一种强化散热复合结构及其制备方法与流程

本发明属于散热冷却领域，具体来说是一种强化散热复合结构及其制备方法。

背景技术：

电子设备向小型化和集成化方向发展使得工作器件热流密度急剧增加，采取有效的热控系统是维持器件工作温度稳定的重要途径。此外，随着人类对太空的探索不断加深，卫星航天器所承载的任务也越来越复杂。电子热控技术对于维持航天器稳定的工作温度也是一项不容忽视的技术。在没有介质的太空中，散热只能通过热传导和热辐射来进行。为适应航天空间散热环境，常采取的措施是使用热导率稍高的金属材料将电子器件的产热快速导出。但是值得注意的是，铝板或铜板的热导率仍然较低(<400w/m·k)，不能最大化热损失。同时，铝板或铜板不易弯折、高密度等特性也限制了其广泛应用。

技术实现要素：

本发明提供了一种强化散热复合结构及其制备方法，该结构与传统的金属材料相比，一方面提高了热导率，有助于促使热量在整个辐射面上的传导，改善辐射面上温度分布不均的现象。同时具有的低太阳吸收率和高发射率特性可将吸收的太阳能最小化，并使热量较快地辐射到空间环境，有效地提高了整体的散热效率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种强化散热复合结构，包括石墨烯膜和沉积于所述石墨烯膜上表面的金属层，所述石墨烯膜和金属层设置有阵列通孔，所述金属层和阵列通孔内壁面附着有聚酰亚胺。

进一步地，所述金属层是银层或铝层。

进一步地，所述银层或铝层的厚度为200nm。

进一步地，所述阵列通孔的孔直径为100μm～300μm，孔中心距在0.4mm～0.8mm之间。

进一步地，所述石墨烯膜使用高定向热解石墨替换。

一种根据上述所述的强化散热复合结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：采用液相剥离hummers法制备氧化石墨烯溶液，并在气-液界面自组装形成氧化石墨烯膜，再通过碳化、石墨化和延压制得石墨烯膜；

步骤二：将步骤一所述的石墨烯膜用氧等离子体处理后再通过直流磁控溅射法在其上沉积所述金属层；

步骤三：采用激光刻蚀的方法在步骤二所形成的石墨烯膜和金属层的薄膜上形成阵列通孔，金属面朝向激光刻蚀方向；

步骤四：制备聚酰亚胺酸(paa)；

步骤五：将步骤四制备的聚酰亚胺酸涂覆在步骤三所形成的具有阵列通孔的薄膜上；

步骤六：将步骤五制备的涂覆有聚酰亚胺酸的薄膜进行抽滤，使聚酰亚胺酸能够渗入阵列通孔侧壁；

步骤七：将步骤六所获得的覆有聚酰亚胺酸的薄膜置于气氛炉中，经阶梯升温使得聚酰亚胺酸完成亚胺化从而获得强化散热复合结构。

进一步地，所述步骤一具体包括：取3g325目的天然鳞片石墨和1.5g硝酸钠与120ml浓硫酸在0℃温度的水浴中混合均匀，分批次加入15g高锰酸钾得到混合液，将混合液在0℃温度水浴中继续搅拌90min，随后将混合液转移到35℃的恒温水浴中，并使用机械搅拌器充分搅拌混合液，4h之后向混合液中缓慢添加120ml去离子水进行稀释，并使混合液的温度不超过100℃，添加完毕后，将得到的溶液在95℃的水浴中继续搅拌15min，得到氧化石墨溶液，经过两次10wt％稀盐酸和多次去离子水洗涤后获得氧化石墨烯溶液，取浓度为7mg/ml的氧化石墨烯溶液50ml缓慢倒置于底面为5cm×5cm的聚四氟乙烯模具中，在设定为35℃的真空干燥箱中干燥，在液-气界面自组装形成氧化石墨烯膜，再经过1000℃碳化、2800℃石墨化和机械延压过程制得所述石墨烯膜。

进一步地，所述步骤四具体包括：分别称量0.72克4,4'-二氨基二苯醚(oda)和1克均苯四甲酸酐(pmda)，按照先后顺序溶解于14克n,n-二甲基乙酰胺(dmac)溶液中得到混合溶液，并将混合溶液置于0℃恒温水浴中持续搅拌1h，最终获得聚酰亚胺酸(paa)。

