CN107686109A - 一种高性能石墨‑石墨烯双层碳基导热薄膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双层碳基导热薄膜的制备方法，步骤如下：(1)石墨烯基浆料的制备：a.将包含氧化石墨烯(GO)的溶液进行水热还原反应，之后球磨制备得到石墨烯基浆料；或b.将包含石墨的溶液用机械剥离的方法制备得到石墨烯基浆料；(2)导热薄膜的制备：将制备的石墨烯基浆料涂覆在石墨纸上，得到导热薄膜。构筑的薄膜不仅保持了石墨纸良好的机械性能。相比与单独的石墨纸，涂覆了石墨烯的双层碳基导热薄膜的散热能力提高了30％，实现了400W m^‑1k^‑1以上的导热能力。采用刷涂法、喷涂法、刮涂法，印刷法等涂膜方法将制备的石墨烯基浆料涂覆在商业石墨纸上，工艺简单，有利于大规模生产。

Description

一种高性能石墨-石墨烯双层碳基导热薄膜的制备方法

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，更具体地，涉及一种双层碳基导热薄膜的制备方法。

背景技术

随着科学技术的快速发展，高效导热和散热成为许多领域亟待解决的问题。例如通讯卫星用的高功率电子设备在运行过程中会产生和积聚大量的热量。高度集成的电子器件(如CPU)，其单位容积电子器件的发热量随着工作时间的增加会迅速增大，因此会使***产生的热量骤增。如果处理不及时，就会导致半导体器件提前老化或是加速电子元件的热机械损坏。因此为了满足电子设备高功率，小体积的产品设计大趋势，迫切需要开发一种质量轻、导热率高的材料。

传统的金属导热材料中金和银属于导热性能最佳的材料，但其价格太高，难以被广泛应用。金属铜也有较好的散热效果，但其具有容易被氧化而降低性能等局限性。另外，在航天领域，小体积设备不仅仅需要导热材料有高的导热率和高温承受能力，还要有良好的热机械性能和较小的密度。

目前许多科学家认识到利用碳材料的特殊结构和性能可以生产出满足上述要求的高导热材料。碳材料具有较低的密度、低热膨胀系数、优异的机械性能和较高的热导率，是近年来最具发展前景的一类导热材料，因而在能源、计算技术、通讯、电子、激光和空间科学等领域具有广阔的应用前景。但是一般多晶石墨材料的常温热导率仅为70～150W m^-1K^-1，远远不能满足上述场合的需求。

因此，构筑一种新型结构的碳基高性能导热材料是急迫需要的。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种双层碳基导热薄膜的制备方法，依据该方法所制备的导热薄膜有至少400W m^-1k^-1的热导率，其中通过对反应原料的选定和对石墨烯浆料的制备和涂覆方法的选择等关键工艺步骤的改进，实现了新型双层碳基导热薄膜的制备；并且，该制备方法工艺简单、操作便捷，反应材料廉价、易得，而且可以大规模制备。

本发明技术方案如下：

一种双层碳基导热薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)石墨烯基浆料的制备：

a.将包含氧化石墨烯(GO)的溶液进行水热还原反应，之后球磨制备得到石墨烯基浆料；或

b.将包含石墨的溶液用机械剥离的方法制备得到石墨烯基浆料；

(2)导热薄膜的制备：将步骤(1)制备得到的石墨烯基浆料涂覆在石墨纸上，得到导热薄膜。

根据本发明，步骤(1)a中，所述包含氧化石墨烯(GO)的溶液中还可以包括碳纳米管、金刚石、碳化硅、硅、金、银、铜、铝等材料中的一种或多种。

根据本发明，步骤(1)b中，所述包含石墨的溶液中还包括表面分散剂，例如为十二烷基苯磺酸钠、十八烷基硫酸钠、十六烷基三甲基氯化铵、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、羧甲基纤维素钠和聚乙二醇中的至少一种。

