CN111434747B - 一种三维石墨烯/弹性体热界面材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三维石墨烯/弹性体热界面材料及其制备方法，属于热界面材料制备技术领域。本发明在三维石墨烯海绵表面包覆一层高分子材料，防止其被改性弹性材料包覆，再将包覆在三维石墨烯海绵表面的高分子材料层脱去，使三维石墨烯直接暴露出来。一般情况，热量先传递给热界面材料的弹性材料，再传递给三维石墨烯，这个过程严重受到弹性材料导热性能的影响。而本发明的三维石墨烯的导热性能远高于弹性材料，且暴露在热界面材料的外面，暴露出来的三维石墨烯会优先形成导热通路而不经过弹性材料，从而提高了热界面材料的整体性能。实施例的数据表明，本发明的方法制备的热界面材料的导热系数为1.50～6.0W/mK，具有优异的导热性能。

Description

一种三维石墨烯/弹性体热界面材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及热界面材料制备技术领域，尤其涉及一种三维石墨烯/弹性体热界面材料及其制备方法。

背景技术

导热界面材料又称为导热填料、热界面材料或者界面导热填料，是一种普遍用于IC封装和电子散热的材料，主要用于填补两种材料接合或接触时产生的微空隙及表面凹凸不平的孔洞，减少热传递的阻抗，提高散热性。在微电子材料表面和散热器之间存在极细微的凹凸不平的空隙，如果将微电子材料和散热器直接安装在一起，它们间的实际接触面积只有散热器底座面积的10％，其余均为空气间隙。因为空气导热系数只有0.026W/mK，是热的不良导体，将微电子材料与散热器间的接触热阻非常大，严重阻碍了热量的传导，最终造成散热器的效能低下。

图1为热源-热界面材料-散热器组件，热源101与热界面材料104结合，热界面材料104通过机械接合与散热器107结合。温度从热源101传到散热器107上，热流方向108是沿着温度分布变化的，在沿着箭头方向上递减。热流会穿过热源101与热界面材料104组成的界面102-103和热界面材料104与散热器107的界面105-106。现有的传热组件依赖于相邻材料结合表面的机械接合。典型地，热界面材料104比热源101或散热器107更软。热界面材料104通常是由有弹性的高分子材料组成，当较软的热界面材料压入热源的表面和散热器的表面的不规则处时，实现机械接合，排除空气间隙，降低热源到散热器之间的热阻。使用具有高导热性的热界面材料填充这些间隙，排除间隙中的空气，在电子元件和散热器间建立有效的热传导通道，可以大幅度降低接触热阻，使散热器的作用得到充分地发挥。

理想的热界面材料应具有高导热性和高柔韧性，保证在较低安装压力条件下热界面材料能够最充分地填充接触表面的空隙，保证热界面材料与接触面间的接触热阻很小。传统的热界面材料是将一些导热系数较高的填料分散到聚合物材料中形成复合材料，如石墨、氮化硼、氧化硅、氧化铝等。虽然填料本身的热导率较高，但由于在共混过程中大量的高分子(热的不良导体)会包覆在导热填料的表面，使整个复合材料的导热系数比较小，通常在1W/mK以下，这已经越来越不能适应半导体集成化程度的提高对散热的需求。增加聚合物载体中导热填料的含量使填料与填料尽量相互接触可以增加整个复合材料的导热网络的形成，从而提高导热系数，如某些特殊的热界面材料因此可达到4～8W/mK，但当聚合物载体中导热填料的含量增加到一定程度时，聚合物失去原有的性能，硬度增加，韧性下降，这使得热界面材料的导热效率大大降低。

与填充型热界面材料相反，使用石墨、碳纳米管、氮化硼、氧化硅、氧化铝、银等导热填料制备成具有一定结构的导热网络结构(如图2所示)，然后再浸润高分子树脂，可得到结构型热界面材料。由于导热填料本身是一个整体，可以大大减少导热填料与填料之间的热阻，而且这种类泡沫的结构具有较高的孔隙率，导热网络结构本身又具有一定柔韧性，将空隙填满高分子树脂后对高分子树脂本身的性能也影响较小。此外，结构型热界面材料中所需的导热填料的用量也可以大大减少，降低原材料的成本。