进一步地，所述步骤七具体包括：将步骤六中覆有聚酰亚胺酸的石墨烯膜水平置于气氛炉中，通以500ml/min的氩气作为保护气，以0.5℃/min的升温速率升温，并分别在80℃、110℃、140℃、170℃、200℃和220℃保温30min以及在250℃保温60min完成亚胺化过程，最终得到强化散热复合结构。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明所形成的“类三明治”结构既拥有了碳薄膜材料的高导热特性，还结合了高红外发射率低太阳吸收率的柔性结构，同时结构中阵列孔的存在起到了抑制分层，强化机械强度的作用，在同样的散热条件下，高导热材料可加快高热流密度从热点向周围扩散，获得辐射面上较高的温度分布，根据表面辐射排散热量qr的计算公式(1)，高发射率和较大的温差可带来更多的散热总量，阵列孔所形成的空气通道可产生自然对流换热效果，带有一定的热量，该结构克服了碳材料在航天热控领域的缺陷，适用于系统与电子设备温度的热控制与热管理；

qr＝εσ(td⁴-tspc⁴)(1)

(2)本发明所述的通过直流磁控溅射法沉积的银层作为镜面反射层，厚度在200nm左右，处于该状态的银层能呈现出较强的金属性，在太阳光谱波段和红外波段均有较高的反射率，可提高上层聚合物的辐射特性；

(3)本发明所述的激光刻蚀形成的阵列通孔，在压力的作用下使得前驱液能够渗入阵列通孔侧壁，经过高温处理后可形成上层聚合物延伸到石墨层中的复合结构，该结构可有效提高上层聚合物与下层薄膜之间的附着力，提升复合薄膜整体的机械性能，也为热空气提供了流动通道，带来一定的自然对流散热。

(4)本发明制作工艺简单，多聚物涂层厚度易于控制，易于规模化生产，可大面积制备，并具有一定柔韧性，适用于很多复杂结构中，具有很大的实际应用价值。

附图说明

图1是本发明强化散热复合结构的制备流程图。

图2是本发明强化散热复合结构的结构示意及强化散热原理图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

结合图2，一种强化散热复合结构，包括石墨烯膜2和沉积于所述石墨烯膜2上表面的金属层3，所述石墨烯膜2和金属层3设置有阵列通孔，所述金属层3和阵列通孔内壁面附着有聚酰亚胺4。

进一步地，所述金属层3是银层或铝层。

进一步地，所述银层或铝层的厚度为200nm。

进一步地，所述阵列通孔的孔直径为100μm～300μm，孔中心距在0.4mm～0.8mm之间。

进一步地，所述石墨烯膜3使用高定向热解石墨替换。

结合图1，一种根据上述所述的强化散热复合结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：采用液相剥离hummers法制备氧化石墨烯溶液，并在气-液界面自组装形成氧化石墨烯膜，再通过碳化、石墨化和延压制得石墨烯膜2，该结构的存在可加快热传导，有效避免局部温度升高；

步骤二：将步骤一所述的石墨烯膜2用氧等离子体处理后再通过直流磁控溅射法在其上沉积所述金属层3的镜面反射层；

步骤三：采用激光刻蚀的方法在步骤二所形成的石墨烯膜2和金属层3的薄膜上形成阵列通孔，金属面朝向激光刻蚀方向；

步骤四：制备多聚物前驱液聚酰亚胺酸(paa)；

步骤五：将步骤四制备的聚酰亚胺酸涂覆在步骤三所形成的具有阵列通孔的薄膜上；

步骤六：将步骤五制备的涂覆有聚酰亚胺酸的薄膜进行抽滤，使聚酰亚胺酸能够渗入阵列通孔侧壁，一方面提高结合强度，另一方面防止阵列通孔被前驱液堵塞，此外，阵列通孔为空气提供了良好的流动通道，有助于进一步带走照明灯产生的热量；

步骤七：将步骤六所获得的覆有聚酰亚胺酸的薄膜置于气氛炉中，经阶梯升温使得聚酰亚胺酸完成亚胺化从而获得强化散热复合结构。

本发明中所述的强化散热复合结构的示意图及加速散热机理如图2所示。将上述的复合结构通过导热硅脂粘贴于热点热源1上时，底层石墨烯膜2的高导热性将热点高热流快速扩散，上层聚酰亚胺发射涂层4结合镜面反射层3可增大散热平面的辐射换热，阵列通孔的存在使得上层聚合物渗入到石墨膜中，增强了复合结构的机械性能，起到抑制分层的作用，同时为热空气提高良好的流动通道，产生一定的自然对流散热损失，整体展示出优异的散热特性。

