CN115057432A - 石墨烯泡沫块体、导热片、垫片、排布装置及制备方法 - Google Patents

石墨烯泡沫块体、导热片、垫片、排布装置及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供石墨烯泡沫块体、导热片、导热垫片、排布装置及制备方法，所制备方法包括：将纤维阵列排布在基材上；将纤维阵列沿涂布方向在基材上放平；沿放平的方向涂布氧化石墨烯浆料；涂布后，将纤维阵列沿垂直于涂布方向拉起，进行干燥处理；重复涂布、拉起和干燥的步骤，得到氧化石墨烯块体；对上述氧化石墨烯块体进行热处理，得到石墨烯泡沫块体。本发明纤维无缝穿插于导热垫片中，与层层堆叠石墨烯相结合，整体结构完整，纤维穿插过程没有开孔操作，避免其对结构稳定性的破坏，既可以实现对石墨烯导热垫片的力学增强效果，又可以保证其结构不会遭到破坏，同时可以满足制备各种厚度尺寸垫片的要求。

Description

石墨烯泡沫块体、导热片、垫片、排布装置及制备方法
技术领域
本发明涉及石墨烯导热界面材料技术领域，具体涉及石墨烯泡沫块体、导热片、导热垫片、排布装置及制备方法。
背景技术
石墨烯具有优异的导热性能，在导热、散热、热管理等领域有着广泛的应用前景。将高导热的石墨烯膜层层堆叠粘接，并沿着堆叠方向进行切割成片，得到的石墨烯导热垫片，在纵向上可以获得高导热性能，满足5G通讯设备中高功率芯片的散热需求，在实际使用过程中，因为石墨烯不易单独制备，为了充分发挥其高导热优势，可以选择以导热膜整体结构定向排列的方式与高分子聚合物相结合，如文献CN113183544A、CN113290958A、CN113556925A。
然而，上述文献中的石墨烯导热垫片，其石墨烯层层粘接的结构，往往会引起垫片开裂的风险。对此，专利文献CN113829684A公开了一种碳纤维增强石墨烯导热垫片的方法，该方法是在石墨烯导热垫片横向上设置贯穿孔，并将碳纤维穿***所述贯穿孔中，从而起到增强作用，防止垫片开裂。
但是，直接在垫片横向上进行打孔，会破坏石墨烯的整体结构；同时，穿插的碳纤维在贯穿孔中会生产一定的间隙，导致其增强效果有限；此外，设置贯穿孔要求导热垫片具有一定的厚度(如1mm以上)，对于超薄型导热垫片则不能适用。
发明内容
针对现有技术存在问题中的一个或多个，本发明提供一种石墨烯泡沫块体的制备方法，包括：
将纤维阵列排布在基材上；
将纤维阵列沿涂布方向在基材上放平；
沿放平的方向涂布氧化石墨烯浆料；
涂布后，将纤维阵列沿垂直于涂布方向拉起，进行干燥处理；
重复涂布、拉起和干燥的步骤，得到氧化石墨烯块体；
对上述氧化石墨烯块体进行热处理，得到石墨烯泡沫块体。
根据本发明的一个方面，所述氧化石墨烯浆料的固含量为1.5wt.％-9wt.％，低于1.5wt.％时，浆料过稀，不利于多层涂布；高于9wt.％时，浆料过稠，且石墨烯泡沫块体内部纤维存在一定阻力，刮涂困难。
优选地，所述氧化石墨烯浆料的固含量为3wt.％-6wt.％。
根据本发明的一个方面，所述沿放平的方向涂布氧化石墨烯浆料的步骤中，每次涂布的厚度为0.5-10mm，低于0.5mm则效率过低；高于10mm，在干燥时会因为上层和内部干燥速率差异过大，导致容易开裂。
优选地，每次涂布的厚度为2-6mm。
根据本发明的一个方面，所述干燥处理为常温干燥或加热干燥，优选地，为加热干燥；进一步优选地，加热温度40-150℃，温度低于40℃，则干燥速度缓慢；温度高于150℃，石墨烯浆料层易有气泡进入造成褶皱。
