轻质高导热含铝石墨烯基散热材料的制备方法及散热材料与流程

本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种轻质高导热含铝石墨烯基散热材料的制备方法及散热材料。

背景技术：

在航空航天领域，各种航天器和武器装备功能越来越强大，那么内部构件的集成度越来越大，功率密度也越来越大，需要高效率的散热材料和结构，然而目前的散热材料已经远远满足不了发展的要求。比如，对于高度集成化的深空探测系统，探测器空间有限且多采用核能产生电能进行推进与系统运行，导致电子元件与电源集成在狭小区域内，热流密度急剧增加，针对特殊的外太空环境，我们要求新一代的散热材料兼具高热导率、大辐射系数同时质量又要比较轻。

石墨烯作为一类新型二维晶体材料，除具有超高的强度之外，其单层热导率高达～5300w/(m·k)，并且具有优异的辐射性能。给新一代散热材料的研制提供了难得的机遇。如果能将石墨烯以某种方式组装成宏观的结构或者材料，又能充分发挥石墨烯纳观尺度的热学性能，实现从纳观尺度到宏观尺度的跨越，就可以使得石墨烯的热学性能得到有效利用。目前石墨烯散热膜的制备相对比较成熟，热导率也可以达到～2000w/(m·k)。但是石墨烯散热膜很难彻底解决散热难题，因为其存在一个根本的矛盾——热导率随厚度增加而降低。

傅里叶定律是描述材料导热性能的最重要的定理。根据傅里叶定律，可以算出单位时间内传输的能量。对于一维平壁的热传导，傅里叶定律为：

热通量:

q＝q″·a

热流密度q″(w/m²)是在与传输方向相垂直的单位面积上，在x方向上的传热速率。它与该方向上的温度梯度成正比，比例常数k为热导率(w/(m·k))。因热能是向温度降低的方向传输，所以方程中有负号。a是热传导方向上的横截面积。所以我们要得到很好的散热效果，必须制备厚膜或者三维的块体材料。但是石墨烯薄膜随着厚度的增加，其致密性难以保证且层间的声子散射增加，导致了其热导率急剧下降(y.zhang,j.liuetal,improvedheatspreadingperformanceoffunctionalizedgrapheneinmicroelectronicdeviceapplication[j].advancedfunctionalmaterial,2015,25,4430–4435.)。因此，对于航空领域，石墨烯散热材料存在的难题为无法同时实现轻质、高热导率和大厚度(三维块体)，即无法获得大的热通量。.

技术实现要素：

针对上述石墨烯薄膜随着厚度的增加，其致密性难以保证且层间的声子散射增加，导致了其热导率急剧下降，无法同时实现轻质、高热导率和大厚度(三维块体)，即无法获得大的热通量等问题，本发明提供一种轻质高导热含铝石墨烯基散热材料的制备方法，具体是按照以下步骤进行的：

1)配制铝粉分散液：将铝粉分散在去离子水中；

2)配制石墨烯分散液：将石墨烯粉末分散在去离子水中；

3)铝粉分散液与石墨烯分散液混合；4)冷冻干燥得到纳米混合粉末；

5)将混合粉末热处理；

6)热压烧结：将步骤5)得到的混合粉末放入石墨模具中热压烧结，即得到轻质高导热含铝石墨烯基散热材料；

先进行上述步骤1)后进行上述步骤2)，或先进行上述步骤2)后进行上述步骤1)。

上述具体步骤为：

1)配制铝粉分散液：将粒径为1～3微米的球状铝粉分散在去离子水中，在频率为10khz～100khz下，进行超声处理30min～60min，得到铝粉分散液；

2)配制石墨烯分散液：将二维尺寸为5～10微米的少层石墨烯粉末分散在去离子水中，在频率为10khz～100khz下，进行超声处理30min～60min，使其形成均匀的溶液，得到石墨烯分散液；

3)铝粉分散液与石墨烯分散液混合：将铝粉分散液和石墨烯分散液混合，在频率为10khz～100khz下，水浴超声5-10min，然后在200w的功率下超声30min，得到石墨烯/铝粉混合分散液；