实施例1

一种根据上述所述的强化散热复合结构的制备方法包括以下步骤：

1.采用液相剥离的hummers法制备氧化石墨烯溶液，具体操作为：取3g325目的天然鳞片石墨和1.5g硝酸钠与120ml浓硫酸在0℃温度水浴中混合均匀，分批次加入15g高锰酸钾，将混合液在0℃温度水浴中继续搅拌90min。随后将反应液转移到35℃的恒温水浴中，并使用机械搅拌器充分搅拌反应液。4h之后向其中缓慢添加120ml去离子水进行稀释，并使反应液的温度不超过100℃。添加完毕后，将得到的溶液在95℃的水浴中继续搅拌15min。最终可得到氧化石墨溶液。经过两次10wt％稀盐酸和数次去离子水洗涤后获得氧化石墨烯溶液。取浓度为7mg/ml的氧化石墨烯溶液50ml缓慢倒置于底面为5cm×5cm的聚四氟乙烯模具中，在设定为35℃的真空干燥箱中干燥，在液-气界面自组装形成氧化石墨烯膜。再经过1000℃碳化、2800℃石墨化和机械延压过程制得本发明所用的高导热石墨烯膜。

2.按化学计量比分别称量0.72克4,4'-二氨基二苯醚(oda)和1克均苯四甲酸酐(pmda)，按照先后顺序溶解于14克n,n-二甲基乙酰胺(dmac)溶液中，并将混合液置于0℃恒温水浴中持续搅拌1h，最终获得前驱液paa。

3.将步骤1制得的高导热石墨烯膜用氧等离子体处理5min，再通过磁控溅射的方法在其上沉积大约200nm厚的银层。

4.将步骤3中的薄膜通过激光刻蚀方法形成直径约为150μm的通孔阵列，每平方厘米通孔个数约为300个，孔中心距在0.5mm左右。

5.将步骤2中所得的前驱液滴涂在步骤4所获得薄膜的银层表面，采用真空抽滤的方法进行10s短暂抽滤过程，使前驱液在压力的作用下渗入阵列孔内壁。

6.将步骤5中覆有paa的石墨烯膜水平置于气氛炉中，通以500ml/min的氩气作为保护气，以0.5℃/min的升温速率升温，并分别在80℃，110℃，140℃，170℃，200℃，220℃保温30min以及在250℃保温60min完成高温处理过程，最终得到强化散热复合结构。

实施例2

一种根据上述所述的强化散热复合结构的制备方法包括以下步骤：

1.将实施例1中所述石墨烯膜用高定向热解石墨代替代。

2.按化学计量比分别称量0.72克4,4'-二氨基二苯醚(oda)和1克均苯四甲酸酐(pmda)，按照先后顺序溶解于14克n,n-二甲基乙酰胺(dmac)溶液中，并将混合液置于0℃恒温水浴中持续搅拌1h。最终获得前驱液paa。

3.将步骤1中所述的高导热石墨膜用氧等离子体处理5min，通过磁控溅射的方法在其上沉积大约200nm厚的银层。

4.将步骤3中的薄膜通过激光刻蚀方法形成直径约为150μm的通孔阵列，每平方厘米通孔个数约为305个，孔中心距在0.5mm左右。

5.将步骤2中所得的前驱液滴涂在步骤4所获得薄膜的银层表面，采用真空抽滤的方法进行10s的短暂抽滤过程，使前驱液在压力的作用下渗入阵列孔内壁。

6.将步骤5中覆有paa的石墨烯膜水平置于气氛炉中，通以500ml/min的氩气作为保护气，以0.5℃/min的升温速率升温，并分别在80℃，110℃，140℃，170℃，200℃，220℃保温30min以及在250℃保温60min完成高温处理过程，最终得到强化散热复合结构。底层石墨膜的热导率最高可达1600w/m·k。其太阳波段光谱吸收率为0.15，红外发射率为0.86。

实施例3

一种根据上述所述的强化散热复合结构的制备方法包括以下步骤：

1.按实施例2中选用高定向热解石墨膜作为基底高导热薄膜。

2.按化学计量比分别称量0.72克4,4'-二氨基二苯醚(oda)和1克均苯四甲酸酐(pmda)，按照先后顺序溶解于14克n,n-二甲基乙酰胺(dmac)溶液中，并将混合液置于0℃恒温水浴中持续搅拌1h。最终获得前驱液paa。

3.将步骤1中的高导热石墨膜用氧等离子体处理5min，再通过磁控溅射的方法沉积大约200nm厚的银层。

4.将步骤3中的薄膜通过激光刻蚀方法形成直径约为300μm的通孔阵列，每平方厘米通孔个数约为305个，孔中心距在0.6mm左右。

5.将步骤2中所得的前驱液滴涂在步骤4所获得薄膜的银层表面，采用真空抽滤的方法进行5s的短暂抽滤过程，使前驱液在压力的作用下渗入阵列孔内壁。

6.将步骤5中覆有paa的石墨烯膜水平置于气氛炉中，通以500ml/min的氩气作为保护气，以0.5℃/min的升温速率升温，并分别在80℃，110℃，140℃，170℃，200℃，220℃保温30min以及在250℃保温60min完成高温处理过程，最终得到强化散热复合结构。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。