一种高导热石墨膜及其制备工艺的制作方法
【专利摘要】一种高导热石墨膜及其制备工艺，属于散热材料【技术领域】。本发明之高导热石墨膜由炭薄膜和纳米级石墨材料复合后经石墨化处理制成；所述炭薄膜由有机有机高分子薄膜炭化处理后制得。本发明还包括所述高导热石墨膜的制备工艺。本发明之高导热石墨膜具有很高石墨化度，导热系数高，工业化生产品质稳定，且适合大规模生产。
【专利说明】一种高导热石墨膜及其制备工艺
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高导热材料，尤其是涉及一种高导热石墨膜及其制备工艺。
【背景技术】
[0002]目前，智能手机、平板电脑等电子消费产品在人类生活中占据了重要的地位，而且产品更新日新月异。随着电子产品所采用部件的集成度提高，电子元件运算量也日益增长，封装密度也越来越高，但是产品却日益实现小型化和薄型化，很难依赖外壳来设计出高效冷却印刷电路板上的电子元件的通道。可以说，电子产品发热量大、难以冷却的状况依然没有改观，已经严重影响了电子产品的性能及使用，给众多消费者带来不便。
[0003]早期的散热材料以金属为主，如高性能铜，铝等材料。其散热器需要进行专门的磨具加工，金属拉伸成型等，加工过程复杂且逐渐无法满足电子类产品集成度的需求。
[0004]人工合成石墨导热膜是近年来刚刚兴起的最先进的导热材料。该材料具有极高导热系数(平面内约1500W/m.K)，且不含其他填料及粘结剂，具有很高的稳定性，可以在较小间隙，非绝缘环境中广泛使用。该导热石墨膜具备使用方便性，同时也非常环保。高导热石墨膜基于以上的优点，它的商用化，在导热材料领域是一种革命性技术应用突破。在散热行业具有取代传统金属散热材料的趋势，国内外纷纷致力于开发各种高导热石墨膜材料。同时，由于下游智能手机，LED等客户需求的拉动，高导热石墨膜产品目前是供不应求。
[0005]导热石墨膜的化学成分主要是单一的碳元素。将高分子化合物薄膜置于高温高压下，可以得到石墨化薄膜。因为碳元素是非金属元素，但是却有金属材料的导电、导热性能，还具有像有机塑料一样的可塑性，并且还有特殊的热性能、化学稳定性、润滑性能和能涂敷在固体表面等良好的工艺性能。因此，导热石墨在电子、通信、照明、航空及国防军工等许多领域都得到了广泛的应用。
将高定向的有机高分子薄膜先进行剪切，再进行炭化及石墨化，最后按照客户要求进行加工，是高导热石墨膜的典型传统生产过程。但是该方法由于原材料在炭化后失重较多，氢氧等杂质逃逸，薄膜形成了杂环芳香层的类石墨微晶堆积及一定的微纳米级孔隙度，对于形成进一步的石墨结构有一定难度，距离高纯单晶石墨结构，还有一定差距；并且由于石墨膜的厚度很薄，仅为25微米，其垂直平面的热导率相对来说很低，仅为40-60W/m-K,所以其薄膜垂直方向的热流密度有限，散热能力比较差。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种高导热石墨膜，该高导热石墨膜的平面内及垂直平面的热导率高，散热能力强。
[0007]本发明进一步要解决的技术问题是，提供一种所述高导热石墨膜的制备工艺。
[0008]本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种高导热石墨膜，由炭薄膜和纳米级石墨材料构成，所述炭薄膜由有机高分子薄膜炭化处理后制得；所述纳米级石墨材料填充于炭薄膜的分子间间隙。
[0009]进一步，所述有机高分子薄膜为聚酰亚胺薄膜。
[0010]进一步，所述纳米级石墨材料优选石墨烯、氧化石墨烯、纳米级石墨颗粒中的一种。
[0011]本发明进一步解决其技术问题采用的技术方案是，一种高导热石墨膜的制备工艺，包括以下步骤:
(1)裁剪:将有机高分子薄膜作为原材料，裁剪成所需尺寸，叠层，用表面抛光的石墨板加压，压力为石墨板自身的重量+螺栓的力10-1000N (优选100-600N)；
(2)炭化处理:将经步骤(1)处理后的叠层有机高分子薄膜放入炭化炉中进行炭化处理，炭化过程中用氮气或者氩气进行保护，炭化温度1000°C?1400°C (优选1200°C)，保温1?16h (优选8-12h),制得炭薄膜；