4)冷冻干燥：为了快速冷冻，防止铝粒子沉淀，将混合分散液倒入面积较大的金

属容器中，在金属容器底部和上部分别加载液氮，将分散液中的水速冻成冰，形成

铝、石墨烯和冰的混合物，将混合物放入冻干机在-100℃下干燥24h～48h，得到混

合粉末；

5)混合粉末热处理：将上述制备的混合粉末在450℃～500℃下保温2h去除分散剂，

再将粉末放入氢气还原炉中在400℃下进行还原2h，以去除铝粉表面的氧，最后得

到混合粉末；

7)热压烧结：将处理后的混合粉末放入石墨模具中，在真空条件下热压烧结，即得到轻质高导热含铝石墨烯基散热材料，且可以通过加入混合粉末的多少控制散热材料的厚度。

所述少层石墨烯为3-10层石墨烯。

优选的，上述步骤2)中所述的石墨烯粉末是通过液相剥离法制备的，所述的石墨烯分散液中，石墨烯的浓度为0.1mg/ml～5mg/ml。。

优选的，上述步骤1)中所述的铝粉分散液中，铝粉的浓度为1mg/ml～20mg/ml。

优选的，上述步骤3)中所述的混合分散液中石墨烯与铝粉的质量比为1:0.1～1:0.7。

优选的，上述步骤4)中所述的冷冻干燥是用液氮从样品上下两面进行迅速冷冻，干燥条件是-100℃下干燥24h～48h。

优选的，上述步骤5)中所述的热处理条件是在450℃～500℃下保温2h,还原条件是400℃下用氢气还原2h。

优选的，上述步骤6)中所述的热压烧结的条件是温度600℃下加压20mpa～60mpa，保温5min～120min，继续升温至700℃，保温30min～120min，真空环境。

通过粉末的加入量来控制散热材料的厚度。

本发明的有益效果是：一、本发明方法工艺简单，并且可以获得高热导率的三维片状散热材料，解决了高热导率和大热通量无法兼顾的难题；二、本发明利用石墨烯超高热导率，以石墨烯为基本单元，以铝粉作为粘结剂，在高于铝粉熔点的温度下热压，铝起到粘接石墨烯片的作用，并且通过热压提供外力，减小了石墨烯片层之间的空隙，增加了致密性，减小了声子散射，从而增加了材料的热导率；三、本发明制备的轻质高导热石墨烯/铝纳米复合材料散热片在热压过程中由于气体排出时的流体作用，使石墨烯呈定向排列，层与层互相搭接，形成热通道，从而使散热片获得较高的面内热导率；四、本发明选用铝作为粘接剂，利用铝本身的小密度，可以获得轻质高导热的石墨烯复合材料散热片，可满足现代对散热材料轻质的要求，比目前用的铜和铝等散热材料具有更大优势。结合上述一-四所述，本发明以石墨烯为基本单元，以轻质，热导率相对较高的金属铝作为粘结剂和填充剂，外加机械压力，从而解决致密性难题，通过粉末的加入量来控制散热片的厚度，实现制备厚膜、三维材料的同时保证致密性，避免热导率下降，最终同时实现高热导率和大厚度(三维块体)，即获得大的热通量。

附图说明

图1是实施例一热导率测试过程；a)测试过程中样品上功率和温差的拟合曲线；b)样品上的温度场分布(红外热像仪拍摄)；

图2是实施例一轻质高导热含铝石墨烯基散热材料断面的扫描电镜照片；

图3是实施例一轻质高导热含铝石墨烯基散热材料照片；

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。

实施例一：

本实施例所述的轻质高导热含铝石墨烯基散热材料的制备方法，具体是按照以下步骤进行的：

1)配制铝粉分散液：将粒径为1～3微米的球状铝粉分散在去离子水中，在频率为100khz下，进行超声处理30min得到铝粉分散液；

所述的铝粉分散液浓度为0.5mg/ml。

2)配制石墨烯分散液：将二维尺寸为5～10微米的少层石墨烯粉末分散在去离子水中，100khz下，进行超声处理30min，得到石墨烯分散液；

所述的石墨烯分散液浓度为0.1mg/ml。

3)铝粉分散液与石墨烯分散液混合：将铝粉分散液和石墨烯分散液混合，在频率为100khz下，水浴超声5min，然后在200w的功率下超声30min，得到石墨烯/铝粉混合分散液；

所述的混合分散液石墨烯和铝粉的质量比为1:0.1。

4)冷冻干燥：将混合分散液在液氮下迅速冷冻，在-100℃下干燥24h得到混合粉末；

5)混合粉末热处理：将上述制备的混合粉末在450℃保温2h去除分散剂，在400℃下氢气还原2h,得到热处理后的混合粉末；

6)热压烧结：将处理后的混合粉末放入石墨模具中，在真空条件下热压烧结，得到轻质高导热含铝石墨烯基散热材料。

所述的热压烧结的条件是温度600℃下加压60mpa，保温5min，继续升温至700℃，保温30min，真空环境。

本实施例的的热导率测试过程见图1。

本实施例一制备的轻质高导热含铝石墨烯基散热材料断面的扫描电镜照片如图2所示，由图2可知，本实施例一制备的轻质高导热含铝石墨烯基散热材料的制备方法中石墨烯片层之间互相搭接，石墨烯呈层状定向排列，界面热阻较小，因此在面内具有高热导率；