根据本发明的一个方面，所述对上述氧化石墨烯块体进行热处理的步骤中，所述热处理的温度≥2400℃，优选地，所述热处理的温度≥2800℃；所述热处理的时间≥2h，优选地，所述热处理的时间≥5h。温度低于2400℃或时间低于2h，则热处理不完全，样品导热性能较差。
根据本发明的一个方面，还包括：对石墨烯泡沫块体进行压制，优选地，压制后，石墨烯泡沫块体的密度为0.8-2.2g/cm3，进一步优选为1.0-1.8g/cm3。
根据本发明的第二方面，提供一种石墨烯泡沫块体，包括多层石墨烯层和纤维阵列，所述多层石墨烯层沿与纤维阵列垂直的方向定向排列。
根据本发明的第二方面，所述石墨烯泡沫块体的厚度为30-250mm，优选地，所述石墨烯泡沫块体的厚度为50-150mm，石墨烯泡沫块体厚度低于30mm，不利于导热片和导热垫片的制备；石墨烯泡沫块体厚度高于250mm，则导热块容易出现开裂情况。
根据本发明的第二方面，所述纤维阵列的纤维之间的间距为1-20mm，低于1mm，间距过小，不利于后续的涂布；高于20mm，则过于疏松，所得石墨烯块体的部分区域会出现分层，切割所得导热垫片容易出现开裂，力学性能会显著下降。
优选地，所述纤维阵列的纤维之间的间距为5-10mm。
根据本发明的第二方面，所述纤维阵列的纤维的直径为5-50微米，低于5微米，不易布置成整列；高于50微米，纤维本身强度稳定性会降低，不能起到均匀的力学增强效果。
优选地，所述纤维阵列的纤维的直径为8-20微米。
根据本发明的第二方面，所述纤维阵列的纤维为石墨纤维、石墨烯纤维、纳米碳管纤维、碳纤维和聚烯烃纤维中的至少一种。
根据本发明的第二方面，所述纤维阵列的纤维为单根纤维或/和纤维束。
根据本发明的第二方面，所述纤维阵列的纤维为未经处理的纤维或经过氧化处理的纤维。
优选地，所述经过氧化处理的纤维的氧原子占比为5wt.％-35wt.％，低于5％，则其性质与未经处理的相近；高于35％，则氧化程度过深，导致纤维力学性能显著降低，不适合制备本发明所述石墨烯导热泡沫块。
进一步优选地，所述经过氧化处理的纤维的氧原子占比为6wt.％-15wt.％。
根据本发明的第三方面，提供一种导热片的制备方法，包括：
将上述石墨烯泡沫块体沿平行于纤维方向切割，得到导热片；
优选地，所述切割方式为线切割、激光切割、超声波切割、刀片切割、冷冻切割、震动切割和超声波-冷冻切割中至少一种。
根据本发明的第四方面，提供一种导热片，包括多层石墨烯层和纤维阵列，所述多层石墨烯层沿与纤维阵列垂直的方向定向排列；
根据本发明的第四方面，所述导热片的厚度不小于0.3mm，优选地，所述导热片的厚度为0.5-1mm，如切割厚度低于0.3mm，一般的切割方式较难实现，且内部碳纤维阵列容易受到破坏。
根据本发明的第五方面，提供一种石墨烯导热垫片的制备方法，包括：
将上述导热片浸入高分子聚合物，固化，得到石墨烯导热垫片；
优选地，采用真空浸渍、常压浸渍或高压浸渍将高分子聚合物浸入导热片；进一步优选地，真空浸渍的真空度为0.095～0.099MPa；进一步优选地，高压浸渍的压力为0.5～10MPa；真空浸渍的真空度低于0.095MPa或高压浸渍的压力小于0.5MPa时,则与常压浸渍效果区别不大；真空浸渍的真空度高于0.099MPa或高压浸渍的压力大于10MPa时，一般设备较难实现，满足该条件的成本过高。
优选地，所述固化为加热固化或常温固化；进一步优选地，所述固化为加热固化，更进一步优选地，所述固化的温度为60～150℃，固化温度低于60℃时，则固化时间过慢；固化温度高于150℃时，则导热块体内部容易膨胀加剧造成开裂。