虽然结构型热界面材料可以减少材料中导热填料与填料之间的热阻，但由于在制备过程中是先制备成具有一定结构的导热结构网络，再浸润高分子树脂，不可避免的会在复合材料的最外表面形成一层高分子树脂层，由于高分子树脂层具有较低的导热系数(0.1～0.5W/mK)，随着这一层高分子树脂层厚度的增加，该热界面材料与热源或散热器之间的接触热阻将以几何倍数增加。热阻的增大会导致热源的工作温度增高。显然，现有技术存在的界面材料的导热性能均有待进一步提高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种三维石墨烯/弹性体热界面材料及其制备方法。本发明提供的三维石墨烯/弹性体热界面材料具有优异的导热性能，进一步扩大了热界面材料的应用范围。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种三维石墨烯/弹性体热界面材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将弹性材料与导热填料混合，得到改性弹性材料；所述改性弹性材料和固化剂混合，得到交联材料；

(2)以碳基材料为碳源，金属基底为模板，采用化学气相沉积，得到三维石墨烯；

(3)将高分子材料包覆在所述步骤(2)得到的三维石墨烯的上下表面，得到预保护三维石墨烯；

(4)将所述步骤(1)得到的交联材料浸润到所述步骤(3)得到的预保护三维石墨烯中，固化，得到预保护三维石墨烯/弹性材料；

(5)将所述步骤(4)得到的预保护三维石墨烯/弹性材料中包覆在三维石墨烯表面的高分子材料脱去，得到所述三维石墨烯/弹性体热界面材料；

对所述步骤(1)和(2)没有时间上的限定。

优选地，所述步骤(1)中导热填料的质量为弹性材料质量的(0,10]％。

优选地，所述步骤(1)中导热填料包括石墨烯粉末、碳纳米管和PAN基碳纤维中的一种或多种。

优选地，所述步骤(1)中的弹性材料包括液体硅橡胶。

优选地，所述步骤(2)中碳基材料包括甲烷、乙烯、乙炔、甲醇、乙醇、苯和甲苯中的一种或几种。

优选地，所述步骤(2)中金属基底包括镍纤维、镍泡沫、铜纤维、铜泡沫、镍粉和铜粉中的一种或几种。

优选地，所述步骤(3)中高分子材料包括聚乙二醇、石蜡、聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮。

优选地，所述步骤(4)中预保护三维石墨烯与交联材料的体积比为0.5～3：100。

优选地，所述步骤(4)中浸润交联材料的预保护三维石墨烯的厚度不大于所述预保护三维石墨烯的厚度。

本发明还提供了上述技术方案所述制备方法得到的三维石墨烯/弹性体热界面材料，所述三维石墨烯/弹性体热界面材料的导热系数为1.50～6W/mK。

本发明提供了一种三维石墨烯/弹性体热界面材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将弹性材料与导热填料混合，得到改性弹性材料；所述改性弹性材料和固化剂混合，得到交联材料；(2)以碳基材料为碳源，金属基底为模板，采用化学气相沉积，得到三维石墨烯；(3)将高分子材料包覆在所述步骤(2)得到的三维石墨烯的上下表面，得到预保护三维石墨烯；(4)将所述步骤(1)得到的交联材料浸润到所述步骤(3)得到的预保护三维石墨烯中，固化，得到预保护三维石墨烯/弹性材料；(5)将所述步骤(4)得到的预保护三维石墨烯/弹性材料中包覆在三维石墨烯表面的高分子材料脱去，得到所述三维石墨烯/弹性体热界面材料。

本发明在三维石墨烯表面包覆一层高分子材料，防止其被改性弹性材料包覆，再将包覆在三维石墨烯表面的高分子材料层脱去，使三维石墨烯直接暴露出来。一般情况下，热量需要先传递给热界面材料的弹性材料，再传递给三维石墨烯，这个过程严重受到弹性材料导热性能的影响。而本发明的三维石墨烯的导热性能远高于弹性材料，且暴露在热界面材料的外面，暴露出来的三维石墨烯会优先形成导热通路而不经过弹性材料，从而提高了热界面材料的整体性能。实施例的数据表明，本发明的方法制备的热界面材料的导热系数为1.50～6W/mK，具有优异的导热性能。

附图说明

图1为热源-热界面材料-散热器组件示意图；

图2为结构型导热网络结构；

图3为本发明提供的预保护三维石墨烯的结构示意图；

图4为实施例1制备得到的三维石墨烯的扫描电镜照片；

图5为实施例1、对比例2及对比例3所得热界面材料的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种三维石墨烯/弹性体热界面材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将弹性材料与导热填料混合，得到改性弹性材料；所述改性弹性材料和固化剂混合，得到交联材料；

