一種石墨烯?納米銅復合材料的導熱薄膜及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種石墨烯?納米銅復合材料的導熱薄膜及其制備方法，該導熱薄膜由銅納米顆粒與多層石墨烯復合而成，所述銅顆粒直徑在納米級別，均勻分布在石墨烯層間，填補在石墨烯的缺陷處，并銜接上下兩層石墨烯。該導熱薄膜可以在保持橫向高熱導率特性的同時，有效增大其縱向的熱導率，可用于電子器件散熱。
【專利說明】
一種石墨烯-納米銅復合材料的導熱薄膜及其制備方法
技術領域
[0001]本發明屬于傳熱技術領域，具體涉及一種石墨烯-納米銅復合材料的導熱薄膜及其制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著電子芯片的集成度、封裝密度以及工作頻率的不斷提高，芯片熱流密度迅速增加，給芯片散熱帶來了極大挑戰，散熱問題已經影響到了電子產品、大功率電氣、航空航天等領域的發展。為解決以上問題，人們除了對電子設備熱設計進行優化，尋找性能更加優良的散熱薄膜也成為一個重要突破口。
[0003]石墨烯是目前發現的最薄，最堅硬，導電導熱能力最強的新型納米材料，石墨烯發現至今，其熱學、力學和電學等性能得到越來越多學者的研究。科學家估計室溫下單層石墨稀的橫向熱導率高達5300W/(mK)，但是單層石墨稀厚度只有0.335nm左右。多層石墨稀層間因為只存在范德華力而易產生滑移，使其縱向熱導率不高，由于聲子散射其橫向熱導率隨層數的增加而迅速降低，限制了其在散熱薄膜領域的應用。近年來科學家們開展了對石墨烯復合材料制作以及各種性能的多項研究，利用石墨烯優異的導熱性能，研制出導熱性能良好的石墨烯復合材料，有重要的現實意義。
【發明內容】
[0004]發明目的:為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種石墨烯-納米銅復合材料的導熱薄膜及其制備方法，可應用于電子器件散熱的高熱導率石墨烯薄膜結構。
[0005]技術方案:為實現上述目的，本發明采用的技術方案為:
[0006]—種石墨烯-納米銅復合材料的導熱薄膜，由銅顆粒與多層石墨烯復合而成，所述銅顆粒直徑在納米級別，均勻分布在相鄰的兩個石墨烯層間。銅顆粒填補在石墨烯的缺陷處，并銜接上下兩層石墨烯。
[0007]進一步的，所得的導熱薄膜的厚度為50μπι-100μπι，室溫下橫向熱導率在600W/m.K以上。
[0008]進一步的，所述銅顆粒的直徑為35nm_120nm。
[0009]上述的石墨稀-納米銅復合材料的導熱薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0010]I)制備氧化石墨烯薄膜；
[0011]2)采用電鍍工藝在所述氧化石墨烯薄膜上制備電沉積氧化石墨烯薄膜；
[0012]3)真空干燥、退火，還原所述電沉積氧化石墨烯薄膜形成石墨烯-納米銅復合薄膜；
[0013]4)熱壓并退火。
[0014]進一步的，所述步驟I)制備氧化石墨稀薄膜的具體方法為:
[0015]1-1)將天然鱗片狀石墨粉末加入到含有濃硝酸鈉和冷凍濃硫酸的混合物中；
[0016]1-2)加入高錳酸鉀，并且攪拌混合物；
[0017]1-3)逐漸加入雙氧水溶液除去殘余的高錳酸鉀；
[0018]1-4)將混合物稀釋并離心，得到氧化石墨烯；
[0019]1-5)用鹽酸溶液和去離子水清洗所述氧化石墨烯；
[0020]1-6)真空下過濾脫水得到氧化石墨烯薄膜。
[0021 ]進一步的，所述步驟2)采用電鍍工藝在所述氧化石墨烯薄膜上制備電沉積氧化石墨烯薄膜，具體工藝為:將氧化石墨烯加入去離子水中進行超聲分散，在電鍍槽中進行電泳沉積，具體為在20V恒壓的條件下電沉積180s，在電解的過程中，作為陽極的銅片失去電子形成二價銅離子，在陽極表面形成凝膠狀暗膜即電沉積氧化石墨烯薄膜。
