200W/mk
，碳材料成为开发高性能热界面材料的重要填料
。
[0003]常规热界面材料主要基于鳞片石墨
、
膨胀石墨
、
碳纳米管
、
石墨烯
、
氧化铝
、
氮化铝等导热填料通过共混或热压来制备，由于填料之间巨大界面热阻，即使在高填充量下
(
大于
50wt.
％
)
复合材料的热导率也难以达到
10W/mk。
建立连续导热路径
、
降低界面热阻并建立垂直取向是制备高导系数热界面材料的核心要素
。Kojiro Uetani
等通过静电植绒技术实现了碳纤维取向，与橡胶复合后制备了垂直取向的热界面材料，碳纤维填充量为
13.2wt.
％时，垂直热导率最高可以达到
23.3W/mK(AdvancedMaterials
，
2014
，
26
，
5857
‑
5862)。
碳纤维的填充量与取向度受制于静电植绒技术的限制，热导率难以进一步提升
。CN 111500070A
公开了一种碳纤维取向热界面材料及其制备方法
。
该专利利用震动的方式使短切碳纤维沿热界面材料的厚度方向定向排列，形成纵向的导热通道，最高热导率仅达到
20.5W/mK
，受制于震动取向工艺及短切碳纤维的长度，难以形成连续导热通路，热导率很难大幅提高
。
[0004]CN111363358A
公开了一种取向型高导热界面材料及其制备方法
。
该专利利用长纤维材料实现连续的导热通路，长纤维材料规整排列于预定的形状壳体内，通过粘合剂树脂将纤维材料进行固化成型，然后根据需要裁切所需厚度，得到片状高导热取向型界面材料，填充
60wt
％碳纤维热导率最高达到
79W/mK
，该方法虽然构建了连续导热通路，但热导率的提高只能依靠填充量的增大，热导率难以突破
80W/mK
，也不具有连续规模化生产的能力
。
[0005]CN112143465A
公开了一种高性能导热界面材料及其制备方法
。
该方法利用金属粉末
、
氮化物粉末
、
碳材料与液体硅胶混合后，经流延或者压延形成片状结构，再卷曲为圆筒状，经固化后沿径向切割得到热界面材料，然而，此种方法无法保证导热填料在微观上的良好取向，导热填料也不能贯穿厚度方向
。
[0006]CN112208173 A
公开了一种热界面材料及其制备方法
。
该专利利用石墨微粉与热固性树脂分散均匀，然后采用涂布方式，实现石墨微粉在热固性树脂中的水平取向，进一步将水平取向的石墨微粉
/
热固性树脂层层叠加，然后压制成型，采用切割方式实现石墨微粉在厚度方向的取向，制备得到导热系数
10
～
50W/mK
的热界面材料，受限于石墨微粉的尺寸，无法构建连续的导热通路，热导率无法突破
50W/mK。
综上，传统热界面材料的制备方法与导热能力已经无法满足电子设备高集成度
、
高性能化
、
高功率密度对导热散热的需求，基于
此，开发一种填充量低
、
导热系数高
、
制备工艺简单，制备方法拓展性强的热界面材料具有重要的意义
。

技术实现思路

[0007]针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的是在于提供了一种石墨烯
/
碳纤维协同导热的热界面材料制备方法，该方法制备工艺简单，效率高，垂直导热系数极高
。
通过石墨烯粘接固定了碳纤维的取向排列，构建了连续无中断的导热通路，并通过石墨烯在碳纤维之间的相互连接，提高了导热通路的数量，实现协同增强导热的效果
。
