专利名称：一种石墨块材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及石墨材料及石墨材料的制备方法。
背景技术：
石墨具有良好的热、电性能，具有广泛的应用。从微观结构上说，石墨晶体具有层状结构，具有各向异性的特点，其力学、电学、热学性能都是各向异性的。热导率也不例外，各向异性的石墨材料有一个高热传导的方向以及与之垂直的低导热方向，其中相对高导热方向即为石墨材料的主要导热方向。天然形成的石墨材料晶粒都比较小，人造石墨也未见有宏观尺寸的石墨单晶的报道，因此宏观使用的石墨材料都是石墨的多晶体，而且内部总有一些部分的结晶度，也即石墨化度不高。对于多晶石墨材料来说，如果微晶的取向度不高，甚至是随机排列的，则整体的导热性不高，一般都在100W/mK以下。只有相邻晶粒的高导热方向互相平行或者接近平行，整体才能有较高的导热性。高导热的石墨材料，因为石墨 密度低、热导率高、价格较低等得点而在热管理材料上有很广泛的应用前景。用做散热材料是石墨材料的一个重要的应用领域，将需要散去的热量通过石墨传递出去。然而如果单纯使用石墨材料，通常石墨材料中仅与热源接触的部分能发挥散热效果，而其余未与热源接触的部分则难以发挥散热性能，导致此时石墨材料的散热性能难以全面发挥。另一方面，由于高导电和耐高温，石墨也是很多高温应用的发热体。作为发热体，往往置于被加热部件的一侧，而现有的石墨材料作为发热体时，热量沿各个方向传播，其中能传递给被加热部件用于加热的能量有限，能量利用效率较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的不足，提出一种石墨块材料及其制备方法，制得的石墨块材料用于散热或者发热时的性能较好。本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决
一种石墨块材料，包括两层石墨层结构，所述第一层石墨层结构各向异性，所述第一层石墨层结构设置在所述第二层石墨层结构上，所述第一层石墨层结构的相对高导热方向为与所述第二层石墨层结构表面平行的方向，两层石墨层结构经炭化烧成一体后形成一个整体。本发明的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决
一种石墨块材料的制备方法，包括以下步骤将各向异性的第一层石墨层结构设置在所述第二层石墨层结构上，设置时将所述第一层石墨层结构的相对高导热方向平行于所述第二层石墨层结构的表面；再将两层石墨层结构炭化烧成一体后形成一个整体，得到所述石墨块材料。本发明与现有技术对比的有益效果是
本发明的石墨块材料及其制备方法中，石墨块材料由两层石墨层结构构成，第一层石墨层结构的相对高导热方向为与所述第二层石墨层结构表面平行的方向，且两层石墨层结构经炭化后形成一个整体，两者烧成一体使得两层结构近似“无缝”接触，界面热阻很低，传热效果显著。这样用于散热时，第二层石墨层结构作为散热层，其上的第一层石墨层结构作为均热层，从而通过均热层使得第二层石墨层结构的整个表面部分均用于传递热量散热，提高散热效率。用于发热时，第二层石墨层结构作为发热层，其上的第一层石墨层结构作为隔热层，能阻止发热层的热量朝背离需加热的部件方向传递，使发热层热量尽可能多地朝需加热的部件所在方向传递，提高热量利用效率。本发明的石墨块材料设置两层结构，且由于烧成一体，石墨块材料内部传热效果好，用于散热或者发热时的性能改善较显著。
图I是本发明具体实施方式
一中的石墨块材料的结构示意图； 图2是本发明具体实施方式
一中的石墨块材料用于散热时的使用状态示意 图3是本发明具体实施方式
