CN110342497A - 垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜材料及其制备方法 - Google Patents

垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜材料及其制备方法。本发明垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜材料包括石墨烯和在其中均匀分布的垂直定向碳纳米管阵列。将氧化石墨烯制成溶液，填充图形化和致密化处理后的垂直定向碳纳米管阵列，在高温下还原氧化石墨烯，得到垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合结构薄膜。其中定向碳纳米管阵列结构能够为复合薄膜提供额外的纵向导热通路，而石墨烯能有效填充图形化和致密化后的垂直定向碳纳米管阵列的空隙，为其提供横向导热通路。利用垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯材料特性，二者性能得到很好的互补，能提高有效热界面散热材料横向和纵向导热性能，适合应用于多种电子器件散热领域。

Description

垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种导热复合薄膜材料及其制备方法，特别是涉及一种热界面散热复合薄膜材料及其制备方法，应用于LED、微电子、智能电子器件散热技术领域。
背景技术
随着科学技术的进步，电子线路板上的元器件的封装密度日益增加,同时元器件功率密度又不断提高，使得电子芯片热流密度增大。如果元器件的热量无法迅速传导出去，芯片温度升高就会导致产品失效，因此寻找一种快速高导热的热界面散热材料是研究电子封装的一个重要课题。
石墨烯作为一种新型的二维材料，具有导热性好、机械性能优异、耐酸碱等多种优良性能。悬浮单层石墨烯在室温下的热导率高达5300W/mk，远远超过了石墨和金刚石，是目前已知导热系数最高的材料。然而，石墨烯基薄膜层间范德华力导致了其较大的层间热阻，使得其垂直于平面方向的纵向热导率要比横向热导率低超过2个数量级，显示出明显的各向异性热传导，在一定程度上限制了其在热界面材料方面的应用。而垂直定向碳纳米管阵列纵向方向具有高导热性能，实验结果表明，单根单壁碳纳米管的理论轴向导热率可达5800W/mk，而一些多壁碳纳米管的轴向热导率也能超过3000W/mk。结合石墨烯横向导热率高和垂直定向碳纳米管阵列纵向导热率高的特性,设计横向和纵向导热率均较高的热界面散热材料。在复合薄膜中垂直定向碳纳米管阵列提供了额外的纵向导热通路，从而在保证较高横向热导率的基础上提高其在纵向的热导率。石墨烯可以填充图形化和致密化后的垂直定向碳纳米管阵列的空隙。这样二者的结构以及性能得到很好的互补，二者之间的协同效应可以有效提高热界面散热材料横向和纵向导热性能。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜材料及其制备方法，将氧化石墨烯制成溶液，填充图形化和致密化处理过后的垂直定向碳纳米管阵列，然后在高温下还原氧化石墨烯，得到垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜材料。其中垂直定向碳纳米管阵列结构形成复合薄膜提供额外的纵向导热通路，而石墨烯则为其提供横向导热通路。利用垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯材料特性，二者的性能得到很好的互补，有效地提高复合薄膜的纵向和横向导热性能。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜材料，包括石墨烯和在其中均匀分布的垂直定向碳纳米管阵列；其中，垂直定向碳纳米管阵列结构为复合薄膜材料本体提供额外的纵向导热通路，形成石墨烯层间的纵向导热通路；而石墨烯则为复合薄膜材料本体提供横向导热通路；利用垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯材料的定向导热通道，使垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯材料形成立体网状的导热通道结构，复合薄膜的纵向导热和横向导热实现互补，垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯的接触位置或连接处形成导热界面连接结构。
作为本发明优选的技术方案，其中，石墨烯层间距为0.5～3μm，石墨烯厚度为0.8～1.2nm，垂直定向碳纳米管阵列的碳纳米管高度为100～200μm。
作为本发明优选的技术方案，将氧化石墨烯制成氧化石墨溶液，然后采用氧化石墨溶液来填充图形化和致密化处理后的垂直定向碳纳米管阵列，并去除垂直定向碳纳米管阵列的碳纳米管簇间隙中的氧化石墨溶液的液体溶剂，使每一簇碳纳米管之间的间隙填充氧化石墨烯，然后在高温下还原氧化石墨烯，得到垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜。