[0008]根据本专利技术的第一方面，本专利技术提供一种热界面片材
(
或片状热界面材料
、
导热界面复合材料
)
，即，石墨烯
/
碳纤维协同导热的片状热界面材料，其中：
1)
由石墨烯类导热填料和碳纤维均匀构成的导热材料层与聚氨酯
(PU)
泡沫层在片材的平面方向或水平方向上交替分布
(
或交替排列，例如这两种层状材料以涡旋方式或叠层方式交替分布或排列
)
；
2)
导热材料层与聚氨酯泡沫层的界面垂直于或基本上垂直于片材
(
导热界面复合材料
)
的上下表面
(
即正面和背面
)
；和
3)
在导热材料层中均匀排列的碳纤维垂直于或基本上垂直于片材
(
导热界面复合材料
)
的上下表面
(
即正面和背面
)
，并且
90
‑
100
％
、
优选
95
‑
100
％
(
例如
96、97、98
和
99
％，该百分比是基于碳纤维的总数量
)
的碳纤维的两端分别与片材
(
导热界面复合材料
)
的上下表面
(
即正面和背面
)
齐平
。
优选，另外，在聚氨酯泡沫层的泡孔内充分吸附了石墨烯类导热填料，同时在碳纤维的周围环绕分布了石墨烯类导热材料
。
[0009]一般，这里所述的石墨烯类包括石墨烯，和
/
或，经本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
导热界面复合材料，它是石墨烯
/
碳纤维协同导热的片状热界面材料，其中：
1)
由石墨烯类导热填料和碳纤维均匀构成的导热材料层与聚氨酯泡沫层在片材的平面方向或水平方向上交替分布；
2)
导热材料层与聚氨酯泡沫层的界面垂直于或基本上垂直于片状热界面材料的上下表面，即正面和背面；和
3)
在导热材料层中均匀排列的碳纤维垂直于或基本上垂直于片状热界面材料的上下表面，即正面和背面，并且
90
‑
100
％
(
优选
95
‑
100
％，例如
96、97、98
和
99
％
)
的碳纤维的两端分别与片状热界面材料的上下表面齐平，该百分比是基于碳纤维的总数量；优选，聚氨酯泡沫层是开孔型的软质聚氨酯泡沫薄层；优选，石墨烯类导热填料包括石墨烯和经还原的氧化石墨烯的结合物；优选，片状热界面材料的厚度方向的热导率是
70
～
300W/mK
；和，优选，片状热界面材料的厚度是
50
μ
m
～
30mm。2.
根据权利要求1所述的导热界面复合材料，其中在聚氨酯泡沫层的泡孔内充分吸附了石墨烯类导热填料，同时在碳纤维的周围环绕分布了石墨烯类导热填料；和
/
或导热材料层与聚氨酯泡沫层在片材的平面方向或水平方向上交替排列，更优选，这两种层状材料以涡旋方式或叠层方式交替分布或排列；和
/
或聚氨酯泡沫层的厚度为
200
～
900
μ
m
，优选
250
～
850
μ
m
，优选
300
～
800
μ
m
，优选
350
～
750
μ
m
，优选
400
～
700
μ
m
，如
500、600
μ
m
，和
/
或聚氨酯泡沫层的泡沫孔的大小为
120
～
510
微米，优选
150
～
500
微米，优选
170
～
480
微米，优选
180
～
460
微米，优选
200
～
450
微米，优选
210
～
420
微米，优选
220
～
400
微米，优选
230
～
380
微米，和
/
或聚氨酯泡沫层可以是带状或薄层状；和
/
或在由石墨烯和碳纤维均匀构成的导热材料层中，在碳纤维之间浸渍了或填充了作为粘合胶的固化的硅橡胶或固化的环氧树脂
。3.
