CN103864065A - 提高石墨烯薄膜导热率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高石墨烯薄膜导热率的方法，属于材料技术领域。其方法是将厚度为0.1～500μm、密度为0.5～2.5g/cm3的石墨烯基薄膜或氧化石墨烯基薄膜送入真空度为1000～5000Pa、或者送入充有惰性气体且气压为一个大气压的加热炉中，按1～30℃/min的升温速率将加热炉从室温升至1000～3000℃的目标温度，然后随炉冷却。本发明利用高温热处理来修补石墨烯粉体本身缺陷，因此能够使石墨烯粉体搭接形成石墨烯薄膜材料，可使每片石墨烯粉体通过晶体生长而形成彼此连续的大片石墨烯而形成非常规则的层状结构，热导率得到大幅度提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高散热材料导热率的方法，尤其涉及一种提高石墨烯薄膜导热率的方法；属于材料技术领域。
背景技术
众所周知，热扩散材料是构成散热体系的重要组成部分；通常为平面薄膜结构，在平面方向具有良好热导率。它可将热源产生的热量从点热源扩散成为一个大面积的面热源，从而消除过热点，防止电子器件的老化。热扩散材料的传热能力是由其原子结构决定的，纳米尺度上晶体结构的改变可影响热扩散材料的热传递能力。
石墨烯是一种完全由碳原子构成的具有二维平面结构的新兴材料，具有极高的热导率，有望在高性能纳米电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器、能量存储等领域获得广泛应用，被认为是下一代电子设备最有前途的一种热扩散材料。虽然石墨烯热导率的理论值可达到5000 W/mk，但只有将其制备成宏观材料发挥其在实际当中的应用价值。目前，通常采用化学气相沉积和氧化还原法来制备石墨烯。化学气相沉积法制备出的石墨烯近乎完美，但该种石墨烯在垂直方向的宏观尺寸很有限，不适合应用于散热领域；而氧化还原法制备出来的石墨烯粉体经过某种工艺处理后（例如喷涂，滚涂等等），可以得到宏观上任意尺寸的石墨烯薄膜材料，因此在散热领域具有很高的应用前景。然而氧化还原法制备的石墨烯粉体一般属于微米级别，即使再通过某种制膜工艺将其制备成石墨烯薄膜，其内部结构也是由石墨烯粉体按物理搭接的形式而形成的非连续结构，因此其散热性能在很大程度上大打折扣。
发明内容
针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明旨在提供一种提高石墨烯薄膜导热率的方法，经本发明方法处理的石墨烯薄膜其面内横向导热率可达到500～2000W/mk；纵向导热率为10～20W/mk。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：将厚度为0.1～500μm、密度为0.5～2.5g/cm3的石墨烯基薄膜或氧化石墨烯基薄膜送入真空度为1000～5000Pa、或者送入充有惰性气体且气压为一个大气压的加热炉中，按1～30℃/min的升温速率将加热炉从室温升至1000～3000℃的目标温度，然后随炉冷却。
在上述技术方案中，加热炉的升温速率优选为10～20℃/min、加热炉的目标温度优选为1500～2100℃，所述惰性气体为氩气。
在上述技术方案中，石墨烯基薄膜或氧化石墨烯基薄膜的厚度优选为1～300μm；更优选为5～200μm；最优选为10～100μm。
与现有技术比较，本发明由于采用了上述技术方案，利用高温热处理的方法修补石墨烯粉体本身的缺陷，因此能够使氧化还原制备的石墨烯粉体搭接形成石墨烯薄膜材料；可使每片石墨烯粉体通过晶体生长而形成彼此连续的大片石墨烯，从而在石墨烯薄膜内部形成非常规则的层状结构，热导率得到大幅度提高。据测试，采用本发明方法处理的石墨烯薄膜的面内横向导热率可达到500～2000W/mk；纵向导热率为10～20W/mk。
附图说明
图1是经高温热处理的石墨烯薄膜的横截面的电子显微镜扫描照片；
图2是将本发明方法处理过的厚度为50um的石墨烯薄膜覆盖于200°C电热源表面的红外线热成像图片；
图3是未高温热处理的石墨烯薄膜的横截面的电子显微镜扫描照片；
图4是将未经本发明方法处理的厚度为50um的石墨烯薄膜覆盖于200°C电热源表面的红外线热成像图片。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步说明：