一中的石墨块材料用于发热时的使用状态示意 图4是本发明具体实施方式
四中的石墨块材料的剖面分解示意 图5是本发明具体实施方式
六中的石墨块材料的结构示意图。
具体实施例方式下面结合具体实施方式
并对照附图对本发明做进一步详细说明。如图I所示，为本具体实施方式
中石墨块材料的结构示意图，石墨块材料100包括两层石墨层结构，第一层石墨层结构A各向异性，第一层石墨层结构A设置在所述第二层石墨层结构B上，且第一层石墨层结构A的相对高导热方向为与所述第二层石墨层结构B表面平行的方向，两层石墨层结构经炭化烧成一体后形成一个整体。此处相对高导热方向，是石墨层的主要导热方向。石墨层在垂直方向，水平方向均有热导率，如垂直方向的热导率远大于水平方向的热导率，则可认为垂直方向为相对高导热方向，主要沿垂直方向导热。类似地，如水平方向的热导率远大于垂直方向的热导率，则可认为水平方向为相对高导热方向，主要沿水平方向导热。图中，为示意第一层石墨层结构A的导热方向，用横线示出了其导热方向为沿与第二层石墨层结构B表面平行的方向。 制备时，将各向异性的第一层石墨层结构A设置在第二层石墨层结构B上，设置时将第一层石墨层结构A的相对高导热方向平行于第二层石墨层结构B的表面；再将两层石墨层结构炭化烧成一体后形成一个整体，得到石墨块材料。具体可包括以下步骤1)将添加有粘结剂的天然鳞片石墨或膨胀石墨分散在溶剂中形成浆料，作为第一层石墨层结构A的组分；2)将所述步骤I)制得的浆料用流延或涂布的方法直接成型在一层石墨块或者石墨前躯体上；3)在低于所述溶剂沸点的温度下将所述步骤2)中覆有浆料的石墨块或石墨前躯体烘干，经炭化后将两层石墨层结构烧成一体后形成一个整体，得到所述石墨块材料制得石墨块材料。此处通过流延的方法，可以使天然鳞片石墨达到比热压等工艺更高的各向异性取向程度，可以进一步提高制得的石墨块材料的均热隔热效果。如下为具体实例，结合以说明上述制备方法1)将石油浙青溶解在有机溶剂中，滤去不溶物，加入天然鳞片石墨搅拌均匀，形成浆料，作为第一层石墨层结构A的组分。2)用流延方法把上述制得的浆料流延或涂布直接成型在用于散热的高导热炭块表面，此处炭块即作为第二层石墨层结构B的组分，涂布厚度为100微米，在100°C下烘干，500°C加压炭化3小时，使两层结构烧成一体，得到由两层石墨层结构烧成一体形成的整体的石墨块材料。如图2所示，为本发明具体实施方式
的石墨块材料用于散热时的使用状态示意图。用于散热时，主要利用石墨块材料100中的第二层石墨层结构B散热，需要散热的部件200与石墨块材料100中的第一层石墨层结构A接触。第一层石墨层结构A的相对高导热方向为沿第二层石墨层结构B表面平行的方向，因此热量在第一层石墨层结构A中沿着与第二层石墨层结构B的表面平行的方向传递，从而可作为均热层发挥均热的效果，将热量传递至第二层石墨层结构B的整个表面部分，则第二层石墨层结构B的整个体积均用于传递热量散热，而不再仅仅是与散热部件200有接触的部分进行散热，可提闻散热效率。如图3所示，为本发明具体实施方式
的石墨块材料用于发热时的使用状态示意图。用于发热时，主要利用石墨块材料100中的第二层石墨层结构B接收外界热量后将热量传递给需要加热的部件，需要加入的部件300与石墨块材料100中的第二层石墨层结构B接触，第一层石墨层结构A的相对高导热方向为沿第二层石墨层结构B表面平行的方向，因此垂直于第二石墨层结构B表面的方向热传导率低，因此第二层石墨层结构B中热量不 容易“穿透过”第一层石墨层结构A，第一层石墨层结构即可作为隔热层，能阻止发热体(第二层石墨层结构B)的热量朝背离需加热的部件300的方向传递，使发热体热量尽可能多地朝需加热的部件300所在方向传递，提高热量利用效率。上述，散热时均热加散热的方案，以及发热时隔热加发热的方案，理论上通过两层石墨层结构即可实现，但研究后发现，由于两层石墨层结构之间的界面热阻很大，这样仅仅设置两层来改进所获得的散热发热效果提升很有限。因此本具体实施方式