(2)以碳基材料为碳源，金属基底为模板，采用化学气相沉积，得到三维石墨烯；

(3)将高分子材料包覆在所述步骤(2)得到的三维石墨烯的上下表面，得到预保护三维石墨烯；

(4)将所述步骤(1)得到的交联材料浸润到所述步骤(3)得到的预保护三维石墨烯中，固化，得到预保护三维石墨烯/弹性材料；

(5)将所述步骤(4)得到的预保护三维石墨烯/弹性材料中包覆在三维石墨烯表面的高分子材料脱去，得到所述三维石墨烯/弹性体热界面材料；

对所述步骤(1)和(2)没有时间上的限定。

本发明将弹性材料与导热填料混合，得到改性弹性材料；所述改性弹性材料和固化剂混合，得到交联材料。

本发明将弹性材料与导热填料混合，得到改性弹性材料。

在本发明中，所述导热填料优选为弹性材料质量的(0,10]％，进一步优选为6～8％。在本发明中，所述导热填料优选包括石墨烯粉末、碳纳米管和PAN基碳纤维中的一种或多种；所述导热填料的粒径优选为0.1～5μm。在本发明中，所述弹性材料优选包括液体硅橡胶；所述液体硅橡胶优选包括聚二甲基硅氧烷、甲基乙烯基硅橡胶或甲基苯基乙烯基硅橡胶。在本发明中，所述弹性材料和导热填料混合前，优选将弹性材料采用溶剂稀释后，再与导热填料混合。在本发明中，所述溶剂优选根据弹性材料进行选择，要求溶剂能够溶解弹性材料，并不与导热填料反应即可，优选的，如甲醇、丙酮、二甲基甲酰胺(DMF)或四氢呋喃。在本发明中，所述溶剂的用量优选使导热填料占稀释后弹性材料重量的6～10％。在本发明的实施例中，当所述弹性材料为聚二甲基硅氧烷，稀释用溶剂为丙酮；当所述弹性材料为端乙烯基甲基苯基硅橡胶和甲基苯基乙烯基硅橡胶时，稀释用溶剂为四氢呋喃。

在本发明中，所述弹性材料与导热填料混合的方式优选采用高速剪切搅拌。本发明对所述混合的时间没有特殊的限定，能够使导热填料充分与弹性材料混合即可。

弹性材料与导热填料混合均匀后，本发明还优选将稀释用溶剂除去；所述除去的方式优选为加热；本发明对所述加热的温度和时间没有特殊的限定，根据所选用的溶剂进行选择，只要能使溶剂挥发完全即可。在本发明的一个实施例中，所述弹性材料为聚二甲基硅氧烷，稀释用溶剂为丙酮；所述加热的温度优选为60～100℃。

本发明优选将所述导热填料的质量控制为弹性材料质量的(0,10]％，保证交联材料具有导热填料的导热性能又具有弹性材料的韧性等力学性能。

得到改性弹性材料后，本发明将所述改性弹性材料与固化剂混合，得到交联材料。

在本发明中，所述弹性材料与固化剂的质量比优选为100：3～100：10，进一步优选为100：4～100：9。在本发明中，所述固化剂优选包括铂-乙烯基配合物或铂-炔烃基配合物。在本发明中，所述改性弹性材料与固化剂混合后，本发明优选进行除泡处理；所述除泡处理优选在真空条件下进行；所述真空条件的真空度优选小于0.1MPa；所述除泡处理的温度优选为25℃，时间优选为30min。本发明对进行所述除泡处理的装置没有特殊的限定，采用本熟知的加热装置即可，具体的如真空烘干箱。

本发明以碳基材料为碳源，金属基底为模板，采用化学气相沉积，得到三维石墨烯。在本发明中，所述碳基材料优选包括甲烷、乙烯、乙炔、甲醇、乙醇、苯和甲苯中的一种或几种。在本发明中，所述碳基材料的流量优选为1～50mL/min，进一步优选为50mL/min。在本发明中，所述金属基底优选包括镍纤维、镍泡沫、铜纤维、铜泡沫、镍粉和铜粉中的一种或几种，进一步优选为镍纤维。在本发明中，所述化学气相沉积优选在保护气氛下进行；所述保护气氛优选包括氢气和氩气按体积比为5：500的混合气体、氢气和氮气按体积比为5：500的混合气体。