[0022]進一步的，所述步驟3)的具體方法為:將所述電沉積氧化石墨烯薄膜放入氣氛爐中干燥，之后放入氣氛爐內，通入氮氣，以6°C/min的速率加熱至300°C，恒溫10分鐘之后通入氫氣，再以8°C/min的速率升溫至對應溫度，通過氫氣退火熱處理，石墨烯的缺陷被修復，步驟2)的電鍍工藝過程中形成的二價銅離子被還原成納米銅顆粒并迀移到氧化石墨烯的夾層中形成石墨烯-納米銅復合薄膜。
[0023]進一步的，所述氫氣退火的工藝為分別加熱至400°(:、500°(:、650°(:、和700°(:。退火溫度與銅離子的熱聚合和銅納米顆粒形成有關，銅顆粒直徑大小隨退火溫度升高而增大，但銅顆粒太大會導致熱導率的下降，因此將退火溫度區間定在400°C-70(TC。
[0024]進一步的，所述步驟4)采用熱壓技術，具體為壓力30MPa，以10°C/min的速率升溫至800°C，恒溫30min，然后自然冷卻。熱壓使銅納米顆粒與石墨烯之間接觸更緊密，同時使得具有多層結構的復合材料層間的距離減小，接觸更緊密。
[0025]進一步的，所述步驟4)采用退火技術，在氮氣的氛圍中以10°C/min的速率升溫至300°C，恒溫lh，然后自然冷卻。采用退火的熱處理方式是為了消除薄膜的熱應力，減少缺陷。
[0026]有益效果:本發明提供的石墨烯-納米銅復合材料的導熱薄膜及其制備方法，可以在保持橫向高熱導率特性的同時，有效增大其縱向的熱導率，尺寸很小可用于電子器件的散熱。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發明的制備方法流程示意圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
[0029]如圖1所示為一種石墨烯-納米銅復合材料的導熱薄膜的制備方法，利用物理或化學方法制備氧化石墨烯，然后利用電鍍工藝在氧化石墨烯薄膜上制備出電沉積氧化石墨烯薄膜，用氫氣退火還原氧化石墨烯形成石墨烯-納米銅復合薄膜，并利用退火溫度控制銅納米顆粒的直徑大小。采用熱壓技術使銅納米顆粒與石墨烯之間接觸更緊密，同時使得具有多層結構的復合材料層間的距離減小，接觸更緊密。最后采用退火的熱處理方式消除薄膜的熱應力，減少缺陷。
[0030]實施例
[0031]—種石墨烯-納米銅復合材料的導熱薄膜的制備方法，制備過程流程圖如下，具體為:將2.0g天然鱗片狀石墨粉末加入到含有1.0g濃硝酸鈉和92ml冷凍的濃硫酸的混合物中。加入9.0g高錳酸鉀，并且攪拌混合物。然后逐漸加入雙氧水溶液除去殘余的高錳酸鉀，再將混合物稀釋并離心，將所得的氧化石墨烯用鹽酸溶液和去離子水清洗。放入氣氛爐中真空下過濾脫水。
[0032]將氧化石墨烯加入去離子水中進行超聲分散，在電鍍槽中進行電泳沉積。在20V恒壓的條件下電沉積180s，陽極表面形成凝膠狀暗膜(GO-EH))，然后在氣氛爐中真空干燥。
[0033]G0-EH)膜在氣氛爐內進行高溫氫氣退火處理，分別加熱至400，500，650，和700°C，銅顆粒直徑大小隨退火溫度升高而增大。將制備的薄膜放入熱壓機熱壓，壓力30MPa，以10°C/min的速率升溫至800 °C，恒溫30min，然后自然冷卻。之后放入氣氛爐中在氮氣的氛圍中以10°C/min的速率升溫至300°C，恒溫Ih，然后自然冷卻。
[0034]由于石墨烯層間只存在弱相互作用力范德華力，大大影響了縱向的導熱，此實施例獲得的石墨烯-納米銅復合材料的導熱薄膜，因為在石墨烯的層間插入了許多納米銅顆粒，一方面導熱系數比較高的銅納米顆粒參與了層間的導熱，另一方面采用熱壓技術使銅納米顆粒與石墨烯之間、復合材料層間的接觸更緊密，因此這種結構可以增加縱向的熱導率。同時，這種結構不破壞石墨烯本身具有的橫向高熱導的特性，橫向熱導率可達到600W/m.K以上，高于現有商用導熱薄膜的500W/m.K，熱導率至少提高20%。薄膜厚度在50_100μm之間，可用于電子器件的散熱。