中，石墨块材料除包括上述两层石墨层结构外，两层石墨层结构还经炭化烧成一体后形成一个整体。烧成一体得到的石墨块材料，近似无缝连接，两层结构界面之间热阻很小，界面处传热效果好，用于散热或者发热时的性能改善较显著，与此同时石墨块材料通过炭化烧成一体，也并没有增大工艺复杂度，是可以实际应用于工业的方案。优选地，两层石墨层结构之间通过粘结剂粘结，粘结后经过炭化烧成一体后形成一个整体。粘结剂可为浙青、中间相浙青或酚醛树脂。增加粘结剂粘结后再炭化后，中间粘结剂转化为炭材料，此时也可改善界面热阻。实验测得，此时添加粘结剂后烧成一体的石墨块材料，两层结构界面处形成的炭材料的热导率可达80W/mK以上。相比而言，目前业界常用于改善热界面的导热硅脂、导热垫片等热界面材料，目前导热性最好的热界面材料的热导率也小于10W/mK。而此处80W/mK以上的热导率传热效果即有效提升，热阻很小，界面处传热效果好，用于散热或者发热时的性能改善较显著。
具体实施方式
二
本具体实施方式
与实施方式一的不同之处在于本具体实施方式
中，控制一层石墨层结构A的厚度取0. 01 I毫米。本具体实施方式
中，由于控制第一层石墨层结构A的厚度在0.01 I毫米，厚度较薄，较薄的石墨层弹性较好，因此可使石墨块材料在使用过程中保持性能，避免开裂等情况的发生。该方案中，要求控制石墨层结构的厚度较薄，对于厚度要求较薄的使用场合可以适用。如下为具体例子制备普通的石墨层，将其作为第二层石墨层结构B，在其表面上涂覆薄层环氧树脂胶或酚醛树脂的乙醇溶液，然后粘接一层厚度为0. 01 I毫米，密度大于1.7g/cm3的柔性石墨片。此处，柔性石墨片为各向异性的石墨，作为第一层石墨层结构A。粘结时，柔性石墨的高导热方向沿普通石墨表面平行的方向设置。然后在惰性气氛下缓慢加热到700度将两层石墨层结构炭化，此时中间填充的粘结剂树脂也被炭化，炭化后两层结构烧成一体得到整块石墨块材料。烧制过程中，如柔性石墨片发生鼓泡现象，则在炭化过程中加压。
具体实施方式
三
本具体实施方式
与实施方式二的不同之处在于本具体实施方式
中，通过各向同性和各向异性的石墨粉体来制备第一层石墨层结构A，第一层石墨层结构A厚度可取得较厚，为
0.01 10毫米。本具体实施方式
中第一层石墨层结构A的厚度取10毫米。本具体实施方式
中，由于第一层石墨层结构A中含有各向同性和各向异性的石墨粉体，因此石墨层的导热各向异性程度相比于单纯由各向异性石墨粉体制成的石墨层的各向异性程度要低，这样和第二层石墨层结构B的差异减小，因此同样可避免石墨块材料使 用过程中开裂。同时因为各向异性程度有所降低，因此可以相对制备得厚一些，经试验测得，最厚大约可达到I厘米。相对于具体实施方式
二，可适用于某些厚度要求较厚的使用场
口 o如下为具体例子取天然鳞片石墨粉(各向异性石墨)40%,人造石墨粉或微晶石墨粉(各向同性石墨)30%和石油焦20%混合得到混合物(上述各百分数为质量分数)，作为第一层石墨层结构A的组分；置于石墨块(第二石墨层结构B)为底的模具中，缓慢升温到500°C，加压炭化3h，即得到两层石墨层结构烧为一体的石墨块材料。自模具中取出后，2400°C热处理。
具体实施方式
四
本具体实施方式
与实施方式一的不同之处在于本具体实施方式
