CN110423432B - 一种竖直定向碳纳米管阵列与石墨烯环氧树脂复合薄膜材料及其制备方法 - Google Patents

一种竖直定向碳纳米管阵列与石墨烯环氧树脂复合薄膜材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种竖直定向碳纳米管阵列与石墨烯环氧树脂复合薄膜材料及其制备方法。本发明复合薄膜材料由竖直定向碳纳米管阵列、环氧树脂与石墨烯组成，碳纳米管阵列致密化后在其间隙内填充环氧树脂和石墨烯的混合物，分别利用碳纳米管和石墨烯，提高了环氧基底的纵向和横向导热性能。制备方法是将环氧树脂与石墨烯混合均匀后，填入经过致密化处理的竖直定向碳纳米管阵列，之后经过打磨抛光，得到所需复合薄膜材料。将竖直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合实际用于热界面材料中，有效的提高的环氧基底的横向纵向热导率，对于热界面材料的散热性能意义重大。

Description

一种竖直定向碳纳米管阵列与石墨烯环氧树脂复合薄膜材料 及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种碳纳米管，石墨烯和环氧树脂复合热界面材料的制备方法，特别是一种竖直定向碳纳米管阵列与石墨烯环氧树脂复合薄膜材料及其制备方法，应用于电子封装领域。
背景技术
碳纳米管作为一种优异的界面散热材料，依靠其良好的导热性能、机械性能，而被国内外学者们广泛的研究，并在许多电子封装散热领域得到运用。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。碳纳米管的导热性能是各向异性的，其轴向导热率远远高于径向，因此，碳纳米管的排列状态对其导热能力也有着很大影响。在已有的研究成果中，竖直定向的碳纳米管阵列与环氧树脂的复合薄膜纵向导热率远高于随机排列的碳纳米管和环氧树脂的复合薄膜。然而，尽管定向碳纳米管阵列和环氧树脂的复合薄膜有的良好的纵向导热率，其横向导热性能却不如人意。石墨烯作为一种具有超高导热率的二维碳材料，其热导率理论值可达5300W/mk，将石墨烯与环氧树脂混合制备的基底，能有效提高复合薄膜基底的横向导热率，在传统碳纳米管和环氧树脂复合薄膜的基础上，进一步提高复合薄膜的横向导热率。目前采用石墨烯，定向纳米管阵列和环氧树脂的复合膜作为界面散热材料的电子器件还未见报道。
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，提供一种竖直定向碳纳米管阵列与石墨烯环氧树脂复合薄膜材料及其制备方法及其制备方法。将石墨烯与环氧树脂混合制成复合膜基底，并与致密化处理过的竖直定向碳纳米管阵列复合，得到竖直定向碳纳米管阵列和石墨烯环氧树脂复合薄膜。分别利用碳纳米管和石墨烯，提高了环氧基底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：
一种竖直定向碳纳米管阵列与石墨烯环氧树脂复合薄膜材料，包括基体材料和基体材料中均匀分布的竖直定向碳纳米管阵列材料，所述基体材料采用石墨烯和环氧树脂混合物高温固化后制成，所述碳纳米管为竖直定向碳纳米管阵列，其在基体材料中，且每一簇竖直定向碳纳米管阵列之间的间隙都填充了基体材料，最终形成竖直定向碳纳米管阵列与石墨烯环氧树脂复合薄膜材料。
优选地，碳纳米管进行致密化处理形成致密化的竖直定向碳纳米管阵列结构。
优选地，基体材料填充厚度高于竖直定向碳纳米管阵列高度。
一种上述竖直定向碳纳米管阵列与石墨烯环氧树脂复合薄膜材料制备方法，其步骤如下：
步骤1.利用在硅片上图形化处理过的催化剂生长竖直定向碳纳米管阵列；
步骤2.对硅片上的竖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竖直定向碳纳米管阵列；
步骤3.将环氧树脂、固化剂、稀释剂按比例混合制成环氧聚合物，将石墨烯与环氧聚合物混合，制成复合膜基底；
步骤4.将步骤3中得到的复合膜基底填入致密化处理后的竖直定向碳纳米管阵列中，使每簇碳纳米管之间的间隙填充复合膜基底，并且使碳管阵列完全浸入复合膜基底中；
步骤5.将步骤4中得到的填入了复合膜基底的竖直定向碳纳米管阵列置于鼓风干燥箱中加热，使复合膜基底高温固化，而定向竖直碳纳米管阵列完全被包裹在石墨烯环氧基底中；