在本发明中，所述化学气相沉积优选在常压下进行；所述化学气相沉积的温度优选为700～1100℃。在本发明中，所述化学气相沉积所得三维石墨烯的厚度优选为0.5～3mm。本发明对化学气相沉积的时间没有特殊的限定，能够使沉积的三维石墨烯的厚度为0.5～3mm即可。

化学气相沉积结束后，本发明优选将金属基底蚀刻去除。本发明对所述蚀刻去除的方法没有特殊的限定，只要能够使金属基底蚀刻去除，且不影响三维石墨烯即可。在本发明的一个实施例中，所述金属基底为镍纤维；所述蚀刻去除的方法优选为：将化学气相沉积得到的产物冷却至室温，用盐酸和三氯化铁混合液(1mol/L：1mol/L)刻蚀去除镍纤维，并用稀的氯化氢溶液反复清洗3～4次除去镍盐。

得到三维石墨烯后，本发明将高分子材料包覆在所述三维石墨烯的上下表面，得到预保护三维石墨烯。在本发明中，所述高分子材料优选包括聚乙二醇、石蜡、聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮。在本发明中，所述高分子材料在使用前优选采用溶剂溶解；本发明对所述溶剂的选择没有特殊的限定，只要能够溶解高分子材料，且不与三维石墨烯海绵反应即可。在本发明中，所述高分子材料在溶剂中的质量百分数优选为0～30％，进一步优选为8～12％。在本发明的实施例中，所述高分子材料优选为聚乙二醇，所用溶剂优选为乙醇，所述聚乙二醇在乙醇中的质量百分数为10％；所述高分子材料优选为聚乙烯吡咯烷酮时，所用溶剂优选为乙醇。

在本发明中，由于所述三维石墨烯从宏观角度看为薄片，所以在包覆高分子材料时包覆的是所述三维石墨烯的上下两个面积大的表面。本发明对所述包覆的方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的包覆方式，只要在三维石墨烯上下表面全面包覆高分子材料即可，具体的如，涂抹或其它包覆方式。在本发明的一个具体实施例中，所述包覆的方式优选包括：将1mL质量百分数为10％的聚乙二醇-乙醇溶液滴在模具中，将裁剪好的三维石墨烯置于模具中，轻轻压平，然后将其置于烘箱中80℃加热30min后冷却至室温；因此，在三维石墨烯的下表面形成一个聚乙二醇保护层，使用相同的方法将三维石墨烯翻转180°，将上表面也覆盖一层聚乙二醇保护层，得到带有保护层的预保护三维石墨烯。本发明所得预保护三维石墨烯的结构如图3所示；图3中301和303为三维石墨烯上下表面包覆的高分子材料层，302为三维石墨烯。

本发明在三维石墨烯上下表面包覆一层高分子材料，能够防止其被后续的交联材料包覆，以提高热界面材料的导热性能。

得到预保护三维石墨烯和交联材料后，本发明将所述交联材料浸润到所述预保护三维石墨烯中，固化，得到预保护三维石墨烯/弹性材料。

在本发明中，所述交联材料与预保护三维石墨烯的体积比优选为0.5～3：100，进一步优选为1～2：100。在本发明中，所述浸润的时间优选为30～180min。在本发明中，所述浸润优选在真空条件下进行，所述真空条件的真空度优选为-0.1MPa。在本发明中，浸润交联材料的预保护三维石墨烯的厚度优选不大于所述预保护三维石墨烯的厚度；在本发明的一个实施例中，浸润交联材料的预保护三维石墨烯的厚度优选与所述预保护三维石墨烯的厚度相同。

为了保证浸润交联材料的预保护三维石墨烯的厚度与所述预保护三维石墨烯海绵的厚度相同；浸润结束后，本发明还优选将浸润产物进行保压处理。在本发明中，所述保压处理的步骤优选为将浸润得到的预保护三维石墨烯/弹性材料置于模具中，在上表面进行加压处理，所述加压处理的压力为0.4～1kPa。

在本发明中，所述固化的温度优选优选为40～60℃；时间优选为4～12h。

本发明优选将浸润交联材料的预保护三维石墨烯的厚度与所述预保护三维石墨烯的厚度相同，保证了交联材料只浸润到预保护三维石墨烯内部，不包覆在高分子材料保护层上；同时交联材料基于三维石墨烯海绵的蜂窝结构，固化形成同样具有三维结构的材料，使得最终制备的热界面材料具有优异的导热性和韧性。