根据本发明，步骤(1)b中，用机械剥离的方法剥离后，可以任选与碳纳米管、金刚石、碳化硅、硅、金、银、铜、铝等材料中的一种或多种混合，制备得到石墨烯复合浆料；

根据本发明，步骤(1)a中，所述球磨的时间为1～10h，优选为2～5h，更优选为3h。

根据本发明，步骤(1)a中，所述氧化石墨烯的浓度为0.01mg/ml-50mg/ml。

根据本发明，步骤(1)a中，所述反应温度为160℃～200℃，优选为180℃。

根据本发明，步骤(1)a中，所述反应时间为4～10h，优选为5～8h，更优选为6h。

根据本发明，步骤(2)中，所述涂覆方法包括刷涂法、喷涂法、刮涂法、印刷法等。

根据本发明，步骤(2)中，将制备的石墨烯基浆料涂覆在石墨纸上之后，还包括加热的步骤，所述加热温度为50℃～110℃，优选为60℃～100℃。

本发明还提供一种由上述方法制备得到的双层碳基导热薄膜。

本发明还提供一种双层碳基导热薄膜，包括石墨纸，以及在其上的石墨烯层。所述石墨烯层任选还包括碳纳米管、金刚石、碳化硅、硅、金、银、铜、铝等材料中的一种或多种。

本发明的技术方案与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明的双层碳基导热薄膜，结合石墨纸和高导电、导热的石墨烯，使其具有更好的传热和散热能力。所述薄膜不仅保持了石墨纸良好的机械性能。而且，与单独的石墨纸相比，涂覆了石墨烯的双层碳基导热薄膜的散热能力提高了30％，实现了400W m^-1k^-1以上的导热能力。

2.本发明采用氧化石墨烯或石墨为原料，通过还原或机械剥离等方法制备石墨烯基浆料。

3.本发明采用刷涂法、喷涂法、刮涂法，印刷法等涂膜方法将制备的石墨烯基浆料涂覆在商业石墨纸上，工艺简单，有利于大规模生产。

附图说明

图1为石墨-石墨烯双层碳基导热薄膜结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。此外，应理解，在阅读了本发明所公开的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本发明所限定的保护范围之内。

实施例1

双层碳基导热薄膜的制备：

(1)将70mL的氧化石墨烯水溶液(2mg/mL)，放入100mL的高压反应釜中，在180℃下反应6h；冷却后，将沉积物离心分离，去除上清液然后加入10mL水，最后放入球磨机中球磨3h。

(2)用刮涂法将步骤(1)中制备得到的石墨烯基浆料均匀涂覆在石墨纸上，60℃下烘干，即得到双层碳基导热薄膜，所述导热薄膜热导率为402W m^-1k^-1。

实施例2

双层碳基导热薄膜的制备：

(1)将70mL的氧化石墨烯水溶液(2mg/mL)与70mg碳纳米管超声混合，放入100mL的高压反应釜中，在180℃下反应6h；冷却后，将沉积物离心分离，去除上清液然后加入10mL水，最后放入球磨机中球磨3h。

(2)用刮涂法将步骤(1)中制备得到的石墨烯基浆料均匀涂覆在石墨纸上，60℃下烘干，即得到双层碳基导热薄膜，所述导热薄膜热导率为493W m^-1k^-1。

实施例3

双层碳基导热薄膜的制备：

(1)将70mL的氧化石墨烯水溶液(2mg/mL)与70mg碳化硅颗粒超声混合，放入100mL的高压反应釜中，在180℃下反应6h；冷却后，将沉积物离心分离，去除上清液然后加入10mL水，最后放入球磨机中球磨3h。

(2)用刮涂法将步骤(1)中制备得到的石墨烯基浆料均匀涂覆在石墨纸上，60℃下烘干，即得到双层碳基导热薄膜，所述导热薄膜热导率为420W m^-1k^-1。

实施例4

双层碳基导热薄膜的制备：

(1)将70mL的氧化石墨烯水溶液(2mg/mL)与70mg硅颗粒超声混合，放入100mL的高压反应釜中，在180℃下反应6h；冷却后，将沉积物离心分离，去除上清液然后加入10mL水，最后放入球磨机中球磨3h。

(2)用刮涂法将步骤(1)中制备得到的石墨烯基浆料均匀涂覆在石墨纸上，60℃下烘干，即得到双层碳基导热薄膜，所述导热薄膜热导率为412W m^-1k^-1。

实施例5

双层碳基导热薄膜的制备：

(1)将70mL的氧化石墨烯水溶液(2mg/mL)与70mg银颗粒超声混合，放入100mL的高压反应釜中，在180℃下反应6h；冷却后，将沉积物离心分离，去除上清液然后加入10mL水，最后放入球磨机中球磨3h。