作为本发明优选的技术方案，将碳纳米管进行致密化处理，形成致密化的所述垂直定向碳纳米管阵列结构；得到的所述垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜的厚度为150～250μm。
一种本发明垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜材料的制备方法，其步骤如下：
a.利用在基底上图形化处理过的催化剂，在基底上生长垂直定向碳纳米管阵列；
b.对在所述步骤a中制备的垂直定向碳纳米管阵列进行致密化处理，获得具有致密化结构的垂直定向碳纳米管阵列；
c.将氧化石墨烯加入到去离子水中，离心搅拌，制成氧化石墨烯溶液；将在所述步骤b中经过致密化处理后的垂直定向碳纳米管阵列放置在恒温加热台上进行恒温加热，将得到的氧化石墨烯溶液滴涂入经过致密化处理后的垂直定向碳纳米管阵列中，并蒸发去水分，然后在得到的垂直定向碳纳米管阵列和氧化石墨烯复合薄膜上施加压力进行压实成型，使每一簇碳纳米管之间的间隙填充氧化石墨烯，得到垂直定向碳纳米管阵列和氧化石墨烯复合薄膜；
d.将在所述步骤c中得到的垂直定向碳纳米管阵列和氧化石墨烯复合薄膜剥去基底，从而得到复合膜结构材料前体；
e.将在所述步骤d中得到的复合膜结构材料前体置于高温管式石英炉中，在惰性气体保护下，进行逐步升温热处理，控制温度制度如下：
先对复合膜结构材料前体加热升温至50～400℃，进行第一阶段保温热处理30～60min；
再对复合膜结构材料前体升温至400～600℃，进行第二阶段保温热处理30～60min；
再对复合膜结构材料前体升温至600～800℃，进行第三阶段保温热处理30min～60min；
对复合膜结构材料前体升温至800～1000℃，进行第三阶段保温热处理30min～60min；
对复合膜结构材料前体升温至1000～1200℃，进行第三阶段保温热处理30min～60min；
再对复合膜结构材料前体升温至1400℃，进行第四阶段保温热处理120min～180min，从而得到垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜。
作为本发明优选的技术方案，在上述步骤a中，在基底上生长高度在100～250μm之间的垂直定向碳纳米管阵列。
作为本发明优选的技术方案，在上述步骤b中，进行致密化处理的时间为15～25s。
作为本发明优选的技术方案，在上述步骤c中，将氧化石墨烯加入到去离子水中，进行离心搅拌的转速不低于500r/min，搅拌时间为60～120min；
作为本发明优选的技术方案，在上述步骤c中，控制恒温加热台加热的温度不高于100℃，并蒸发去水分；
作为本发明优选的技术方案，在上述步骤c中，进行压实成型垂直定向碳纳米管阵列和氧化石墨烯复合薄膜的加压的压强为20～30Mpa。
作为本发明优选的技术方案，在所述步骤e中，所述惰性的气体包括氩气和氮气中的任意一种气体或者二者的混合气体，控制气体流量为100～150sccm，控制管式石英炉升温的速率为5～10℃/min。
作为本发明优选的技术方案，在所述步骤e中，得到厚度为150～250μm的垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜。
作为本发明优选的技术方案，在所述步骤e中，进行第6阶段保温热处理时，分为6步进行逐步升温热处理，控制温度制度如下：
先对第二阶段保温热处理的复合膜结构材料前体升温至800～1000℃，进行热处理不少于30min；
再对复合膜结构材料前体升温至1200℃，进行保温热处理不少于30min；
再对复合膜结构材料前体升温至1400℃，进行保温热处理不少于120min，从而得到垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜。
优选上述碳纳米管包括单壁碳纳米管或多壁碳纳米管。
优选上述氧化石墨烯填充厚度高于垂直定向碳纳米管阵列高度。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明将垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合，充分发挥了定向碳纳米管和石墨烯在纵向和横向两个方向上的优良导热性能，从而使碳纳米管和石墨烯复合薄膜能作为纵向和横向同时导热性能良好的复合薄膜材料；
2.本发明碳纳米管和石墨烯复合薄膜的碳纳米管为垂直定向碳纳米管阵列，均匀分布在复合薄膜中，每一簇碳纳米管之间都填充了石墨烯，垂直定向碳纳米管阵列通过致密化处理后，进一步降低了其孔隙率；而通过图形化处理后，每一簇碳管之间的间隙因此扩大，得以更加充分地填充石墨烯，垂直定向碳纳米管阵列在复合薄膜中提供纵向通路，提升了复合膜导热性能；
2.本发明方法简单，操作简便，反应条件温和，制备流程易于控制，适合推广应用。
附图说明