实施例1，将厚度为0.1μm、密度为2.5g/cm3的石墨烯基薄膜或氧化石墨烯基薄膜送入真空度为1000Pa的加热炉中，按30℃/min的升温速率将加热炉从室温升至1000℃的目标温度，然后随炉冷却。
实施例2，各步骤同实施例1；其中，石墨烯基薄膜或氧化石墨烯基薄膜的厚度为500μm、密度为0.5g/cm3、加热炉真空度为5000Pa、升温速率为1℃/min、加热炉的目标温度为3000℃。
实施例3，各步骤同实施例1；其中，石墨烯基薄膜或氧化石墨烯基薄膜的厚度为250μm、密度为1.5g/cm3、加热炉的真空度为2500Pa、升温速率为15℃/min、加热炉的目标温度为1500℃。
实施例4，将厚度为250μm、密度为1.5g/cm3的石墨烯基薄膜或氧化石墨烯基薄膜送入充有氩气的加热炉中，按10℃/min的升温速率将加热炉从室温升至2100℃的目标温度，加热炉的气压为一个大气压。
实施例5，各步骤同实施例4；其中，升温速率为20℃/min、加热炉的目标温度为1500℃。
实施例6，各步骤同实施例4；其中，升温速率为15℃/min、加热炉的目标温度为1550℃。
实施例7，各步骤同实施例1；其中，石墨烯基薄膜或氧化石墨烯基薄膜的厚度为1μm、加热炉真空度为3000Pa。
实施例8，各步骤同实施例1；其中，石墨烯基薄膜或氧化石墨烯基薄膜的厚度为300μm、加热炉真空度为2000Pa。
实施例9，各步骤同实施例1；其中，石墨烯基薄膜或氧化石墨烯基薄膜的厚度为150μm。
实施例10，各步骤同实施例4；其中，石墨烯基薄膜或氧化石墨烯基薄膜的厚度为5μm。
实施例11，各步骤同实施例4；其中，石墨烯基薄膜或氧化石墨烯基薄膜的厚度为200μm。
实施例12，各步骤同实施例1；其中，石墨烯基薄膜或氧化石墨烯基薄膜的厚度为10μm、加热炉真空度为4000Pa。
实施例13，各步骤同实施例1；其中，石墨烯基薄膜或氧化石墨烯基薄膜的厚度为100μm、加热炉真空度为1500Pa。
将图1、图3进行比较可以看出，未经高温热处理的石墨烯薄膜其内部是由石墨烯粉体按物理搭接的形式而形成的非连续结构，薄膜内部比较杂乱，因此其面内横向热传导率小于200W/mk；而经本发明方法处理过的石墨烯薄膜其内部可形成非常规则的层状结构，其面内横向热导率可达500～2000W/mk。将图2、图4进行比较可以看出，经本发明方法处理的石墨烯薄膜其散热性能明显优于未经高温热处理的石墨烯薄膜。
以下是将本发明方法处理的石墨烯薄膜与未经高温热处理的石墨烯薄膜进行对比测试所得的几组数据：
实施例14，选用不同喷涂工艺制备【1】的石墨烯薄膜为原料进行热处理，加热炉的真空度为1000Pa、升温速率为10°C/min、加热炉的目标温度为1800°C，具体测试结果如表1所示。热扩散率的测试通过Netzsch LFA 447 NanoFlash Instrument完成；喷涂设备购自美国PaascheAirbrush公司，型号H100-D。
实施例15，选用不同喷涂工艺【2】制备的石墨烯薄膜为原料进行热处理，加热炉的真空度为1000Pa、升温速率为10°C/min、加热炉的目标温度为2100°C，具体测试结果如表2所示。热扩散率的测试通过Netzsch LFA 447 NanoFlash Instrument完成；喷涂设备购自美国PaascheAirbrush公司，型号H100-D。
实施例14～15中的【1】、【2】主要参考文献如下：（1）Electrodynamically Sprayed Thin Films of Aqueous Dispersible Graphene Nanosheets：Highly Efficient athodes for Dye-Sensitized Solar Cells. DOI：10.1021/am3005913。（2）Electrospray deposition of a graphene-oxide thin film，its characterization and investigation of its resistive switching performance. DOI：10.3938/jkps.61.470。
