CN107686635A - 一种石墨烯/固体环氧树脂高导热复合材料的制备方法 - Google Patents

一种石墨烯/固体环氧树脂高导热复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种石墨烯/固体环氧树脂高导热复合材料的制备方法，采用石墨烯与固体环氧树脂进行球磨改性，将石墨烯材料与固体环氧树脂结合紧密，且使石墨烯片层间有良好的接触，有效地实现石墨烯导热通道的畅通。石墨烯在固体环氧树脂表面包覆后在模具中进行冷模压操作，冷的原料混合物在压力作用下石墨烯材料相互接触，构成导热通道，再对混合物进行加热处理，使固体环氧树脂在热与压力的作用下部分突破隔离的石墨烯片层，环氧树脂颗粒间实现烧结与固化，实现材料的结构与功能一体化，得到高导热复合材料。

Description

一种石墨烯/固体环氧树脂高导热复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及高导热材料领域，具体涉及一种石墨烯/固体环氧树脂高导热复合材料的制备方法。
背景技术
近几年来各种芯片尺寸进一步缩小，功率增加，热量集中在小尺寸芯片内，导致芯片的热密度更高，当结温的变化势必引起内部电子和空穴浓度、禁带宽度和载流子迁移率等微观参数的变化，从而使芯片加速老化及使用寿命缩短等一系列问题，甚至会引起芯片失效。因此，采用新的高导热复合材料是势在必行的。
石墨烯是二维的单层碳原子晶体，与三维材料相比，其低维结构可显著削减晶界处声子的边界散射，并赋予其特殊的声子扩散模式。导热作为石墨烯材料的一项基本物理性能,导热率甚至高达5300W/m·k。石墨烯所具有的快速导热与散热特性使得石墨烯成为极佳的散热材料，可用于智能手机、平板电脑、大功率节能LED、卫星电路、激光武器等设备的散热。尽管石墨烯在热管理领域极具发展潜力，但这些性能都是基于其微观的纳米尺度，难以直接利用。因此，将纳米尺度的石墨烯材料制备成宏观材料并保持其纳米效应，同时减少其和基底的界面接触热阻，是石墨烯在热管理规模化应用的重要途径。
在一篇武汉理工大学材料科学与工程学院汪毅和曾黎明发表的《石墨烯/环氧树脂复合材料的研究进展》的文章中有提到：用双中心混合分散机将石墨烯微片混入环氧基体中、或用球磨方式将石墨烯微片均匀分散在环氧基体中、或者让氧化石墨烯接枝上热致性液晶环氧分子；通过上述方式制备的石墨烯/环氧树脂复合材料具有良好的导热性。在现有技术中，制备石墨烯/环氧树脂复合材料更是采用添加各种溶剂进行催化。得不到纯粹的石墨烯/环氧树脂复合材料。
石墨烯具有很高的理论导热率，导热系数高达5300W/m·k，传统的高导热石墨烯树脂复合材料的制备方法是将石墨烯混合进入树脂材料体系内，使石墨烯材料包裹进树脂基体内，将石墨烯隔离开，无法得到高导热的石墨烯树脂基复合材料。因此需要对石墨烯作为高导热增强材料进行结构的设计与优化。
将石墨烯与环氧树脂的有机结合，利用石墨烯具有的快速导热特性与快速散热特性，实现了对高分子材料的改性，可达到热传导特性与加工性的良好平衡。高导热石墨烯/环氧树脂复合材料能达到媲美金属的散热性能。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明所要解决的技术问题是提供一种石墨烯/固体环氧树脂高导热复合材料的制备方法，具有成本低廉，无有机溶剂，无毒，环保，操作便捷，易于工业化生产等优点。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种石墨烯/固体环氧树脂高导热复合材料的制备方法，按以下步骤进行：
(1)选取质量分数分别为90～99.9wt％的固体环氧树脂和0.1～10wt％的石墨烯；
(2)将固体环氧树脂和石墨烯均匀混合后送入模具中进行冷模压成型；
(3)对成型后的材料加热固化得到高导热的复合材料。
进一步的，所述步骤(1)中的固体环氧树脂中还包括5-45％固化剂。
进一步的，所述步骤(2)中的均匀混合在一球磨机中完成，对固体环氧树脂和石墨烯进行球磨改性，使两者紧密结合并使石墨烯片层之间有良好接触。
进一步的，所述步骤(3)：或在模具上冷模压成型后直接在模具中加热固化得到高导热的复合材料。
进一步的，所述固化剂为双氰胺固化剂、咪唑类固化剂或酸酐类固化剂中的一种或多种。
进一步的，所述石墨烯为单层石墨烯或少层石墨烯微片。
进一步的，所述固体环氧树脂基体为NPES-602或NPES-605。或者其它类似的固体环氧树脂牌号。
进一步的，所述球磨时间为12-120小时。
进一步的，所述冷模压的压力为10-200MPa。
进一步的，所述加热固化的温度为100-180℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、在固体环氧树脂裹覆石墨烯后进行球磨改性，冷模压后再加热固化就可以得到高导热石墨烯/固体环氧树脂复合材料；
2、本发明的产品具有极高的导热性能，最高导热系数大于32.0W/mK，且耐温性能良好，可在150℃下正常使用；
3、成本低廉，产品无溶剂，环保，操作便捷，易于工业化生产，是一种优良的高导热材料，可广泛应用散热器件，电子设备，化工能源，汽车工业及航空航天等领域。
具体实施方式