图1为本发明实施例一垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜材料制备方法流程图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明,本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，一种垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜材料，包括石墨烯和在其中均匀分布的垂直定向碳纳米管阵列；其中，垂直定向碳纳米管阵列结构为复合薄膜材料本体提供额外的纵向导热通路，形成石墨烯层间的纵向导热通路；而石墨烯则为复合薄膜材料本体提供横向导热通路；利用垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯材料的定向导热通道，使垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯材料形成立体网状的导热通道结构，复合薄膜的纵向导热和横向导热实现互补，垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯的接触位置或连接处形成导热界面连接结构。
在本实施例中，石墨烯层间距为0.5～3μm，石墨烯厚度为0.8～1.2nm，垂直定向碳纳米管阵列的碳纳米管高度为100μm；本实施例垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜的厚度为150μm。碳纳米管采用多壁碳纳米管。本实施例垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜，其中定向碳纳米管阵列能够为复合薄膜提供额外的纵向导热通路，而石墨烯则为其提供横向导热通路。本实施例利用垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯特性，二者的性能得到很好的互补，可以有效提高复合薄膜的纵向和横向导热性能。
在本实施例中，参见图1，一种本实施例垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜材料的制备方法，其步骤如下：
a.通过化学气相沉积方法，以硅片作为基底，利用在硅片上图形化处理过的催化剂，在硅片，上生长高度为100μm的碳纳米管，生长时间为30min，生长温度为650℃，从而在硅片上得到垂直定向碳纳米管阵列；
b.对硅片上的在所述步骤a中制备的垂直定向碳纳米管阵列进行致密化处理，将载有碳纳米管的硅片衬底置于60℃的丙酮蒸汽中，对碳纳米管进行20s致密化处理，获得具有致密化结构的垂直定向碳纳米管阵列；
c.将500mg氧化石墨烯置于50ml的烧杯中，向烧杯中加入的40ml去离子水，离心机械搅拌60min，离心搅拌的转速为500r/min，制成分散均匀的氧化石墨烯溶液；将在所述步骤b中经过致密化处理后的垂直定向碳纳米管阵列放置在恒温加热台上进行100℃恒温加热，将制得的氧化石墨烯溶液滴涂入经过致密化处理后的垂直定向碳纳米管阵列中，并蒸发去水分，然后在得到的垂直定向碳纳米管阵列和氧化石墨烯复合薄膜上施加20Mpa～30Mpa的压力，进行压实成型，使每一簇碳纳米管之间的间隙填充氧化石墨烯，得到垂直定向碳纳米管阵列和氧化石墨烯复合薄膜；
d.将在所述步骤c中得到的垂直定向碳纳米管阵列和氧化石墨烯复合薄膜取出，然后剥去硅片基底，从而得到垂直定向碳纳米管阵列和氧化石墨烯复合薄膜结构材料前体；
e.将在所述步骤d中得到的复合薄膜结构材料前体置于高温管式石英炉中，在氩气的惰性气体保护下，控制氩气气体流量为100sccm，进行逐步升温热处理，控制温度制度如下：
先以5℃/min的升温速度，对复合膜结构材料前体加热升温至400℃，进行第一阶段保温热处理30min；
先以5℃/min的升温速度，对复合膜结构材料前体加热升温至600℃，进行第二阶段保温热处理30min
再以5℃/min的升温速度，对复合膜结构材料前体升温至800℃，进行第三阶段保温热处理30min；
再以5℃/min的升温速度，对复合膜结构材料前体升温至1000℃，保温热处理30min；继续以5℃/min的升温速度，对复合膜结构材料前体升温至1200℃，保温热处理30min；最后以5℃/min的升温速度，对复合膜结构材料前体升温至1400℃，保温热处理120min，使氧化石墨烯发生高温还原反应，从而得到厚度为150μm的垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜。
实验测试分析