根据权利要求1或2所述的导热界面复合材料，其中导热界面复合材料的厚度方向的热导率是
90
～
295W/mK
，更优选
100
～
290W/mK
，更优选
110
～
285W/mK
，更优选
120
～
280W/mK
，例如
130、140、150、160、170、180、190、200、210、220、230、240、250、260
和
270W/mK
；和
/
或在导热界面复合材料的导热材料层中的石墨烯类导热填料包括石墨烯与还原的氧化石墨烯的结合物，并且石墨烯与还原的氧化石墨烯的质量比为
1:10
～
1:1
，优选
1:9
～
1:1
，优选
1:8
～
1:1
，优选
1:7
～
1:1
，优选
1:6
～
1:1
，优选
1:5
～
1:1
，优选
1:4
～
1:1
，优选
1:3
～
1:1
，优选
1:3
～
1:1
，优选
1:2
～
1:1
；和
/
或在所述的导热界面复合材料中，碳纤维的质量为聚氨酯泡沫层质量的
333
～
1600wt
％，优选
400
～
1550wt
％，优选
500
～
1500wt
％，优选
600
～
1400wt
％，优选
700
～
1300wt
％，例如
750、800、900、1000、1100、1200、1250wt
％；和
/
或在所述的导热界面复合材料中，石墨烯类导热填料的总质量为聚氨酯泡沫层质量的
33
～
666wt
％，优选
50
～
640wt
％，优选
60
～
620wt
％，优选
65
～
600wt
％，优选
70
～
580wt
％；和
/
或上述导热界面复合材料的厚度是
60
μ
m
～
25mm
，优选
70
μ
m
～
20mm
，优选
80
μ
m
～
15mm
，优选
90
μ
m
～
12mm
，优选
100
μ
m
～
10mm
，例如
150、200、300、400、500、600、700、800、900
μ
m、1mm、1.1mm、1.5mm、1.8mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm
或
9mm
；和
/
或在导热界面复合材料的表面上具有涡旋形的纹路或线条，或具有层状排列结构
。
4.
制备以上权利要求1‑3中任何一项所述的导热界面复合材料的方法，该方法包括以下步骤：
1)
将氧化石墨烯和石墨烯分散在水中得到石墨烯
‑
氧化石墨烯的混合分散浆料，将聚氨酯泡沫的薄层带或薄片浸入到该分散浆料中以使得聚氨酯泡沫的薄层带或薄片充分吸收浆料，然后将吸收了浆料的薄层带或薄片取出并放置于离型膜上；
2)
将碳纤维进行裁剪以使得裁剪后的纤维长度等于或稍大于聚氨酯泡沫的薄层带或薄片的宽度
(
例如，碳纤维长度是薄层带或薄片的宽度的1～
1.2
倍
)
，将裁剪后的碳纤维平行于薄层带或薄片的宽度方向放置排布在薄层带或薄片上，用按压设备
(
例如毛刷
)
轻轻按压纤维以使得薄层带或薄片上的浆料润湿该纤维，并且还用步骤
1)
的浆料
(
例如用吸管吸取步骤
(1)
中的浆料
)
均匀涂覆在润湿的碳纤维上，然后将复合泡沫薄层带或薄片进行干燥
(
例如在
60
～
90℃
的温度下干燥，如在
60
～
90℃
的鼓风干燥箱中干燥
)
，该涂覆和干燥操作能够进行一次或重复进行两次或多次，以确保泡沫薄层带或薄片上吸附了足够量的石墨烯
‑
氧化石墨烯复合物作为导热填料；
3)
将以上步骤
2)
获得的泡沫薄层带或薄片进行卷曲收卷或层层铺叠，然后干燥
(
例如在
60
～
90℃
的温度下干燥，如在
60
～
90℃
的鼓风干燥箱中干燥
)
或无需干燥，得到圆柱状
(
例如卷材形式
)
或长方体状
(
例如堆叠体形式
)
的框架结构；然后，将此框架结构置于高温炉中，在惰性气体的保护下在高温下进行热处理
(
例如在
600
～
1500℃、
优选
700
～
1450℃、
更优选
800
～
1400℃
的温度下热处理，该热处理的时间一般为1‑4小时，例如2或3小时，即，进行高温热还原
)
，得到石墨烯
/
碳纤维导热碳骨架；优选，该热处理
(
即高温热还原
)
的温度例如是
650、750、850、900、950、1000、1100、1200、1300
或
1350℃
；
4)
将石墨烯
/
碳纤维导热碳骨架放入模具或容器
(
例如聚四氟乙烯模具或容器
)
中，将液体粘合胶
(
例如，液体硅橡胶或液体环氧树脂
)
灌入装有石墨烯
/
碳纤维导热碳骨架的模具或容器中并且浸没其中的石墨烯
/
碳纤维导热...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢红斌，陈志强，张佳佳，曾佳熙，王轶宸，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：