得到预保护三维石墨烯/弹性材料后，本发明将所述预保护三维石墨烯/弹性材料中包覆在三维石墨烯海绵表面的高分子材料脱去，得到所述三维石墨烯/弹性体热界面材料。

在本发明中，所述高分子材料脱去的方式优选为将所述预保护三维石墨烯/弹性材料溶解于洗脱剂；本发明对洗脱剂种类、溶解温度没有特殊的要求，只要能够使高分子材料洗脱，且不与三维石墨烯/弹性材料反应即可。在本发明的一个实施例中，当高分子材料为聚乙二醇，所采用的洗脱剂优选为乙醇，具体的高分子材料脱去方法包括：将预保护三维石墨烯/弹性材料置于过量的乙醇溶液中加热到80℃使聚乙二醇保护层充分溶解，反复用乙醇溶液清洗2～3遍。

脱去高分子材料后，本发明优选将脱去高分材料的三维石墨烯/弹性材料转移至PETT薄膜上，于50～80℃烘干，即可得到三维石墨烯/弹性体热界面材料。在本发明中，由于PET薄膜只是三维石墨烯/弹性体热界面材料的承载体，所以对其具体类型不做具体限定，选择其它可用承载体均可。

本发明将三维石墨烯/弹性体热界面材料中的高分子材料洗脱除去后，使三维石墨烯直接暴露出来。三维石墨烯的导热性能远高于弹性材料，且暴露在热界面材料的外面，暴露出来的三维石墨烯会优先形成导热通路而不经过弹性材料，从而提高了热界面材料的整体性能。

本发明还提供了上述技术方案所述制备方法得到的三维石墨烯/弹性体热界面材料。在本发明中，所述三维石墨烯/弹性体热界面材料的导热系数为1.50～6W/mK，具有优异的导热性能。

下面结合实施例对本发明提供的一种三维石墨烯/弹性体热界面材料及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

(1)将聚二甲基硅氧烷和丙酮以1：2的比例混合，得到稀释的聚二甲基硅氧烷，将微纳米级别膨胀石墨烯粉末溶于稀释的聚二甲基硅氧烷中，得到质量分数为6％的混合液，使用高速剪切搅拌使其混合均匀，再通过80℃加热处理除去丙酮，所得改性聚二甲基硅氧烷。

(2)在步骤(1)得到的改性聚二甲基硅氧烷中加入固化剂(聚二甲基硅氧烷基体与固化剂比例为10:1)后，在真空干燥箱中真空处理30min排除气泡，得到交联材料。

(3)在高温管式炉中，以经过压缩的镍纤维为模板，甲烷作为碳源，氢气和氩气作为保护气，在950℃下使用化学气相沉积的方法生长三维石墨烯，所得的沉积样品冷却至室温后，用盐酸和三氯化铁混合液(1mol/L：1mol/L)刻蚀掉金属镍，并用稀的氯化氢溶于反复清洗三四次出去镍盐，得到三维石墨烯海绵，其扫描电镜照片如图4所示，从图4可以看出：腐蚀掉镍基体后得到三维石墨烯海绵为管状的连续石墨烯，石墨烯的厚度和含量可通过生长时间和镍纤维基体的密度控制。与其他碳填料相比，连续的管状结构更有利于热量的传递。

(4)将聚乙二醇溶于乙醇中配制成质量浓度为10％的聚乙二醇-乙醇溶液，在模具中滴约1mm左右的上述聚乙二醇-乙醇溶液，再将剪裁好的三维石墨烯海绵置于模具中，轻轻压平，然后将其置于烘箱中80℃加热30min冷却至室温，则在三维石墨烯海绵的下表面形成一个聚乙二醇保护层；使用相同的方法将三维石墨烯海绵翻转180°，将上表面也覆盖一层聚乙二醇保护层，预保护三维石墨烯海绵。

(5)将预保护三维石墨烯海绵置于模具中，加入所述步骤(2)得到的交联材料，在真空烘箱中真空处理30～180min使其完全浸润，之后保压处理，使得浸润后的预保护三维石墨烯海绵的厚度与预保护三维石墨烯海绵的厚度相同；将浸润后的预保护三维石墨烯海绵在60℃固化4h，得到预保护三维石墨烯/聚二甲基硅氧烷。