实施例1：将石墨烯与固体环氧树脂粉末及固化剂进行球磨，球磨时间12小时，石墨烯的含量为0.1wt％，固体环氧树脂基体及固化剂的含量为99.9wt％(其中固化剂占5％)，均匀混合后进行冷模压处理，压力为10MPa，卸压后取出样品并加热至120℃进行固化，得到石墨烯/固体环氧树脂高导热复合材料。该复合材料的导热率为0.8W/mK。
实施例2：将石墨烯与固体环氧树脂粉末及固化剂进行球磨，球磨时间48小时，石墨烯的含量为1wt％，固体环氧树脂基体及固化剂的含量为99wt％(其中固化剂占15％)，均匀混合后进行冷模压处理，压力为100MPa，卸压后取出样品并加热至120℃进行固化，得到石墨烯/固体环氧树脂高导热复合材料。该复合材料的导热率为6.1W/mK。
实施例3：将石墨烯与固体环氧树脂粉末及固化剂进行球磨，球磨时间72小时，石墨烯的含量为5wt％，固体环氧树脂基体及固化剂的含量为95wt％(其中固化剂占20％)，均匀混合后进行冷模压处理，压力为100MPa，卸压后取出样品并加热至150℃进行固化，得到石墨烯/固体环氧树脂高导热复合材料。该复合材料的导热率为30.2W/mK。
实施例4：将石墨烯与固体环氧树脂粉末及固化剂进行球磨，球磨时间120小时，石墨烯的含量为10wt％，固体环氧树脂基体及固化剂的含量为90wt％(其中固化剂占25％)，均匀混合后进行冷模压处理，压力为200MPa，卸压后取出样品并加热至180℃进行固化，得到石墨烯/固体环氧树脂高导热复合材料。该复合材料的导热率为21.6W/mK。
实施例5：将石墨烯与固体环氧树脂粉末及固化剂进行球磨，球磨时间48小时，石墨烯的含量为6wt％，固体环氧树脂基体及固化剂的含量为94wt％(其中固化剂占30％)，均匀混合后进行冷模压处理，压力为120MPa，卸压后取出样品并加热至150℃进行固化，得到石墨烯/固体环氧树脂高导热复合材料。该复合材料的导热率为32.5W/mK。
实施例6：将石墨烯与固体环氧树脂粉末及固化剂进行球磨，球磨时间96小时，石墨烯的含量为4wt％，固体环氧树脂基体及固化剂的含量为96wt％(其中固化剂占35％)，均匀混合后进行冷模压处理，压力为80MPa，卸压后取出样品并加热至100℃进行固化，得到石墨烯/固体环氧树脂高导热复合材料。该复合材料的导热率为24.8W/mK。
实施例7：将石墨烯与固体环氧树脂粉末及固化剂进行球磨，球磨时间24小时，石墨烯的含量为2wt％，固体环氧树脂基体及固化剂的含量为98wt％(其中固化剂占45％)，均匀混合后进行冷模压处理，压力为15MPa，卸压后取出样品并加热至160℃进行固化，得到石墨烯/固体环氧树脂高导热复合材料。该复合材料的导热率为18.8W/mK。
通过实施例1和实施例7的对比，可以说明在将固体环氧树脂包覆石墨烯后进行冷模压，在压力作用下石墨烯材料相互接触，构成导热通道，但是石墨烯仅仅靠物理咬合本身是无法得到具有实际使用强度的高导热复合材料的。因此，通过对固体环氧树脂和石墨烯混合物进行加热处理，使固体环氧树脂在热与压力的作用下部分突破隔离的石墨烯片层，环氧树脂颗粒间实现烧结与固化，得到具有一定强度的导热复合材料，实现材料的结构与功能一体化。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种石墨烯/固体环氧树脂高导热复合材料的制备方法，其特征在于，按以下步骤进行：
(1)选取质量分数分别为90～99.9wt％的固体环氧树脂和0.1～10wt％的石墨烯；
(2)将固体环氧树脂和石墨烯均匀混合后送入模具中进行冷模压成型；
(3)对成型后的材料加热固化得到高导热的复合材料。
2.根据权利要求1所述的石墨烯/固体环氧树脂高导热复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的固体环氧树脂中还包括5-45％固化剂。
3.根据权利要求1或2所述的石墨烯/固体环氧树脂高导热复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的均匀混合在一球磨机中完成，对固体环氧树脂和石墨烯进行球磨改性，使两者紧密结合并使石墨烯片层之间有良好接触。
4.根据权利要求1所述的石墨烯/固体环氧树脂高导热复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)：或在模具上冷模压成型后直接在模具中加热固化得到高导热的复合材料。
5.根据权利要求2所述的石墨烯/固体环氧树脂高导热复合材料的制备方法，其特征在于：所述固化剂为双氰胺固化剂、咪唑类固化剂或酸酐类固化剂中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的石墨烯/固体环氧树脂高导热复合材料的制备方法，其特征在于：所述石墨烯为单层石墨烯或少层石墨烯微片。
7.根据权利要求1所述的石墨烯/固体环氧树脂高导热复合材料的制备方法，其特征在于：所述固体环氧树脂基体为NPES-602或NPES-605。
8.根据权利要求3所述的石墨烯/固体环氧树脂高导热复合材料的制备方法，其特征在于：所述球磨时间为12-120小时。
9.根据权利要求1所述的石墨烯/固体环氧树脂高导热复合材料的制备方法，其特征在于：所述冷模压的压力为10-200MPa。
10.根据权利要求1所述的石墨烯/固体环氧树脂高导热复合材料的制备方法，其特征在于：所述加热固化的温度为100-180℃。
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