中，控制第一层石墨层结构A由多层各向异性程度不同的石墨层组成。具体地，按照各向异性程度的高低顺序依次将多层石墨层叠加在一起后经炭化和石墨化后制得第一层石墨层结构A。设置时，将所述第一层石墨层结构A中各向异性程度较低的石墨层与所述第二层石墨层结构B相接触。本具体实施方式
中，制成石墨块材料中，其剖面分解示意图如图4所示，四层各向异性程度不同的石墨层Al、A2、A3和A4共同组成第一层石墨层结构A，最上面是各向异性程度最高的石墨层Al，其发挥均热隔热效果相对最佳，接下来是各向异性程度相对较低的几层石墨层，A2、A3和A4，其作为过渡层，在最上面一层石墨层Al和下面的第二层石墨层结构B之间传递热量。这样，制备多层，其中相邻层的各向异性程度相差较小，通过尽量减小各层之间各向异性变化的幅度，从而提高第一层石墨层结构A的整体性，防止开裂。同时，因中间的几层过渡层的存在，使得第一层石墨层结构A的厚度较厚，相对于具体实施方式
二，可适用于某些要求散热层厚度较厚的使用场合。而相对于具体实施方式
三，具体实施方式
三是在第一层石墨层结构A中加入各向同性粉末来降低各向异性程度，是牺牲了第一层石墨层结构A的各向异性性能来换取厚度方面的改进。而本具体实施方式
中，并没有牺牲第一层石墨层结构A的各向异性程度，如不想降低各向异性性能，同时又要厚度做得较厚，则可使用本具体实施方式
中的改进方案。如下为具体例子取天然鳞片石墨、微晶石墨、石油焦、浙青按照不同的比例混合；在200°C下搅拌捏合成糊状，挤出呈板状，板厚5毫米。天然鳞片石墨含量不同，则各炭板的各向异性程度即不同。将炭板按各向异性程度由低到高的次序依次摞起来，统一在500°C下热压炭化，统一石墨化，即制得第一层石墨层结构A。然后将第一层石墨层结构A设置于普通的石墨层(第二层石墨层结构B)上，各向异性程度最低的石墨层在最下面，与第二层石墨层结构B接触，最后将两成石墨层结构炭化烧成一体得到整块的石墨块材料。由于不同层的各向异性程度和导热率是比较缓慢变化的，温度变化引起的热应力分布范围广，不会造成自身的开裂，可以使用在温度变化剧烈的场合。
具体实施方式
五
本具体实施方式
与实施方式四的不同之处在于本具体实施方式
中，组成第一层石墨层结构A的多层石墨层中的至少一层中还包括纤维材料。本具体实施方式
中，改进方案是基于具体实施方式
四中的方案，即是多层石墨层中的至少一层中还包括纤维材料。纤维材料可以是炭纤维，也可以是有机纤维。优选地，纤维材料为短切炭纤维、碳纤维或者高分子纤维。纤维材料在整体炭化过程中变成炭纤维或者石墨纤维，可提高形成的第一层石墨层结构A的强度，进一步防止其开裂。·如下为具体例子取天然鳞片石墨、微晶石墨、石油焦、短切炭纤维、浙青按照不同的比例混合；在200°C下搅拌捏合成糊状，挤出呈板状，板厚5毫米。天然鳞片石墨含量不同，则各炭板的各向异性程度即不同。将炭板按各向异性程度由低到高的次序依次摞起来，统一在50(TC下热压炭化，统一石墨化，即制得第一层石墨层结构A。然后将第一层石墨层结构A设置于普通的石墨层(第二层石墨层结构B)上，各向异性程度最低的石墨层在最下面，与第二层石墨层结构B接触，最后将两成石墨层结构炭化烧成一体得到整块的石墨块材料。由于制备石墨层的原料中增加有短切炭纤维这一纤维材料，因此制成的第一层石墨层结构A强度有所提高，可进一步防止开裂。
具体实施方式
六
本具体实施方式
与实施方式一的不同之处在于本具体实施方式
中，对第二层石墨层结构进行改进，通过长石墨层和短石墨层组成第二层石墨层结构B。如图5所示，为本具体实施方式