本实施例结合石墨烯横向导热率高和垂直定向碳纳米管阵列纵向导热率高的特性，制备一种横向和纵向导热率均较高的热界面散热材料。在复合薄膜中垂直定向碳纳米管阵列提供了额外的纵向导热通路，从而在保证较高横向热导率的基础上提高其在纵向的热导率。石墨烯可以填充图形化和致密化后的垂直定向碳纳米管阵列的空隙。这样二者的结构以及性能得到很好的互补，二者之间的协同效应可以有效提高热界面散热材料横向和纵向导热性能。本实施例将石墨烯和致密化和图形化处理过的垂直定向碳纳米管阵列复合。垂直定向碳纳米管阵列能够为复合薄膜提供额外的纵向导热通路，而石墨烯则为其提供横向导热通路。利用垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯特性，二者的性能得到很好的互补，可以有效提高复合薄膜的纵向和横向导热性能，结合本专利的实验方案，横向导热率理论上可以达到700～750W/mk，纵向导热率可以达到25～30W/mk。本实施例垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜导热性能高，机械性能优良，特别适合应用于LED、微电子、智能电子器件散热领域。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜材料，包括石墨烯和在其中均匀分布的垂直定向碳纳米管阵列；其中，垂直定向碳纳米管阵列结构为复合薄膜材料本体提供额外的纵向导热通路，形成石墨烯层间的纵向导热通路；而石墨烯则为复合薄膜材料本体提供横向导热通路；利用垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯材料的定向导热通道，使垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯材料形成立体网状的导热通道结构，复合薄膜的纵向导热和横向导热实现互补，垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯的接触位置或连接处形成导热界面连接结构。
在本实施例中，石墨烯层间距为0.5～3μm，石墨烯厚度为0.8～1.2nm，垂直定向碳纳米管阵列的碳纳米管高度为200μm；本实施例垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜的厚度为250μm。碳纳米管采用多壁碳纳米管。本实施例垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜，其中定向碳纳米管阵列能够为复合薄膜提供额外的纵向导热通路，而石墨烯则为其提供横向导热通路。本实施例利用垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯特性，二者的性能得到很好的互补，可以有效提高复合薄膜的纵向和横向导热性能。
在本实施例中，一种本实施例垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜材料的制备方法，其步骤如下：
a.通过化学气相沉积方法，以硅片作为基底，利用在硅片上图形化处理过的催化剂，在硅片，上生长高度为200μm的碳纳米管，生长时间为30min，生长温度为650℃，从而在硅片上得到垂直定向碳纳米管阵列；
b.对硅片上的在所述步骤a中制备的垂直定向碳纳米管阵列进行致密化处理，将载有碳纳米管的硅片衬底置于60℃的丙酮蒸汽中，对碳纳米管进行25s致密化处理，获得具有致密化结构的垂直定向碳纳米管阵列；
c.将600mg氧化石墨烯置于50ml的烧杯中，向烧杯中加入的40ml去离子水，离心机械搅拌120min，离心搅拌的转速为500r/min，制成分散均匀的氧化石墨烯溶液；将在所述步骤b中经过致密化处理后的垂直定向碳纳米管阵列放置在恒温加热台上进行100℃恒温加热，将制得的氧化石墨烯溶液滴涂入经过致密化处理后的垂直定向碳纳米管阵列中，并蒸发去水分，然后在得到的垂直定向碳纳米管阵列和氧化石墨烯复合薄膜上施加20Mpa～30Mpa的压力，进行压实成型，使每一簇碳纳米管之间的间隙填充氧化石墨烯，得到垂直定向碳纳米管阵列和氧化石墨烯复合薄膜；
d.将在所述步骤c中得到的垂直定向碳纳米管阵列和氧化石墨烯复合薄膜取出，然后剥去硅片基底，从而得到垂直定向碳纳米管阵列和氧化石墨烯复合薄膜结构材料前体；
e.将在所述步骤d中得到的复合薄膜结构材料前体置于高温管式石英炉中，在氮气的惰性气体保护下，控制氮气的气体流量为150sccm，进行逐步升温热处理，控制温度制度如下：
再以10℃/min的升温速度，对复合膜结构材料前体升温至400℃，进行第二阶段保温热处理60min；
再以10℃/min的升温速度，对复合膜结构材料前体升温至600℃，进行第三阶段保温热处理60min；
再以10℃/min的升温速度，对复合膜结构材料前体升温至800℃，保温热处理60min；再以10℃/min的升温速度，对复合膜结构材料前体升温至1000℃，保温热处理60min；继续以10℃/min的升温速度，对复合膜结构材料前体升温至1200℃，保温热处理60min；最后以5℃/min的升温速度，对复合膜结构材料前体升温至1400℃，保温热处理180min，使氧化石墨烯发生高温还原反应，从而得到厚度为250μm的垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜。
实验测试分析