本实施例一制备的轻质高导热石墨烯/铝纳米复合材料散热片如图3所示，其厚度为3mm；

本实施例通过测试样品的面内热导率，得到轻质高导热含铝石墨烯基散热材料的制备方法的面内热导率为710w/(m·k)。对于石墨烯基散热材料，目前做到的厚度都在微米级别，且随着厚度的增加，热导率急剧下降，一般厚度达到50微米时，热导率仅为800w/(m.k)。本发明制备的三维石墨烯基复合材料散热片厚度比石墨烯薄膜高两个数量级，但是热导率却接近。是纯金属铝的热导率237w/(m·k)的3倍，但是密度只有2.0g/cm³,比金属铜的密度8.93g/cm³要小的多，比金属铝的密度2.7g/cm³还要小。因此，此方法制备的材料作为散热材料使用比目前用的铜和铝及其合金材料具有更大的优势。特别适合航天器等要求轻质材料的领域。

实施例二：

本实施例所述的轻质高导热含铝石墨烯基散热材料的制备方法，具体是按照以下步骤进行的：

1)配制铝粉分散液：将粒径为1～3微米的球状铝粉分散在去离子水中，在频率为10khz下，进行超声处理60min得到铝粉分散液；

所述的铝粉分散液浓度为15mg/ml。

2)配制石墨烯分散液：将二维尺寸5～10微米的少层石墨烯粉末分散在去离子水中，10khz下，进行超声处理60min，得到石墨烯分散液；

所述的石墨烯分散液浓度为5mg/ml。

3)理论铝粉分散液与石墨烯分散液混合：将铝粉分散液和石墨烯分散液混合，在频率为10khz下，水浴超声10min，然后在200w的功率下超声30min，得到石墨烯/铝粉混合分散液；

所述的混合分散液石墨烯和铝粉的质量比为1:0.7。

4)冷冻干燥：将混合分散液在液氮下迅速冷冻，在-100℃下干燥48h得到混合粉末；

5)混合粉末热处理：将上述制备的混合粉末在500℃保温2h去除分散剂，在400℃下氢气还原2h,得到热处理后的混合粉末；

6)热压烧结：将处理后的混合粉末放入石墨模具中，在真空条件下热压烧结，得到轻质高导热含铝石墨烯基散热材料。

所述的热压烧结的条件是温度600℃下加压20mpa，保温120min，继续升温至700℃，保温120min，真空环境。

本实施例制备的轻质高导热含铝石墨烯基散热材料的厚度为7mm，面内热导率为876w/(m·k)。对于石墨烯基散热材料，目前做到的厚度都在微米级别，且随着厚度的增加，热导率急剧下降，一般厚度达到50微米时，热导率仅为800w/(m.k)。本发明制备的三维石墨烯基复合材料散热片厚度比石墨烯薄膜高两个数量级，热导率却可以达到相同的水平。是纯金属铝的热导率237w/(m·k)的4倍左右，但是密度只有2.2g/cm³,比金属铜的密度8.93g/cm³要小的多，比金属铝的密度2.7g/cm³还要小。

实施例三：

本实施例所述的轻质高导热含铝石墨烯基散热材料的制备方法，具体是按照以下步骤进行的：

1)配制铝粉分散液：将粒径为1～3微米的球状铝粉分散在去离子水中，在频率为50khz下，进行超声处理45min得到铝粉分散液；

所述的铝粉分散液浓度为10mg/ml。

2)配制石墨烯分散液：将二维尺寸为5～10微米的少层石墨烯粉末分散在去离子水中，50khz下，进行超声处理45min，得到石墨烯分散液；

所述的石墨烯分散液浓度为3mg/ml。

3)铝粉分散液与石墨烯分散液混合：将铝粉分散液和石墨烯分散液混合，在频率为50khz下，水浴超声8min，然后在200w的功率下超声30min，得到石墨烯/铝粉混合分散液；

所述的混合分散液石墨烯和铝粉的质量比为1:0.4。

4)冷冻干燥：将混合分散液在液氮下迅速冷冻，在-100℃下干燥36h得到混合粉末；

5)混合粉末热处理：将上述制备的混合粉末在480℃保温2h去除分散剂，在400℃下氢气还原2h,得到热处理后的混合粉末；

6)热压烧结：将处理后的混合粉末放入石墨模具中，在真空条件下热压烧结，得到轻质高导热含铝石墨烯基散热材料。

所述的热压烧结的条件是温度600℃下加压40mpa，保压60min,继续升温至700℃，保温60min，真空环境。

本实施例制备的轻质高导热含铝石墨烯基散热材料的厚度为5mm,面内热导率为1134w/(m·k)。对于石墨烯基散热材料，目前做到的厚度都在微米级别，且随着厚度的增加，热导率急剧下降，一般厚度达到50微米时，热导率仅为800w/(m.k)。本发明制备的三维石墨烯基复合材料散热片厚度比石墨烯薄膜高两个数，但是热导率却提高了30％多。大大提高了散热效率。是纯金属铝的热导率237w/(m·k)的近5倍，但是密度只有2.1g/cm³。从以上实施例可以看出本发明制备的轻质高导热含铝石墨烯基散热材料不但实现了轻质，并且热导率可控，在航空航天领域及电子信息系统等要求轻质散热材料的领域应用广泛，并能有效的促进散热材料的更新换代。