一种铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料的制备方法与流程

本发明属于散热材料的制备技术领域，特别是涉及一种铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料的制备方法。

背景技术：

在电子、电气元件、高功率光学器件的微处理器和集成电路中一般都会产生很高的热量，如果这些电子元器件产生的热量超过其允许的范围，不仅对它们自身性能造成影响，而且可能会对整个系统的性能和稳定造成不可估量的损害，从而引起系统的崩溃。而电子、电气设备的性能、可靠性和寿命与运行环境的温度成反比关系。例如，高功率led或液晶模块中，基板散热速度的提高可以大大提高它们的光亮度、寿命和运行的稳定性。因此，为了提高电子元器件及其系统的性能和稳定性，延长其使用寿命，降低运行的环境温度极其重要，这主要依靠散热器散热速度的提高。在现有技术中由于铝基材料具有重量轻(密度为2.7g/cm³)、导热系数高(热导率约200w/mk)、抗腐性能好、价格便宜等特点，被广泛应用于电脑、空调、手机、led照明、通信、整流器，医疗及工业设备等多种散热领域。但随着电子产品的不断更新和性能的提升，对原有散热材料散热速度的要求也日益严格。

石墨烯是一种超轻、超薄、超强和超大比表面积的准二维材料，面密度约0.77mg/m²，单层石墨烯的厚度约0.34nm，石墨烯的韧性极好，弹性模量为1.0tpa，微观强度可达30gpa，是传统钢材的100多倍，理论比表面积为2630m²/g，而且具有非常高的导电、导热性能，如电阻率为2×10^-6ω.cm，电子迁移率可达2×10⁵cm²/v.s，在室温下水平热导率约为5×10³w/m.k。同时，石墨烯具有高的热稳定性、化学稳定性以及优异的抗渗透性和抗磨性能。因此，石墨烯在力学、电子学、光学、热学以及新能源等各领域中都拥有了广泛的应用前景，尤其在散热材料的合成应用方面吸引了人们的广泛关注。

在铝基材料中适量添加石墨烯或碳纳米管，能够有效地改善其散热性能、力学性能和电学性能等。在现有技术中石墨烯或碳纳米管与铝基复合材料的合成方法有：1、在铝基材料表面上涂覆石墨烯或碳纳米管散热涂层；2、固体粉末合成法；3、熔融共炼法等。但是由于石墨烯和碳纳米管都较容易团聚，在上述方法制备的复合材料中出现石墨烯和碳纳米管分散不均匀或趋向不一致等问题，从而导致降低石墨烯或碳纳米管复合材料的散热效果。除此之外，在第一种方法中石墨烯或碳纳米管与金属基体表面之间往往利用有机涂料来粘接，而一般的有机涂料的导热系数都很低，不利于散热性能的提高。后两种方法是提高铝基复合材料综合性能的常用方法，但工艺较复杂，耗时耗能都很大，尤其在第三种方法中高温烧炼时还可能产生氧化或界面反应等现象而导致材料性能的降低。

技术实现要素：

本发明目的在于针对现有技术中所存在的问题，提出一种铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料的制备方法，该方法制备工艺简单、节能环保、成本低兼、散热效果好。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在无水乙醇溶液中分别放入等量的石墨烯粉末和碳纳米管，配成浓度为0.02～0.1mg/ml的石墨烯、碳纳米管的混合液，再加入铝盐溶液，配成铝盐浓度为0.4～4mg/ml的铝盐石墨烯、碳纳米管混合液，再用超声波分散3～5h，获得均匀分散的铝盐石墨烯、碳纳米管的混合电泳液；

(2)将厚度为0.01～0.1mm的铝或铝合金薄片在无水乙醇溶液中超声5～10分钟，再用5～8％的稀硝酸中浸泡0.5～1min后用去离子水多次冲洗，晾干之后，作为阴极；

(3)以与所述阴极尺寸相当的石墨片为阳极，将所述阴极和所述阳极一起浸没于所述铝盐石墨烯、碳纳米管的混合电泳液中在60～100v/cm的直流电场下进行电泳沉积1～8min；

(4)取出所述阴极，从该阴极一端起多层叠放后用液压成型机冷压10～24h制成样品，其中叠加层数为300层以上，然后将所述阴极的另一端在压制成型的样品外面包裹一圈后焊接固定于其侧面；

(5)在氮气气氛下以450～550℃的温度退火处理3～5h，自然降温之后，即可得到所述铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料。

根据本发明的铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料的制备方法，其特征在于，所述石墨烯粉末是由cvd法生长的单层或少层石墨烯，所述石墨烯粉末粒径为10～30微米，厚度为2nm以下，所述碳纳米管是多壁碳纳米管，所述多壁碳纳米管的长度为5～30微米，直径为10nm以下，所述石墨烯和碳纳米管的沉积厚度为20nm以下。