步骤6.将固化的复合膜两面抛光打磨，剥去硅片基底，磨去多余的环氧石墨烯基底，使碳纳米管阵列在两端都露头，从而得到所需制备的复合膜结构。
优选地，在所述步骤1中，竖直定向碳纳米管阵列生长高度为400~600μm。
优选地，在所述步骤2中，进行致密化处理的时间为15-25s。
优选地，在所述步骤3中，环氧聚合物是由环氧树脂、固化剂、稀释剂按7.5：0.5：2的比例混合而成。
优选地，在所述步骤3中，石墨烯所占复合膜基底比例为5% ~ 10%。
优选地，在所述步骤4中，碳管阵列完全浸入复合膜基底中，为了达到充分填充的效果，需静置2h。
优选地，在所述步骤5中，固化温度和时间为：首先在120℃下固化1h，之后在150℃下固化1h。
优选地，在所述步骤6中，打磨的复合膜厚度控制在350μm~450μm。
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. 本发明方法将竖直定向碳纳米管阵列与石墨烯环氧树脂复合，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，制备出纵向横向导热性良好的竖直定向碳纳米管阵列和石墨烯环氧树脂复合薄膜；
2. 本发明中竖直定向碳纳米管和石墨烯环氧树脂复合薄膜的碳纳米管为竖直定向碳纳米管阵列，均匀分布在材料中，每簇碳纳米管之间都填充了石墨烯环氧树脂复合物，竖直定向碳纳米管阵列通过致密化处理，进一步降低了其孔隙率，而每簇碳管之间的间隙因此扩大，得以更加充分地填充石墨烯环氧树脂复合物，竖直碳纳米管在复合导热膜中提供纵向通路,提升了复合膜导热性能；
3. 本发明工艺简单，操作简便，反应条件温和，实验流程易于控制。
附图说明
图1为本发明实施例一竖直定向碳纳米管阵列与石墨烯环氧树脂复合导热膜制备方法流程图。
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，一种竖直定向碳纳米管阵列与石墨烯环氧树脂复合薄膜材料，包括基体材料和基体材料中均匀分布的竖直定向碳纳米管阵列材料，所述基体材料采用石墨烯和环氧树脂混合物高温固化后制成，所述碳纳米管为竖直定向碳纳米管阵列，其在基体材料中，且每一簇竖直定向碳纳米管阵列之间的间隙都填充了基体材料，最终形成竖直定向碳纳米管阵列与石墨烯环氧树脂复合薄膜材料。碳纳米管进行致密化处理形成致密化的竖直定向碳纳米管阵列结构。基体材料填充厚度高于竖直定向碳纳米管阵列高度。
参见图1，一种本发明竖直定向碳纳米管阵列与石墨烯环氧树脂复合薄膜材料制备方法，其步骤如下：
步骤1.通过化学气相沉积方法，以硅片作为衬底，在带有图形化催化剂的硅片上生长高度为500μm的碳纳米管，生长时间为30min，生长温度为650℃，在硅片上得到竖直定向碳纳米管阵列；
步骤2.对硅片上的竖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竖直定向碳纳米管阵列；
步骤3.配置石墨烯环氧基底5g，其中石墨烯所占石墨烯环氧基底质量比为10%，而其余90%为环氧聚合物，环氧聚合物是由环氧树脂、固化剂、稀释剂按7.5：0.5：2的比例混合制成；
步骤4.将石墨烯环氧基底填入竖直定向碳纳米管阵列中，使每簇碳纳米管之间的间隙填充复合膜基底，并且使碳管阵列完全浸入复合膜基底中；
步骤5.将步骤4得到的包裹在石墨烯环氧基底中的竖直定向碳纳米管阵列置于鼓风干燥箱中，在120℃的温度下烘烤1h，再在150℃的温度下烘烤1h。得到高温固化后的竖直定向碳纳米管阵列与石墨烯环氧树脂复合薄膜；
步骤6.将固化的复合膜两面抛光打磨，剥去硅片基底，磨去多余的环氧石墨烯基底，使碳纳米管阵列在两端都露头，打磨的复合膜厚度约定为400μm，从而得到所需制备的竖直定向碳纳米管阵列与石墨烯环氧树脂复合薄膜。
本实施例制备的竖直定向碳纳米管阵列与石墨烯环氧树脂复合薄膜包括基体材料和基体材料中均匀分布的竖直碳纳米管阵列材料，形成的竖直碳纳米管阵列与石墨烯环氧树脂复合薄膜材料，碳纳米管为定向竖直碳纳米管阵列，基体材料采用石墨烯和环氧树脂混合物高温固化后制成，碳纳米管阵列在基体材料中，每一簇竖直定向碳纳米管之间的间隙都填充了基体材料。该复合导热膜适用于电子封装散热领域，将竖直定向碳纳米管阵列与石墨烯环氧树脂复合，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，制备出纵向横向导热性良好的竖直定向碳纳米管阵列和石墨烯环氧树脂复合薄膜。

Claims (11)