(3)炭薄膜与纳米级石墨材料进行复合处理:将步骤(2)处理后的炭薄膜浸溃在有一定纳米级石墨材料含量的有机溶剂中，浸溃0.5?10h (优选l-4h)或充分浸润；所述充分浸润是指溶剂能够从一个面渗透到相对的另一面；
(4)石墨化处理:将步骤(3)处理后的炭薄膜放入石墨化炉中，石墨化温度2500°C?3000°C (优选2800°C)，保温1?12h (优选8_10h);在石墨化过程中，步骤(3)浸溃的有机溶剂先受热挥发，留下纳米级石墨材料分散在炭薄膜的孔隙中，并与杂环芳香层的石墨微晶接触；随后的石墨化闻温处理则为纳米级石墨材料及炭薄I旲中石墨微晶的链接提供了条件；
(5)成品:将步骤(4)处理后的产品进行后续加工剪裁处理，得到成品。
[0012]进一步，步骤(1)中，有机高分子薄膜为聚酰亚胺薄膜。
[0013]进一步，步骤(3)中，纳米级石墨材料为石墨烯，氧化石墨烯，纳米级石墨颗粒中的一种。
[0014]进一步，步骤(3)中，有机溶剂为PMMA，用于浸溃的纳米级石墨溶液需要保持良好的纳米石墨颗粒分散性。
[0015]本发明之一种闻导热石墨I旲，通过添加纳级米石墨材料，来提闻由有机闻分子月旲生产的高导热石墨膜的导热系数。本发明之高导热石墨膜具有很高石墨化度，导热系数高，工业化生产品质稳定，且适合大规模生产。
【具体实施方式】
[0016]以下结合实施例对本发明作进一步说明。
[0017]实施例1
本实施例之一种高导热石墨膜，由炭薄膜和纳米级石墨材料复合后石墨化处理制成；所述炭薄膜由聚酰亚胺薄膜炭化处理后制得；所述纳米级石墨材料为石墨烯，用于填充炭薄膜的分子间间隙。
[0018]本实施之一种闻导热石墨I吴的制备工艺，包括以下步骤:
(1)裁剪:将聚酰亚胺薄膜作为原材料，裁剪成所需尺寸，叠层，用表面抛光后的石墨板加压；压力为石墨板自身的重量+螺栓的力100N;
(2)炭化处理:将经步骤(1)处理后的聚酰亚胺薄膜放入炭化炉中进行炭化处理，炭化过程中用氮气进行保护，炭化温度1000°C，保温16h，制的炭薄膜； (3)炭薄膜与石墨烯进行复合处理:将步骤(2)处理后的炭薄膜浸溃在有一定石墨烯含量的PMMA溶剂中，浸溃0.5h ；
(4)石墨化处理:将步骤(3)处理后的炭薄膜放入石墨化炉中，石墨化温度2500°C，保温12h ;在石墨化过程中，步骤(3)浸溃的PMMA溶剂先受热挥发，留下石墨烯分散在炭薄膜的孔隙中，并与杂环芳香层的石墨微晶接触；随后的石墨化高温处理则为石墨烯及炭薄膜中石墨微晶的链接提供了条件；
(5)成品:将步骤(4)处理后的产品进行后续加工剪裁处理，得到成品。
[0019]传统现有技术中的石墨膜导热系数为800W/m.K左右，本发明之石墨膜石墨化度为98%，检测导热系数为1550W/m.K，导热系数较现有技术中导热系数增加近I倍。
[0020]实施例2
本实施之一种高导热石墨膜，由炭薄膜和纳米级石墨材料复合后石墨化处理制成；所述炭薄膜由聚酰亚胺薄膜炭化处理后制得；所述纳米级石墨材料为氧化石墨烯，用于填充炭薄膜的分子间间隙。
[0021]本实施之一种闻导热石墨I吴的制备工艺，包括以下步骤:
(1)裁剪:将聚酰亚胺薄膜作为原材料，裁剪成所需尺寸，叠层，用表面抛光后的石墨板加压；压力为石墨板自身的重量+螺栓的力600N ；
(2)炭化处理:将经步骤(I)处理后的叠层聚酰亚胺薄膜放入炭化炉中进行炭化处理，炭化过程中用氩气进行保护，炭化温度1400°C，保温lh，制的炭薄膜；
(3)炭薄膜与氧化石墨烯进行复合处理:将步骤(2)处理后的炭薄膜浸溃在有一定氧化石墨烯含量的PMMA溶剂中，浸溃1h ；
(4)石墨化处理:将步骤(3)处理后的炭薄膜放入石墨化炉中，石墨化温度3000°C，保温Ih ;在石墨化过程中，步骤(3)浸溃的PMMA溶剂先受热挥发，留下氧化石墨烯分散在炭薄膜的孔隙中，并与杂环芳香层的石墨微晶接触；随后的石墨化高温处理则为氧化石墨烯及炭薄膜中石墨微晶的链接提供了条件；
(5)成品:将步骤(4)处理后的产品进行后续加工剪裁处理，得到成品。