根据本发明的铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料的制备方法，其特征在于，所述铝盐为硝酸铝或硫酸铝。

本发明的技术效果

根据本发明的技术方案，能够提供一种散热效率高、力学强度大、工艺简单、节能环保、成本低的铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料及其制备方法。本发明的散热材料，不含有机物，能够有效地解决石墨烯和碳纳米管在复合材料中的趋向不一致和分布不均匀等问题，而且还能控制石墨烯与碳纳米管的沉积厚度，从而大幅度提高传统金属散热材料的散热系数。采用本发明所提供的铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料，能够迅速地降低电脑、空调、手机、led照明、通信、整流器，医疗及工业设备的工作环境温度，提高其散热效率，延长设备的使用寿命。

附图说明

图1为本发明方法所制备的铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料的结构示意图。

图2为本发明所提供的铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料的石墨烯、碳纳米管复合层表面扫描电子显微镜图。

具体实施方式

以下通过实施例的阐述，对本发明的铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料的制备方法进行详细说明。

实施例1：

一种铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在无水乙醇溶液中分别放入等量的石墨烯粉末和碳纳米管，配成浓度为0.02mg/ml的石墨烯、碳纳米管的混合液，再加入铝盐溶液，配成铝盐浓度为0.6mg/ml的铝盐石墨烯、碳纳米管混合液，再用超声波分散3h，获得均匀分散的铝盐石墨烯、碳纳米管的混合电泳液；

(2)将厚度为0.01mm的铝薄片在无水乙醇溶液中超声10分钟，再用5％的稀硝酸中浸泡0.5min后用去离子水多次冲洗，晾干之后，作为阴极；

(3)以与所述阴极尺寸相当的石墨片为阳极，将所述阴极和所述阳极一起浸没于所述铝盐石墨烯、碳纳米管的混合电泳液中在100v/cm的直流电场下进行电泳沉积1min；

(4)取出所述阴极，从该阴极一端起多层叠放后用液压成型机冷压10h制成样品，其中叠加层数为3000层以上，然后将所述阴极的另一端在压制成型的样品外面包裹一圈后焊接固定于其侧面；

(5)在氮气气氛下以450℃的温度退火处理5h，自然降温之后，即可得到所述铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料。

根据本实施例的铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料的制备方法，其特征在于，所述石墨烯粉末是由cvd法生长的单层或少层石墨烯，所述石墨烯粉末粒径为30微米以下，厚度为2nm以下，所述碳纳米管是多壁碳纳米管，所述多壁碳纳米管的长度为30微米以下，直径为10nm以下，所述石墨烯和碳纳米管的沉积厚度为20nm以下。

根据本实施例的铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料的制备方法，其特征在于，所述铝盐为硝酸铝。

实施例2：

一种铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在无水乙醇溶液中分别放入等量的石墨烯粉末和碳纳米管，配成浓度为0.08mg/ml的石墨烯、碳纳米管的混合液，再加入铝盐溶液，配成铝盐浓度为0.4mg/ml的铝盐石墨烯、碳纳米管混合液，再用超声波分散5h，获得均匀分散的铝盐石墨烯、碳纳米管的混合电泳液；

(2)将厚度为0.05mm的铝薄片在无水乙醇溶液中超声8分钟，再用8％的稀硝酸中浸泡1min后用去离子水多次冲洗，晾干之后，作为阴极；

(3)以与所述阴极尺寸相当的石墨片为阳极，将所述阴极和所述阳极一起浸没于所述铝盐石墨烯、碳纳米管的混合电泳液中在60v/cm的直流电场下进行电泳沉积8min；

(4)取出所述阴极，从该阴极一端起多层叠放后用液压成型机冷压15h制成样品，其中叠加层数为800层以上，然后将所述阴极的另一端在压制成型的样品外面包裹一圈后焊接固定于其侧面；

(5)在氮气气氛下以500℃的温度退火处理3h，自然降温之后，即可得到所述铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料。

根据本实施例的铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料的制备方法，其特征在于，所述石墨烯粉末是由cvd法生长的单层或少层石墨烯，所述石墨烯粉末粒径为30微米以下，厚度为2nm以下，所述碳纳米管是多壁碳纳米管，所述多壁碳纳米管的长度为5～30微米，直径为10nm以下，所述石墨烯和碳纳米管的沉积厚度为20nm以下。

根据本实施例的铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料的制备方法，其特征在于，所述铝盐为硫酸铝。

实施例3：

一种铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在无水乙醇溶液中分别放入等量的石墨烯粉末和碳纳米管，配成浓度为0.1mg/ml的石墨烯、碳纳米管的混合液，再加入铝盐溶液，配成铝盐浓度为4mg/ml的铝盐石墨烯、碳纳米管混合液，再用超声波分散4h，获得均匀分散的铝盐石墨烯、碳纳米管的混合电泳液；