中石墨块材料的结构示意图，石墨块材料100包括两层石墨层结构，第一层石墨层结构A各向异性，第一层石墨层结构A设置在所述第二层石墨层结构B上，且第一层石墨层结构A的相对高导热方向为与所述第二层石墨层结构B表面平行的方向，两层石墨层结构经炭化烧成一体后形成一个整体。其中，第二层石墨层结构B包括多个长石墨层BI和多个短石墨层B2，长石墨层BI和短石墨层B2间隔设置，且端面并排对齐后粘结成一体形成第二层石墨层结构B。第一层石墨层结构A设置在第二层石墨层结构B的由长石墨层BI和短石墨层B2并排对齐形成的端面上。制备第二层石墨层结构B时，即首先制备多层长石墨层BI和多层短石墨层B2，将长石墨层BI和短石墨层B2间隔设置，且端面并排对齐后，将各石墨层粘结成一体形成所述第二层石墨层结构B。如下为具体实例将95%的天然鳞片石墨与5%的中间相浙青加热混捏(各百分数为质量分数)，热压成厚度5mm的薄片；冲压成长短不一的长方体，即得到多层长石墨层和多层短石墨层。然后用胶在长石墨层和短石墨层的一边对其粘贴成块，长石墨层和短石墨层间隔设置，且端面并排对齐。再在对齐形成的端面上粘贴各向异性的石墨片作为第一层石墨层结构，等静压炭化，得到由两层石墨层结构烧成一个整体的石墨块材料。再常压加热到3000°C石墨化2小时。
本具体实施方式
中的石墨块材料，用于散热和发热时的工作过程同具体实施方式
一，在此不重复说明，因此本具体实施方式
的石墨块材料，两层结构设置，可发挥均热加散热，或者隔热加发热的效果，提升石墨块材料散热或者发热的性能。同时，界面无缝连接，两层结构界面之间热阻很小，界面处传热效果好，用于散热或者发热时的性能改善较显著。本具体实施方式
中石墨块材料相对于具体实施方式
一中的石墨块材料，本具体实施方式
中的第二次石墨层结构由长短石墨层组成，长石墨层部分形成长鳍片，短石墨层部分形成短鳍片，则用于散热时，长鳍片和短鳍片的设置有利于进一步提升散热效果。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在 不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种石墨块材料，其特征在于包括两层石墨层结构，所述第一层石墨层结构(A)各向异性，所述第一层石墨层结构(A)设置在所述第二层石墨层结构(B)上，所述第一层石墨层结构(A)的相对高导热方向为与所述第二层石墨层结构(B)表面平行的方向，两层石墨层结构经炭化烧成一体后形成一个整体。
2.根据权利要求I所述的石墨块材料，其特征在于所述两层石墨层结构之间通过粘结剂粘结，粘结后经过炭化烧成一体后形成一个整体。
3.根据权利要求2所述的石墨块材料，其特征在于所述粘结剂为浙青、中间相浙青或酚醛树脂。
4.根据权利要求I所述的石墨块材料，其特征在于所述第一层石墨层结构(A)的厚度为O. Ol I毫米。
5.根据权利要求I所述的石墨块材料，其特征在于所述第一层石墨层结构(A)中包括各向异性的石墨材料和各向同性的石墨材料，所述第一层石墨层结构(A)的厚度为0.01 10毫米。
6.根据权利要求I所述的石墨块材料，其特征在于所述第一层石墨层结构(A)由多层各向异性程度不同的石墨层按照各向异性程度的高低顺序依次叠加在一起后经炭化和石墨化后形成，所述第一层石墨层结构(A)中各向异性程度较低的石墨层与所述第二层石墨层结构(B)相接触。
7.根据权利要求5所述的石墨块材料，其特征在于所述多层石墨层中的至少一层中还包括纤维材料。
8.根据权利要求6所述的石墨块材料，其特征在于所述纤维材料为短切炭纤维、碳纤维或者高分子纤维。
