一种高垂直导热石墨烯框架、复合材料及其制备方法技术

技术编号：40317949 阅读：5 留言：0更新日期：2024-02-07 21:00

本发明专利技术提供一种高垂直导热石墨烯框架、复合材料及其制备方法，通过在特定温度、特定压力下使石墨化处理过的垂直取向石墨烯气凝胶及复合有硅胶前驱体溶液、石蜡或相变合金等第二组分的石墨烯气凝胶表层塌缩、内部弯曲，固化定型后得到由垂直取向石墨烯主体层和平行取向石墨烯皮层构成的高垂直导热石墨烯框架及相应复合材料，热压过程中皮层石墨烯塌缩产生的层间Π‑Π相互作用和主体层石墨烯弯曲产生的片间嵌合结构可改善石墨烯框架及复合物压缩和弯曲过程中的导热稳定性。此外，皮层压缩过程中对第二组分产生的压延作用可有效减薄低导热组分表层厚度，降低复合材料界面接触热阻，增强界面导热效果，所得石墨烯框架及复合材料能满足电子基站、通讯雷达、新能源汽车和航空航天等电子设备高功率零部件的热管理需求。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于热管理材料，特别涉及一种高垂直导热石墨烯框架、复合材料及其制备方法。

技术介绍

1、随着电子元器件日趋小型化、集成化和高频化，微处理器的功率密度大幅增加，散热问题逐渐成为了制约现代电子工业进一步发展的关键因素。当电子产品中产生的热量无法被及时引导至外界并逐渐累积后，会导致电子元器件工作温度升高并对其性能、可靠性和使用寿命产生不良影响。填充于热源与均热板之间以及均热板和散热器之间的热界面材料或相变储热材料，可将热源产生的热量快速传递至散热器或转变为相变潜热储存后散热，避免出现局部高温。商业上，传统热界面材料或相变储热材料主要由高分子或相变材料基体和导热填料复合而成，热导率较低(5～10w m-1k-1)，难以满足快速发展的高功率电子设备散热需求。尽管垂直取向的石墨烯框架被认为可用于制备具有高面外热导率的热界面和相变储热材料，但其导热骨架与电子元器件接触时仅依靠石墨烯边缘接触，接触面积小，压缩模量大，界面热阻高。此外，垂直取向的石墨烯框架及其复合材料还存在石墨烯片间相互作用弱，压缩、弯曲易撕裂，复杂形变条件下热稳定差的问题。如何制备兼具高面外热导率、低界面热阻和优异物理机械性能的高垂直导热石墨烯框架及其复合材料仍旧面临着巨大的挑战。

技术实现思路

1、本专利技术的目的在于提供一种高垂直导热石墨烯框架、复合材料及其制备方法。通过以氧化石墨烯溶液为粘结剂，层层堆积氧化石墨烯泡沫后定向切割制备具有垂直取向的氧化石墨烯气凝胶。通过高温石墨化恢复石墨烯面内缺陷，显著提高石墨烯导热单

2、本专利技术采用如下技术方案：一种高垂直导热石墨烯框架，由导热片组合而成，所述导热片由一层或多层石墨烯片相互搭接而成；所述导热片的中部区域沿近垂直方向取向，上下两端沿近平面方向取向；导热片的中部区域组成框架的主体层，导热片的上下两端分别构成位于主体层上下两侧的皮层；所述近垂直方向为：与厚度方向呈夹角0～15°；近平面方向为：与框架表面呈夹角0～10°。

3、作为本领域公知常识，石墨烯片具有较好的导热性能，一般来讲，含氧量低于1％，拉曼光谱中id/ig低于0.02的石墨烯片即可适用于本申请。且在本申请要求的热还原温度下通过本领域常规的热还原手段即可获得含氧量低于1％，拉曼光谱中id/ig低于0.02的石墨烯片。所述id/ig为石墨烯拉曼光谱中d峰与g峰的强度之比。

4、进一步地，所述主体层与皮层厚度之比为40～200：1。

5、进一步地，所述导热片具有褶皱，相邻两个导热片通过褶皱形成嵌套结构。

6、本专利技术还提供一种高垂直导热石墨烯框架复合材料，由高垂直导热石墨烯框架与填充在框架内的功能组分构成。

7、进一步地，功能组分为硅胶、石蜡和相变合金中的一种。

8、一种高垂直导热石墨烯框架的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

9、(1)将浓度为5～20mg ml-1的氧化石墨烯溶液刮涂成膜，干燥后置于体积分数为5～85％的水合肼溶液中发泡15～300min，用乙醇置换水合肼溶液后置于40～60℃烘箱中干燥，得到氧化石墨烯泡沫膜。其中，发泡温度为20～90℃；