(2)将厚度为0.1mm的铝薄片在无水乙醇溶液中超声10分钟，再用6％的稀硝酸中浸泡1min后用去离子水多次冲洗，晾干之后，作为阴极；

(3)以与所述阴极尺寸相当的石墨片为阳极，将所述阴极和所述阳极一起浸没于所述铝盐石墨烯、碳纳米管的混合电泳液中在80v/cm的直流电场下进行电泳沉积4min；

(4)取出所述阴极，从该阴极一端起多层叠放后用液压成型机冷压24h制成样品，其中叠加层数为300层以上，然后将所述阴极的另一端在压制成型的样品外面包裹一圈后焊接固定于其侧面；

(5)在氮气气氛下以550℃的温度退火处理4h，自然降温之后，即可得到所述铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料。

根据本实施例的铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料的制备方法，其特征在于，所述石墨烯粉末是由cvd法生长的单层或少层石墨烯，所述石墨烯粉末粒径为10微米以下，厚度为2nm以下，所述碳纳米管是多壁碳纳米管，所述多壁碳纳米管的长度为30微米以下，直径为10nm以下，所述石墨烯和碳纳米管的沉积厚度为20nm以下。

根据本实施例的铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料的制备方法，其特征在于，所述铝盐为硝酸铝。

实施例4：

一种铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在无水乙醇溶液中分别放入等量的石墨烯粉末和碳纳米管，配成浓度为0.08mg/ml的石墨烯、碳纳米管的混合液，再加入铝盐溶液，配成铝盐浓度为0.4mg/ml的铝盐石墨烯、碳纳米管混合液，再用超声波分散4h，获得均匀分散的铝盐石墨烯、碳纳米管的混合电泳液；

(2)将厚度为0.03mm的铝薄片在无水乙醇溶液中超声5分钟，再用8％的稀硝酸中浸泡0.8min后用去离子水多次冲洗，晾干之后，作为阴极；

(3)以与所述阴极尺寸相当的石墨片为阳极，将所述阴极和所述阳极一起浸没于所述铝盐石墨烯、碳纳米管的混合电泳液中在100v/cm的直流电场下进行电泳沉积6min；

(4)取出所述阴极，从该阴极一端起多层叠放后用液压成型机冷压20h制成样品，其中叠加层数为1000层以上，然后将所述阴极的另一端在压制成型的样品外面包裹一圈后焊接固定于其侧面；

(5)在氮气气氛下以500℃的温度退火处理4h，自然降温之后，即可得到所述铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料。

根据本实施例的铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料的制备方法，其特征在于，所述石墨烯粉末是由cvd法生长的单层或少层石墨烯，所述石墨烯粉末粒径为5～30微米以下，厚度为2nm以下，所述碳纳米管是多壁碳纳米管，所述多壁碳纳米管的长度为5～20微米，直径为10nm以下，所述石墨烯和碳纳米管的沉积厚度为20nm以下。

根据本实施例的铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料的制备方法，其特征在于，所述铝盐为硝酸铝。

另外，为了进一步详细说明本发明所述的铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料的制备方法，在图1中给出了本发明方法所制备的铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料的基本结构示意图。如图1所示，所述铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料为由所述铝基薄片1和所述石墨烯、碳纳米管复合层2相互交替叠加而形成的多层复合结构。要说明的是，图1仅仅表示材料基本结构，而不表示实际尺寸和比例，在实际材料中所述石墨烯、碳纳米管复合层2比图1中的更薄。图2中给出了本发明所述的铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料的沉积于铝基薄片上的所述石墨烯、碳纳米管复合层表面的扫描电镜图。可以看出，所述石墨烯3几乎都向水平方向覆盖于铝基衬底表面，并且相互之间通过铝纳米颗粒5或碳纳米管4或直接连接得非常紧密，然后所述碳纳米管4基本上都平躺在所述石墨烯3表面上，而且在所述石墨烯3和所述碳纳米管4表面上覆盖有许多铝纳米颗粒5。表明，在本发明的复合散热材料中所述石墨烯3和所述碳纳米管4在水平方向上已经有了很好的趋向，在后期的压制成型和烧结过程中，覆盖在石墨烯3或碳纳米管4表面上的铝纳米颗粒5在各叠层之间起非常好的连接作用。因此，用此方法制备的铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料，与未参入石墨烯3和碳纳米管4之前的铝基材料相比，其力学性能和导电导热性都会大幅度提高。

除此之外，本发明的铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料，可以向垂直于叠加方向切割出不同厚度的片状散热器，其纵向散热系数可达铝合金的3～6倍，也可以利用不同造型的模具来重新压制成不同形状的散热器，其散热率和力学强度都高于普通铝合金材料。

在以上实施例中描述了几种铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料的制备方法，而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铝基石墨烯、碳纳米管复合散热材料的制备原理，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。