(6)将预保护三维石墨烯/聚二甲基硅氧烷置于过量的乙醇溶液中加热到80℃使聚乙二醇保护层充分溶解，反复用乙醇溶液清洗2～3遍后；将脱去保护层的三维石墨烯/聚二甲基硅氧烷转移至PET薄膜上，在烘箱中50～80℃烘干，得到所述三维石墨烯/聚二甲基硅氧烷热界面材料，其结构示意图如图5中的503图所示。

实施例2

(1)将甲基苯基乙烯基硅橡胶和四氢呋喃以1：2的比例混合，得到稀释的甲基苯基乙烯基硅橡胶，将纳米级别石墨烯粉末溶于稀释的上述混合溶液中，得到质量分数为6％的混合液，使用高速剪切搅拌使其混合均匀，再通过80℃加热处理除去四氢呋喃，所得改性甲基苯基乙烯基硅橡胶。

(2)在步骤(1)得到的改性甲基苯基乙烯基硅橡胶中加入固化剂(甲基苯基乙烯基硅橡胶与固化剂比例为100：5)后，在真空干燥箱中真空处理30min排除气泡，得到交联材料。

(3)首先将微米级别镍粉与聚甲基丙烯酸甲酯混合，搅拌得到均匀分散的悬浮液，然后将镍泡沫浸润到上述悬浮液中，并将其置于烘箱中180℃处理3小时得到改性的镍泡沫基底；在高温管式炉中，以上述改性镍泡沫为基板，甲烷作为碳源，氢气和氩气作为保护气，在950℃下使用化学气相沉积的方法生长三维石墨烯，所得的沉积样品冷却至室温后，用盐酸和三氯化铁混合液(1mol/L：1mol/L)刻蚀掉金属镍，并用稀的氯化氢溶于反复清洗三四次出去镍盐，得到多级结构的石墨烯泡沫，石墨烯泡沫内部存在大量的石墨烯微球。

(4)将聚乙烯吡咯烷酮溶于乙醇中配制成质量浓度为6％的将聚乙烯吡咯烷酮-乙醇溶液，在模具中滴约1mm左右的上述将聚乙烯吡咯烷酮-乙醇溶液，再将剪裁好的石墨烯泡沫置于模具中，轻轻压平，然后将其置于烘箱中80℃加热30min冷却至室温，则在石墨烯泡沫的下表面形成一个聚乙烯吡咯烷酮保护层；使用相同的方法将改性石墨烯泡沫翻转180°，将上表面也覆盖一层聚乙烯吡咯烷酮保护层，得到预保护石墨烯泡沫。

(5)将预保护石墨烯泡沫置于模具中，加入所述步骤(2)得到的交联材料，在真空烘箱中真空处理30～180min使其完全浸润，之后保压处理，使得浸润交联材料的预保护石墨烯泡沫的厚度与预保护石墨烯泡沫的厚度相同；将浸润交联材料的预保护石墨烯泡沫在80℃固化4h，得到预保护三维石墨烯/甲基苯基乙烯基硅橡胶；

(6)将预保护三维石墨烯/甲基苯基乙烯基硅橡胶置于过量的乙醇溶液中加热到80℃使聚乙烯吡咯烷酮保护层充分溶解，反复用乙醇溶液清洗2～3遍后；将脱去保护层的三维石墨烯/甲基苯基乙烯基硅橡胶转移至PET薄膜上，在烘箱中50～80℃烘干，得到所述三维石墨烯/甲基苯基乙烯基硅橡胶热界面材料。

对比例1

无改性的聚二甲基硅氧烷弹性体作为对比例1，将聚二甲基硅氧烷主剂和固化剂以质量比10：1混合均匀后在真空干燥箱中真空处理30min排除气泡，加热到60℃固化4h得到无改性的聚二甲基硅氧烷弹性体。

对比例2

将聚二甲基硅氧烷和丙酮以体积比1：2混合，得到稀释聚二甲基硅氧烷，将微纳米级别膨胀石墨烯粉末溶于上述稀释聚二甲基硅氧烷中，使用高速剪切搅拌使其混合均匀，得到质量分数为6％的石墨烯/聚二甲基硅氧烷溶液，再通过80℃加热处理除去丙酮；得到石墨烯/聚二甲基硅氧烷；然后加入固化剂(聚二甲基硅氧烷基体与固化剂比例为10:1)后，在真空干燥箱中真空处理30min排除气泡，加热到60℃固化4h得到，得到共混型热界面材料，其结构示意图如图5中的501图所示。