本实施例垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜材料，包括石墨烯和在其中均匀分布的垂直定向碳纳米管阵列。将氧化石墨烯制成溶液，填充图形化和致密化处理后的垂直定向碳纳米管阵列，然后在高温下还原氧化石墨烯，得到垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合结构薄膜。其中定向碳纳米管阵列结构能够为复合薄膜提供额外的纵向导热通路，而石墨烯则为其提供横向导热通路。利用垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯特性，二者的性能得到很好的互补，可以有效提高复合薄膜的纵向和横向导热性能。本实施例将石墨烯和致密化和图形化处理过的垂直定向碳纳米管阵列复合。垂直定向碳纳米管阵列能够为复合薄膜提供额外的纵向导热通路，而石墨烯则为其提供横向导热通路。利用垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯特性，二者的性能得到很好的互补，可以有效提高复合薄膜的纵向和横向导热性能，结合本专利的实验方案，横向导热率理论上可以达到600～700W/mk，纵向导热率可以达到15～25W/mk。本实施例垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜导热性能高，机械性能优良，特别适合应用于LED、微电子、智能电子器件散热领域。
综上实施例所述，垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜材料及其制备方法的这种垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜材料，包括石墨烯和在其中均匀分布的垂直定向碳纳米管阵列。将氧化石墨烯制成溶液，填充图形化和致密化处理后的垂直定向碳纳米管阵列，然后在高温下还原氧化石墨烯，得到垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合结构薄膜。其中定向碳纳米管阵列结构能够为复合薄膜提供额外的纵向导热通路,而石墨烯可以填充图形化和致密化后的垂直定向碳纳米管阵列的空隙，为其提供横向导热通路。利用垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯材料特性，二者的性能得到很好的互补，可以提高有效热界面散热材料横向和纵向导热性能。上述实施例氧化石墨烯填充厚度均高于垂直定向碳纳米管阵列高度，充分发挥了碳纳米管的轴向导热率高的优势，并节省材料。上述实施例碳纳米管采纳多壁碳纳米管，制备的垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯的复合膜导热率高，当本发明碳纳米管采纳单壁碳纳米管，制备的垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯的复合膜导热率能进一步提高，由于单壁碳纳米管具有较高的化学惰性，其表面要纯净一些，采用单壁碳纳米管制备的垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯的复合膜尤其适合应用于极端环境下的精密电子器件的散热，在航空航天精密器件技术领域具有重要意义。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜材料及其制备方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜材料，其特征在于：包括石墨烯和在其中均匀分布的垂直定向碳纳米管阵列；其中，垂直定向碳纳米管阵列结构为复合薄膜材料本体提供额外的纵向导热通路，形成石墨烯层间的纵向导热通路；而石墨烯则为复合薄膜材料本体提供横向导热通路；利用垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯材料的定向导热通道，使垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯材料形成立体网状的导热通道结构，复合薄膜的纵向导热和横向导热实现互补，垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯的接触位置或连接处形成导热界面连接结构。
2.根据权利要求1所述垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜材料，其特征在于：其中，石墨烯层间距为0.5～3μm，石墨烯厚度为0.8～1.2nm，垂直定向碳纳米管阵列的碳纳米管高度为100～200μm。
3.根据权利要求1所述垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜材料，其特征在于：将氧化石墨烯制成氧化石墨溶液，然后采用氧化石墨溶液来填充图形化和致密化处理后的垂直定向碳纳米管阵列，并去除垂直定向碳纳米管阵列的碳纳米管簇间隙中的氧化石墨溶液的液体溶剂，使每一簇碳纳米管之间的间隙填充氧化石墨烯，然后在高温下还原氧化石墨烯，得到垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜。