[0022]传统现有技术中的石墨膜导热系数为800W/m.K左右，本发明之石墨膜石墨化度为97%，检测导热系数为1500W/m.K，导热系数较现有技术中导热系数增加近I倍。
[0023]实施例3
本实施之一种高导热石墨膜，由炭薄膜和纳米级石墨材料复合后石墨化处理制成；所述炭薄膜由聚酰亚胺薄膜炭化处理后制得；所述纳米级石墨材料为纳米级石墨颗粒，用于填充炭薄膜的分子间间隙。
[0024]本实施之一种闻导热石墨I旲的制备工艺，包括以下步骤:
(1)裁剪:将聚酰亚胺薄膜作为原材料，裁剪成所需尺寸，叠层，用表面抛光后的石墨板加压；压力为石墨板自身的重量+螺栓的力300N ；
(2)炭化处理:将经步骤(I)处理后的叠层聚酰亚胺薄膜放入炭化炉中进行炭化处理，炭化过程中用氩气进行保护，炭化温度1200°C，保温10h，制的炭薄膜；
(3)炭薄膜与纳米级石墨颗粒进行复合处理:将步骤(2)处理后的炭薄膜浸溃在有一定纳米级石墨颗粒含量的PMMA溶剂中，充分浸润；
(4)石墨化处理:将步骤(3)处理后的炭薄膜放入石墨化炉中，石墨化温度2800°C，保温1h ;在石墨化过程中，步骤(3)浸溃的PMMA溶剂先受热挥发，留下纳米级石墨颗粒分散在炭薄膜的孔隙中，并与杂环芳香层的石墨微晶接触；随后的石墨化高温处理则为纳米级石墨颗粒及炭薄膜中石墨微晶的链接提供了条件；
(5)成品:将步骤(4)处理后的产品进行后续加工剪裁处理，得到成品。
[0025]传统现有技术中的石墨膜导热系数为800W/m.K左右，本发明之石墨膜石墨化度为99%，检测导热系数为1600W/m.K，导热系数较现有技术中导热系数增加了 I倍。
【权利要求】
1.一种高导热石墨膜,其特征在于，由炭薄膜和纳米级石墨材料构成，所述炭薄膜由有机高分子薄膜炭化处理后制得；所述纳米级石墨材料填充于炭薄膜的分子间间隙。
2.根据权利要求1所述的高导热石墨膜，其特征在于，所述有机高分子薄膜为聚酰亚胺薄膜。
3.根据权利要求1或2所述的高导热石墨膜，其特征在于，所述纳米级石墨材料为石墨烯、氧化石墨烯、纳米级石墨颗粒中的一种。
4.一种如权利要求1所述的高导热石墨膜的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤: (1)裁剪:将有机高分子薄膜作为原材料，裁剪成所需尺寸，叠层，用表面抛光的石墨板加压； (2)炭化处理:将经步骤(I)处理后的叠层有机高分子薄膜放入炭化炉中进行炭化处理，炭化过程中用氮气或者氩气进行保护，炭化温度1000°C?1400°C，保温I?16h，制的炭薄膜； (3)炭薄膜与纳米级石墨材料进行复合处理:将步骤(2)处理后的炭薄膜浸溃在有一定纳米级石墨材料含量的有机溶剂中，浸溃0.5?1h或充分浸润即可； (4)石墨化处理:将步骤(3)处理后的炭薄膜放入石墨化炉中，石墨化温度2500°C?3000。。，保温 I ?12h ; (5)剪裁:将步骤(4)处理后的产品进行后续加工剪裁处理，得到成品。
5.根据权利要求4所述的高导热石墨膜的制备工艺，其特征在于，步骤(I)中，所述有机高分子薄膜为聚酰亚胺薄膜。
6.根据权利要求4或5所述的高导热石墨膜的制备工艺，其特征在于，步骤(2)中，所述炭化温度为1100°C。
7.根据权利要求4或5所述的高导热石墨膜的制备工艺，其特征在于，步骤(3)中，所述纳米级石墨材料为石墨烯，氧化石墨烯，纳米级石墨颗粒中的一种。
8.根据权利要求4或5所述的高导热石墨膜的制备工艺，其特征在于，步骤(3)中，所述有机溶剂为PMMA。
9.根据权利要求4或5所述的高导热石墨膜的制备工艺，其特征在于，步骤(4)中，所述石墨化温度为2800°C。
10.根据权利要求6所述的高导热石墨膜的制备工艺，其特征在于，步骤(4)中，所述石墨化温度为2800°C。
【文档编号】C09K5/14GK104293308SQ201410452660
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月9日 优先权日:2014年9月9日
【发明者】吕铁铮, 许 鹏, 崔金 申请人:湖南南方搏云新材料有限责任公司