对比例3

实施例1中步骤(1)、(2)和(3)保持不变，步骤(4)改为：将剪裁好的三维石墨烯海绵置于模具中，将步骤(2)得到的交联材料中在真空烘箱中真空处理30～180min使其完全浸润到三维石墨烯海绵的导热结构中，之后保压处理，控制浸润后三维石墨烯海绵的厚度与三维石墨烯海绵的厚度相同，最后加热到60℃固化4h，得到具有表面高分子树脂层的结构型热界面材料，其结构示意图如图5中的502图所示。

对比例4

实施例2中步骤(1)、(2)和(3)保持不变，步骤(4)改为：将剪裁好的石墨烯泡沫置于模具中，将步骤(2)得到的交联材料中在真空烘箱中真空处理30～180min使其完全浸润到石墨烯泡沫的导热结构中，之后保压处理，控制浸润交联材料的石墨烯泡沫的厚度与石墨烯泡沫的厚度相同，最后加热到60℃固化4h，得到具有表面高分子树脂层的结构型热界面材料，其结构示意图如图5中的502图所示。

测试实施例1～2及对比例1～4中都所得热界面材料的导热性能，结果如表1所示。从表1可以看出：与一般共混填充的热界面材料相比，具有三维连续结构的石墨烯海绵具有更好的导热性能，一般共混材料由于界面热阻的存在，热导率很难提高上去，对比例2中添加6％的石墨烯粉末，热导仅为0.55W/mK，而加入少量的三维结构石墨烯，热导提高到0.89W/mK。进一步进行表面处理，消除材料表面的高分子层的影响后，所得材料的最高热导可达1.5W/mK。

表1为实施例1～2与对比例1～4所得热界面材料的导热系数结果

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种三维石墨烯/弹性体热界面材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将弹性材料与导热填料混合，得到改性弹性材料；所述改性弹性材料和固化剂混合，得到交联材料；

（2）以碳基材料为碳源，金属基底为模板，采用化学气相沉积，得到三维石墨烯；

（3）将高分子材料包覆在所述步骤（2）得到的三维石墨烯的上下表面，得到预保护三维石墨烯；

（4）将所述步骤（1）得到的交联材料浸润到所述步骤（3）得到的预保护三维石墨烯中，固化，得到预保护三维石墨烯/弹性材料；

（5）将所述步骤（4）得到的预保护三维石墨烯/弹性材料中包覆在三维石墨烯海绵表面的高分子材料脱去，得到所述三维石墨烯/弹性体热界面材料；

对所述步骤（1）和（2）没有时间上的限定；

所述步骤（1）中导热填料的质量为弹性材料质量的（0,10]%；

所述步骤（3）中高分子材料包括聚乙二醇、石蜡、聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮；

所述步骤（4）中预保护三维石墨烯与交联材料的体积比为0.5~3：100；

所述步骤（4）中，浸润结束后，将浸润产物进行保压处理；所述保压处理的步骤为将浸润得到的预保护三维石墨烯/弹性材料置于模具中，在上表面进行加压处理，所述加压处理的压力为0.4~1kPa。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中导热填料包括石墨烯粉末、碳纳米管和PAN基碳纤维中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中的弹性材料包括液体硅橡胶。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述液体硅橡胶包括聚二甲基硅氧烷、甲基乙烯基硅橡胶或甲基苯基乙烯基硅橡胶。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述弹性材料与固化剂的质量比为100：3~100：10。

6.根据权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于，所述固化剂包括铂-乙烯基配合物或铂-炔烃基配合物。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中碳基材料包括甲烷、乙烯、乙炔、甲醇、乙醇、苯和甲苯中的一种或几种。

8.根据权利要求1或7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中金属基底包括镍纤维、镍泡沫、铜纤维、铜泡沫、镍粉和铜粉中的一种或多种。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中，固化的温度为40~60℃，时间为4~12h。

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（5）中，高分子材料脱去的方式为将所述预保护三维石墨烯/弹性材料溶解于洗脱剂。

11.根据权利要求1或10所述的制备方法，其特征在于，脱去高分子材料后，将脱去高分子材料的三维石墨烯/弹性材料转移至PEET薄膜上，于50~80℃烘干。

12.权利要求1~11任一项所述制备方法得到的三维石墨烯/弹性体热界面材料，其特征在于，所述三维石墨烯/弹性体热界面材料的导热系数为1.50~6W/mK。

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