4.根据权利要求4所述垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜材料，其特征在于：将碳纳米管进行致密化处理，形成致密化的所述垂直定向碳纳米管阵列结构；得到的所述垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜的厚度为150～250μm。
5.一种权利要求1所述垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：
a.利用在基底上图形化处理过的催化剂，在基底上生长垂直定向碳纳米管阵列；
b.对在所述步骤a中制备的垂直定向碳纳米管阵列进行致密化处理，获得具有致密化结构的垂直定向碳纳米管阵列；
c.将氧化石墨烯加入到去离子水中，离心搅拌，制成氧化石墨烯溶液；将在所述步骤b中经过致密化处理后的垂直定向碳纳米管阵列放置在恒温加热台上进行恒温加热，将得到的氧化石墨烯溶液滴涂入经过致密化处理后的垂直定向碳纳米管阵列中，并蒸发去水分，然后在得到的垂直定向碳纳米管阵列和氧化石墨烯复合薄膜上施加压力进行压实成型，使每一簇碳纳米管之间的间隙填充氧化石墨烯，得到垂直定向碳纳米管阵列和氧化石墨烯复合薄膜；
d.将在所述步骤c中得到的垂直定向碳纳米管阵列和氧化石墨烯复合薄膜剥去基底，从而得到复合膜结构材料前体；
e.将在所述步骤d中得到的复合膜结构材料前体置于高温管式石英炉中，在惰性气体保护下，进行逐步升温热处理，控制温度制度如下：
先对复合膜结构材料前体加热升温至50～400℃，进行第一阶段保温热处理30～60min；
对复合膜结构材料前体升温至400～600℃，进行第二阶段保温热处理30～60min；
对复合膜结构材料前体升温至600～800℃，进行第三阶段保温热处理30min～60min；
对复合膜结构材料前体升温至800～1000℃，进行第三阶段保温热处理30min～60min；
对复合膜结构材料前体升温至1000～1200℃，进行第三阶段保温热处理30min～60min；
再对复合膜结构材料前体升温至1400℃，进行第四阶段保温热处理120min～180min，从而得到垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜。
6.根据权利要求5所述垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤a中，在基底上生长高度在100～250μm之间的垂直定向碳纳米管阵列。
7.根据权利要求5所述垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤b中，进行致密化处理的时间为15～25s。
8.根据权利要求5所述垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤c中，将氧化石墨烯加入到去离子水中，进行离心搅拌的转速不低于500r/min，搅拌时间为60～120min；
或者，控制恒温加热台加热的温度不高于100℃，并蒸发去水分；
或者，进行压实成型垂直定向碳纳米管阵列和氧化石墨烯复合薄膜的加压的压强为20～30Mpa。
9.根据权利要求5所述垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤e中，所述惰性的气体包括氩气和氮气中的任意一种气体或者二者的混合气体，控制气体流量为100～150sccm，控制管式石英炉升温的速率为5～10℃/min；从而得到厚度为150～250μm的垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜。
10.根据权利要求5所述垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜材料的制备方法，其特征在于：在所述步骤e中，进行第六阶段保温热处理时，分为六步进行逐步升温热处理，控制温度制度如下：先对复合膜结构材料前体升温至400～600℃，进行保温热处理不少于30min；
再对复合膜结构材料前体升温至600～800℃，进行保温热处理不少于30min；
再对复合膜结构材料前体升温至800～1000℃，进行保温热处理不少于30min；
再保温热处理的复合膜结构材料前体升温至800～1000℃，进行热处理不少于30min；
再对复合膜结构材料前体升温至1200℃，进行保温热处理不少于30min；
再对复合膜结构材料前体升温至不高于1400℃，进行保温热处理不少于120min，从而得到垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜。
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