(2)用刮涂法将步骤(1)中制备得到的石墨烯基浆料均匀涂覆在石墨纸上，60℃下烘干，即得到双层碳基导热薄膜，所述导热薄膜热导率为446W m^-1k^-1。

实施例6

双层碳基导热薄膜的制备：

(1)将70mL的氧化石墨烯水溶液(2mg/mL)，放入100mL的高压反应釜中，在180℃下反应6h；冷却后，将沉积物离心分离，去除上清液然后加入10mL水，最后放入球磨机中球磨3h。

(2)用刷涂法将步骤(1)中制备得到的石墨烯基浆料均匀涂覆在石墨纸上，60℃下烘干，即得到双层碳基导热薄膜，所述导热薄膜热导率为409W m^-1k^-1。

实施例7

双层碳基导热薄膜的制备：

(1)将70mL的氧化石墨烯水溶液(2mg/mL)，放入100mL的高压反应釜中，在180℃下反应6h；冷却后，将沉积物离心分离，去除上清液然后加入10mL水，最后放入球磨机中球磨3h。

(2)用印刷法将步骤(1)中制备得到的石墨烯基浆料均匀涂覆在石墨纸上，60℃下烘干，即得到双层碳基导热薄膜，所述导热薄膜热导率为406W m^-1k^-1。

实施例8

双层碳基导热薄膜的制备：

(1)将70mL的氧化石墨烯水溶液(2mg/mL)，放入100mL的高压反应釜中，在180℃下反应6h；冷却后，将沉积物离心分离，去除上清液然后加入10mL水，最后放入球磨机中球磨3h。

(2)用喷涂法将步骤(1)中制备得到的石墨烯基浆料均匀涂覆在石墨纸上，60℃下烘干，即得到双层碳基导热薄膜，所述导热薄膜热导率为413W m^-1k^-1。

实施例9

双层碳基导热薄膜的制备：

(1)将70mL的氧化石墨烯水溶液(2mg/mL)与70mg碳化硅颗粒超声混合，放入100mL的高压反应釜中，在180℃下反应6h；冷却后，将沉积物离心分离，去除上清液然后加入10mL水，最后放入球磨机中球磨3h。

(2)用印刷法将步骤(1)中制备得到的石墨烯基浆料均匀涂覆在石墨纸上，60℃下烘干，即得到双层碳基导热薄膜，所述导热薄膜热导率为417W m^-1k^-1。

实施例10

双层碳基导热薄膜的制备：

(1)将一定量的石墨、一定量的表面分散剂和一定量的水通过机械剥离制备质量含量为1-15％的石墨烯基浆料。

(2)用印刷法将石墨烯基浆料均匀涂覆在石墨纸上，100℃下烘干，即得到双层碳基导热薄膜，所述导热薄膜热导率为412W m^-1k^-1。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双层碳基导热薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)石墨烯基浆料的制备：

a.将包含氧化石墨烯(GO)的溶液进行水热还原反应，之后球磨制备得到石墨烯基浆料；或

b.将包含石墨的溶液用机械剥离的方法制备得到石墨烯基浆料；

(2)导热薄膜的制备：将步骤(1)制备得到的石墨烯基浆料涂覆在石墨纸上，得到导热薄膜。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)a中，所述包含氧化石墨烯(GO)的溶液中还可以包括碳纳米管、金刚石、碳化硅、硅、金、银、铜、铝等材料中的一种或多种。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(1)b中，所述包含石墨的溶液中还包括表面分散剂，例如为十二烷基苯磺酸钠、十八烷基硫酸钠、十六烷基三甲基氯化铵、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、羧甲基纤维素钠和聚乙二醇中的至少一种。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)a中，所述球磨的时间为1～10h，优选为2～5h，更优选为3h。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)a中，所述氧化石墨烯的浓度为0.01mg/ml-50mg/ml。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)a中，所述反应温度为160℃～200℃，优选为180℃。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)a中，所述反应时间为4～10h，优选为5～8h，更优选为6h。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述涂覆方法包括刷涂法、喷涂法、刮涂法、印刷法；

优选的，将制备的石墨烯基浆料涂覆在石墨纸上之后，还包括加热的步骤，所述加热温度为50℃～110℃，优选为60℃～100℃。

9.由权利要求1-8中任一项所述的方法制备得到的双层碳基导热薄膜。

10.一种双层碳基导热薄膜，包括石墨纸，以及在其上的石墨烯层，所述石墨烯层任选还包括碳纳米管、金刚石、碳化硅、硅、金、银、铜、铝等材料中的一种或多种。