选取实施例14和实施例15中的5号样品与原始石墨烯薄膜（未经本发明方法处理）分别覆盖在200°C的点热源下，在红外热像仪下进行观察（见图2、图4）。从图中可以看出，原始石墨烯薄膜出现了局部热点（最高温度达到152.2°C）；而实施例14和15中的5号样品没有出现局部热点，整个薄膜的温度分布均匀，最高温度为126.3°C。说明利用本发明处理的石墨烯散热薄膜导热效率高于同条件下未经过处理的原始石墨烯薄膜。
实施例16，选用不同滚涂工艺【3】制备的石墨烯薄膜为原料进行热处理，加热炉中充有氩气，压力为一个标准大气压、气体流量20ml/min，升温速度设为10°C/min、加热炉的目标温度为1800°C；具体测试结果如表3所示。热扩散率的测试通过Netzsch LFA 447 NanoFlash Instrument完成；滚涂设备购自合肥科晶公司MSK-AFA-E300 连续式实验型自动涂布机。
实施例17，选用不同滚涂工艺【4】制备的石墨烯薄膜为原料进行热处理，加热炉中充有氩气，压力为一个标准大气压、气体流量20ml/min，升温速度为10°C/min、加热炉的目标温度为2100°C；具体测试结果如表3所示。热扩散率的测试通过Netzsch LFA 447 NanoFlash Instrument完成；滚涂设备购自合肥科晶公司MSK-AFA-E300 连续式实验型自动涂布机。
实施例16～17中的【3】、【4】主要参考文献如下：
（1）A Facile Route to Polymer Solar Cells with Optimum Morphology Readily Applicable to a Roll-to-Roll Process without Sacrificing High Device Performance. DOI：10.1002/adma.201000250。
（2）Roll to roll fabrication of polymer solar cell.http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702112700196。
实施例18，选用真空抽滤方法【5】制备的石墨烯薄膜材料为原料进行热处理，加热炉中充有氩气，压力为一个标准大气压、气体流量20ml/min，升温速度设为10°C/min、升温速度为10°C/min、加热炉的目标温度选为1800°C，具体结果如表5所示。热扩散率的测试通过Netzsch LFA 447 NanoFlash Instrument完成。
实施例18中的【5】主要参考文献如下：
（1）Processable aqueous dispersions of graphene nanosheets. nature nanotechnology. DOI:10.1038/nnano.2007.451。（2）Mechanically strong,electrically conductive,and biocompatible graphene paper. Advanced materials. DOI:10.1002/adma.200800757。
Claims (5)
1.一种提高石墨烯薄膜导热率的方法，其特征在于：将厚度为0.1～500μm、密度为0.5～2.5g/cm3的石墨烯基薄膜或氧化石墨烯基薄膜送入真空度为1000～5000Pa、或者送入充有惰性气体且气压为一个大气压的加热炉中，按1～30℃/min的升温速率将加热炉从室温升至1000～3000℃的目标温度，然后随炉冷却。
2.根据权利要求1所述的提高石墨烯薄膜导热率的方法，其特征在于：升温速率为10～20℃/min、加热炉的目标温度为1500～2100℃，所述惰性气体为氩气。
3.根据权利要求1或2所述的提高石墨烯薄膜导热率的方法，其特征在于：石墨烯基薄膜或氧化石墨烯基薄膜的厚度为1～300μm。
4.根据权利要求1或2所述的提高石墨烯薄膜导热率的方法，其特征在于：石墨烯基薄膜或氧化石墨烯基薄膜的厚度为5～200μm。
5.根据权利要求1或2所述的提高石墨烯薄膜导热率的方法，其特征在于：石墨烯基薄膜或氧化石墨烯基薄膜的厚度为10～100μm。
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140618 |