10、(2)以浓度为1～5mg ml-1的氧化石墨烯溶液为粘结剂，层层堆积步骤(1)得到的氧化石墨烯泡沫膜，堆积过程中施加10～100psi压力，并加热至60～80℃，得到氧化石墨烯泡沫块体；

11、(3)对步骤(2)得到的氧化石墨烯泡沫块体进行切割，切割方向与石墨烯片层夹角为75～90°，切割速度为0.1～5mm/min，切割间距为100μm～10mm，得到取向氧化石墨烯切片；

12、(4)对步骤(3)得到的取向氧化石墨烯切片置于氩气氛围中进行高温热处理。其中，热处理温度为2200～3200℃，热处理时间为1～3h，得到高度石墨化的取向石墨烯气凝胶切片；

13、(5)沿着厚度方向对步骤(4)得到的取向氧化石墨烯切片进行压缩定型，压缩率为5～50％，定型时间为30min～6h，得到高垂直导热石墨烯框架。

14、以上，所得到的高垂直导热石墨烯框架，适用温度范围为-200～3200℃，可挥发物组分<0.01％；在10-50psi压力下压缩率>50％，垂直面热导率范围为46.7～79.1w m-1k-1，当厚度为0.1～5mm且施加压力为10psi时，热阻抗范围为0.003～0.21k cm2 w-1。

15、一种高垂直导热石墨烯框架复合材料的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

16、(1)将浓度为5～20mg ml-1的氧化石墨烯溶液刮涂成膜，干燥后置于体积分数为5～85％的水合肼溶液中发泡15～300min，用乙醇置换水合肼溶液后置于40～60℃烘箱中干燥，得到氧化石墨烯泡沫膜。其中，发泡温度为20～90℃；

17、(2)以浓度为1～5mg ml-1的氧化石墨烯溶液为粘结剂，层层堆积步骤(1)得到的氧化石墨烯泡沫膜，堆积过程中施加10～100psi压力，并加热至60～80℃，得到氧化石墨烯泡沫块体；

18、(3)对步骤(2)得到的氧化石墨烯泡沫块体进行切割，切割方向与石墨烯片层夹角为75～90°，切割速度为0.1～5mm/min，切割间距为100μm～10mm，得到取向氧化石墨烯切片；

19、(4)对步骤(3)得到的取向氧化石墨烯切片置于氩气氛围中进行高温热处理。其中，热处理温度为2200～3200℃，热处理时间为1～3h，得到高度石墨化的取向石墨烯气凝胶切片；

20、(5)将硅胶前驱体溶液、熔融态石蜡或相变合金灌注进入步骤(4)得到的高垂直导热石墨烯框架中，沿着厚度方向对其进行热压定型，压缩率为5～50％，热压时间为30min～6h，热压温度为80～200℃，固化定型后得到高垂直导热石墨烯框架复合物。

21、进一步地，步骤(5)所述的固化定型包括硅胶等高分子前驱体溶液的化学反应交联、熔融态相变储热材料冷却时发生的物相变化。

22、以上，所得到的高垂直导热石墨烯框架复合材料，垂直面热导率范围为83.3～151.2w m-1k-1，并具有弹性或相变储热性能中的一种。

23、本专利技术的有益效果在于：

24、(1)本专利技术皮芯结构取本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种高垂直导热石墨烯框架，其特征在于，由导热片组合而成，所述导热片由一层或多层石墨烯片相互搭接而成；所述导热片的中部区域沿近垂直方向取向，上下两端沿近平面方向取向；导热片的中部区域组成框架的主体层，导热片的上下两端分别构成位于主体层上下两侧的皮层；所述近垂直方向为：与厚度方向呈夹角0～15°；近平面方向为：与框架表面呈夹角0～10°。

2.根据权利要求1所述的石墨烯框架，其特征在于，所述主体层与皮层厚度之比为40～200：1。

3.根据权利要求1所述的石墨烯框架，其特征在于，所述导热片具有褶皱，相邻两个导热片通过褶皱形成嵌套结构。

4.一种高垂直导热石墨烯框架复合材料，其特征在于，包括权利要求1-3任一项所述的石墨烯框架，和，填充于所述石墨烯框架主体层的功能组分。

5.根据权利要求4所述的热界面材料，其特征在于，功能组分为硅胶、石蜡、相变合金中的一种。

6.一种高垂直导热石墨烯框架的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

7.一种高垂直导热石墨烯框架复合材料的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：