1.一种竖直定向碳纳米管阵列与石墨烯环氧树脂复合薄膜材料，其特征在于：包括基体材料和基体材料中均匀分布的竖直定向碳纳米管阵列材料，所述基体材料采用石墨烯和环氧树脂混合物高温固化后制成，所述碳纳米管为竖直定向碳纳米管阵列，其在基体材料中，且每一簇竖直定向碳纳米管阵列之间的间隙都填充了基体材料，最终形成竖直定向碳纳米管阵列与石墨烯环氧树脂复合薄膜材料；所述竖直定向碳纳米管阵列与石墨烯环氧树脂复合薄膜材料采用如下制备方法制备而成，其方法步骤如下：
步骤1.利用在硅片上图形化处理过的催化剂生长竖直定向碳纳米管阵列；
步骤2.对硅片上的竖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竖直定向碳纳米管阵列；
步骤3.将环氧树脂、固化剂、稀释剂按比例混合制成环氧聚合物，将石墨烯与环氧聚合物混合，制成复合膜基底；
步骤4.将步骤3中得到的复合膜基底填入致密化处理后的竖直定向碳纳米管阵列中，使每簇碳纳米管之间的间隙填充复合膜基底，并且使碳管阵列完全浸入复合膜基底中；
步骤5.将步骤4中得到的填入了复合膜基底的竖直定向碳纳米管阵列置于鼓风干燥箱中加热，使复合膜基底高温固化，而定向竖直碳纳米管阵列完全被包裹在石墨烯环氧基底中；
步骤6.将固化的复合膜两面抛光打磨，剥去硅片基底，磨去多余的环氧石墨烯基底，使碳纳米管阵列在两端都露头，从而得到所需制备的复合膜结构。
2.根据权利要求1所述的竖直定向碳纳米管阵列与石墨烯环氧树脂复合薄膜材料，其特征在于：碳纳米管进行致密化处理形成致密化的竖直定向碳纳米管阵列结构。
3.根据权利要求1所述的竖直定向碳纳米管阵列与石墨烯环氧树脂复合薄膜材料，其特征在于：基体材料填充厚度高于竖直定向碳纳米管阵列高度。
4.一种权利要求1所述竖直定向碳纳米管阵列与石墨烯环氧树脂复合薄膜材料制备方法，其特征在于，其步骤如下：
步骤1.利用在硅片上图形化处理过的催化剂生长竖直定向碳纳米管阵列；
步骤2.对硅片上的竖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竖直定向碳纳米管阵列；
步骤3.将环氧树脂、固化剂、稀释剂按比例混合制成环氧聚合物，将石墨烯与环氧聚合物混合，制成复合膜基底；
步骤4.将步骤3中得到的复合膜基底填入致密化处理后的竖直定向碳纳米管阵列中，使每簇碳纳米管之间的间隙填充复合膜基底，并且使碳管阵列完全浸入复合膜基底中；
步骤5.将步骤4中得到的填入了复合膜基底的竖直定向碳纳米管阵列置于鼓风干燥箱中加热，使复合膜基底高温固化，而定向竖直碳纳米管阵列完全被包裹在石墨烯环氧基底中；
步骤6.将固化的复合膜两面抛光打磨，剥去硅片基底，磨去多余的环氧石墨烯基底，使碳纳米管阵列在两端都露头，从而得到所需制备的复合膜结构。
5.根据权利要求4所述竖直定向碳纳米管阵列与石墨烯环氧树脂复合薄膜材料制备方法，其特征在于：在所述步骤1中，竖直定向碳纳米管阵列生长高度为400～600μm。
6.根据权利要求4所述竖直定向碳纳米管阵列与石墨烯环氧树脂复合薄膜材料制备方法，其特征在于：在所述步骤2中，进行致密化处理的时间为15-25s。
7.根据权利要求4所述竖直定向碳纳米管阵列与石墨烯环氧树脂复合薄膜材料制备方法，其特征在于：在所述步骤3中，环氧聚合物是由环氧树脂、固化剂、稀释剂按7.5：0.5：2的比例混合而成。
8.根据权利要求4所述竖直定向碳纳米管阵列与石墨烯环氧树脂复合薄膜材料制备方法，其特征在于：在所述步骤3中，石墨烯所占复合膜基底比例为5％～10％。
9.根据权利要求4所述竖直定向碳纳米管阵列与石墨烯环氧树脂复合薄膜材料制备方法，其特征在于：在所述步骤4中，碳管阵列完全浸入复合膜基底中，为了达到充分填充的效果，需静置2h。
10.根据权利要求4所述竖直定向碳纳米管阵列与石墨烯环氧树脂复合薄膜材料制备方法，其特征在于：在所述步骤5中，固化温度和时间为：首先在120℃下固化1h，之后在150℃下固化1h。
11.根据权利要求4所述竖直定向碳纳米管阵列与石墨烯环氧树脂复合薄膜材料制备方法，其特征在于：在所述步骤6中，打磨的复合膜厚度控制在350μm～450μm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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CN102161814B (zh) * 2011-03-01 2012-10-17 复旦大学 一种取向碳纳米管/聚合物复合膜的制备方法
CN106010469A (zh) * 2016-05-16 2016-10-12 天津大学 碳纳米管阵列/石墨烯纸导热复合材料及制备方法
CN106219532B (zh) * 2016-07-29 2018-12-07 碳元科技股份有限公司 一种纳米碳管阵列/石墨复合导热膜及其制备方法

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