9.根据权利要求I所述的石墨块材料，其特征在于所述第二层石墨层结构(B)包括多个长石墨层和多个短石墨层，所述长石墨层和短石墨层间隔设置，且端面并排对齐后粘结成一体形成所述第二层石墨层结构(B);所述第一层石墨层结构(A)设置在所述第二层石墨层结构(B)的所述长石墨层和所述短石墨层并排对齐形成的端面上。
10.一种石墨块材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤将各向异性的第一层石墨层结构(A)设置在所述第二层石墨层结构(B)上，设置时将所述第一层石墨层结构(A)的相对高导热方向平行于所述第二层石墨层结构(B)的表面；再将两层石墨层结构炭化烧成一体后形成一个整体，得到所述石墨块材料。
11.根据权利要求10所述的石墨块材料的制备方法，其特征在于将两层石墨层结构通过粘结剂粘结，粘结后再将两层石墨层结构炭化烧成一体。
12.根据权利要求10所述的石墨块材料的制备方法，其特征在于还包括控制所述第一层石墨层结构(A)的厚度为O. 01 I毫米的步骤。
13.根据权利要求10所述的石墨块材料的制备方法，其特征在于所述第一层石墨层结构(A)由各向异性的石墨粉和各向同性的石墨粉混合后制得，还包括控制所述第一层石墨层结构(A)的厚度为O. 01 10毫米。
14.根据权利要求10所述的石墨块材料的制备方法，其特征在于所述第一层石墨层结构(A)通过如下方法制备得到先制备多层各向异性程度不同的石墨层，然后将各层石墨层按照各向异性程度的闻低顺序依次置加在一起，最后将置加在一起的石墨层炭化和石墨化，制成所述第一层石墨层结构(A);将所述第一层石墨层结构(A)设置在所述第二层石墨层结构(B)上时，将所述第一层石墨层结构(A)中各向异性程度较低的石墨层设置在所述第二层石墨层结构(B)上。
15.根据权利要求10所述的石墨块材料的制备方法，其特征在于具体包括以下步骤I)将添加有粘结剂的天然鳞片石墨或膨胀石墨分散在溶剂中形成浆料，作为第一层石墨层结构(A)的组分；2)将所述步骤I)制得的浆料用流延或涂布的方法直接成型在一层石墨块或者石墨前躯体上；3)在低于所述溶剂沸点的温度下将所述步骤2)中覆有浆料的石墨块或石墨前躯体烘干，经炭化后将两层石墨层结构烧成一体后形成一个整体，得到所述石墨块材料制得石墨块材料。
16.根据权利要求10所述的石墨块材料的制备方法，其特征在于所述第二层石墨层结构(B)通过如下方法制备得到制备多层长石墨层和多层短石墨层，将所述长石墨层和短石墨层间隔设置，且端面并排对齐后，将各石墨层粘结成一体形成所述第二层石墨层结构(B);将所述第一层石墨层结构(A)设置在所述第二层石墨层结构(B)上时，将所述第一层石墨层结构(A)设置在所述长石墨层和所述短石墨层并排对齐形成的端面上。
全文摘要
本发明公开了一种石墨块材料及其制备方法。石墨块材料包括两层石墨层结构，所述第一层石墨层结构各向异性，所述第一层石墨层结构设置在所述第二层石墨层结构上，所述第一层石墨层结构的相对高导热方向为与所述第二层石墨层结构表面平行的方向，两层石墨层结构经炭化烧成一体后形成一个整体。本发明石墨块材料由两层石墨层结构构成，第一层石墨层结构的相对高导热方向为与所述第二层石墨层结构表面平行的方向，且两层石墨层结构经炭化后形成一个整体，两者烧成一体使得两层结构近似“无缝”接触，界面热阻很低，传热效果显著。本发明的石墨块材料设置两层结构，且由于烧成一体，石墨块材料内部传热效果好，用于散热或者发热时的性能较显著。
文档编号C01B31/04GK102795617SQ20121025737
公开日2012年11月28日 申请日期2012年7月24日 优先权日2012年7月24日
发明者杜鸿达, 康飞宇, 李宝华, 许金造, 李佳, 贺艳兵 申请人:清华大学深圳研究生院