[0035]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出:對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種石墨烯-納米銅復合材料的導熱薄膜，其特征在于:由銅顆粒與多層石墨烯復合而成，所述銅顆粒直徑在納米級別，均勻分布在相鄰的兩個石墨烯層間。2.根據權利要求1所述的石墨烯-納米銅復合材料的導熱薄膜，其特征在于:所得的導熱薄膜的厚度為50μπι-100μπι，室溫下橫向熱導率在600W/m.K以上。3.根據權利要求1所述的石墨烯-納米銅復合材料的導熱薄膜，其特征在于:所述銅顆粒的直徑為3 5nm_ 120nm。4.根據權利要求1所述的石墨稀-納米銅復合材料的導熱薄膜的制備方法，其特征在于:包括以下步驟: 1)制備氧化石墨烯薄膜； 2)采用電鍍工藝在所述氧化石墨烯薄膜上制備電沉積氧化石墨烯薄膜； 3)真空干燥、退火，還原所述電沉積氧化石墨烯薄膜形成石墨烯-納米銅復合薄膜； 4)熱壓并退火。5.根據權利要求4所述的石墨稀-納米銅復合材料的導熱薄膜的制備方法，其特征在于:所述步驟I)制備氧化石墨烯薄膜的具體方法為: 1-1)將天然鱗片狀石墨粉末加入到含有濃硝酸鈉和冷凍濃硫酸的混合物中； 1-2)加入高錳酸鉀，并且攪拌混合物； 1-3)逐漸加入雙氧水溶液除去殘余的高錳酸鉀； 1-4)將混合物稀釋并離心，得到氧化石墨烯； 1-5)用鹽酸溶液和去離子水清洗所述氧化石墨烯； 1-6)真空下過濾脫水得到氧化石墨烯薄膜。6.根據權利要求4所述的石墨稀-納米銅復合材料的導熱薄膜的制備方法，其特征在于:所述步驟2)采用電鍍工藝在所述氧化石墨烯薄膜上制備電沉積氧化石墨烯薄膜，具體工藝為:將氧化石墨烯加入去離子水中進行超聲分散，在電鍍槽中進行電泳沉積，具體為在20V恒壓的條件下電沉積180s，在電解的過程中，作為陽極的銅片失去電子形成二價銅離子，在陽極表面形成凝膠狀暗膜即電沉積氧化石墨烯薄膜。7.根據權利要求4所述的石墨稀-納米銅復合材料的導熱薄膜的制備方法，其特征在于:所述步驟3)的具體方法為:將所述電沉積氧化石墨烯薄膜放入氣氛爐中干燥，之后放入氣氛爐內，通入氮氣，以6°C/min的速率加熱至300°C，恒溫10分鐘之后通入氫氣，再以8°C/min的速率升溫至對應溫度，通過氫氣退火熱處理，石墨烯的缺陷被修復，步驟2)的電鍍工藝過程中形成的二價銅離子被還原成納米銅顆粒并迀移到氧化石墨烯的夾層中形成石墨稀-納米銅復合薄膜。8.根據權利要求7所述的石墨稀-納米銅復合材料的導熱薄膜的制備方法，其特征在于:所述氫氣退火的工藝為分別加熱至400°C、500°C、650°C、和700°C。9.根據權利要求4所述的石墨稀-納米銅復合材料的導熱薄膜的制備方法，其特征在于:所述步驟4)采用熱壓技術，具體為壓力30MPa，以10°C/min的速率升溫至800°C，恒溫30min，然后自然冷卻。10.根據權利要求4所述的石墨稀-納米銅復合材料的導熱薄膜的制備方法，其特征在于:所述步驟4)采用退火技術，在氮氣的氛圍中以10°C/min的速率升溫至300°C，恒溫lh，然后自然冷卻。
【文檔編號】C01B31/04GK106082186SQ201610404290
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月12日
【發明人】史波, 王唯
【申請人】南京航空航天大學