优选地，所述高分子聚合物为环氧树脂、酚醛树脂、糠醛树脂、聚氨酯、丙烯酸树脂、聚丁烯和有机硅胶中的至少一种；
优选地，所述高分子聚合物为有机硅胶；
优选地，所述高分子聚合物为聚二甲基环硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷、聚二苯基硅氧烷、α,ω-二羟基聚甲基(3,3,3-三氟丙基)硅氧烷、氰基硅氧基硅烷和α,ω-二乙基聚二甲基硅氧烷中的至少一种。
根据本发明的第六方面，提供一种石墨烯导热垫片，包括上述导热片和浸入所述石墨烯导热垫片的高分子聚合物。
优选地，所述高分子聚合物的含量为10wt.％-60wt.％，低于10wt.％，则与未浸渍的效果相当；高于60wt.％，则会严重影响导热性能，进一步优选地，所述高分子聚合物的含量为20wt.％-50wt.％。
根据本发明的第七方面，提供一种排布装置，用于将纤维阵列排列在基材上，所述排布装置包括基材和拉杆，所述基材和拉杆上对应设置有多个孔，纤维从基材或/和拉杆一个孔或多个孔穿入，从基材或/和拉杆另外的一个孔或多个孔穿出，形成纤维阵列。
本发明纤维无缝穿插于石墨烯导热垫片中，与层层堆叠石墨烯相结合，形成一个整体结构，石墨烯泡沫块体、导热片和石墨烯导热垫片整体结构完整，纤维穿插过程没有开孔操作，避免其对结构稳定性的破坏，既可以实现对石墨烯导热垫片的力学增强效果，又可以保证其结构不会遭到破坏，同时可以满足制备各种厚度尺寸垫片的要求。
本发明利用层层堆叠的方式，将石墨烯的横向转变为纵向，提高纵向导热性，通过在多层石墨烯层中阵列纤维来进一步增强导热性，同时提高力学性能，防止石墨烯泡沫块体和石墨烯导热垫片发生开裂现象。
本发明石墨烯导热垫片，其内部设置了与石墨烯层相垂直排列的纤维阵列，纤维无缝穿插于石墨烯导热垫片中，与层层堆叠石墨烯紧密结合，复合制备成一个稳定的整体。
本发明采用纤维阵列与石墨烯结合的制备方式，稳定增强石墨层间结合力。
本发明采用沿水平涂布方式可以避免碳纤维对涂层的影响，通过涂布、拉起、干燥保持最终石墨烯的定向排列；
本发明在进一步压制致密化时，纤维可以随着压制弯曲，同样是紧密结合在石墨烯泡沫块体内部，其增强效果不受影响。
通过本发明制备方法制备的石墨烯导热垫片具有高度定向、高导热、不开裂等优点，可以制成不同厚度的垫片，应用广泛。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明所述石墨烯泡沫块体的一个实施例的示意图；
图2是本发明所述导热片的一个实施例的示意图；
图3是本发明所述排布装置的一个实施例的示意图；
图4是本发明所述沿放平的方向涂布氧化石墨烯浆料的方法的一个实施例的示意图。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是本发明所述石墨烯泡沫块体的一个实施例的示意图，如图1所示，所述石墨烯泡沫块体包括多层石墨烯层和纤维阵列，所述多层石墨烯层沿与纤维阵列垂直的方向定向排列。所述的石墨烯层是指石墨烯沿着垂直与纤维阵列的方向高度定向排列，内部形成了高度有序排列的层状结构。
图2是本发明所述导热片的一个实施例的示意图，如图2所示，所述导热片由上述石墨烯泡沫块体沿平行于纤维方向切割得到，所述导热片包括沿着厚度方向排列的石墨烯层和垂直于石墨烯层的纤维阵列。
图3是本发明所述排布装置的一个实施例的示意图，如图3所示，所述排布装置包括基材10和拉杆20，所述基材和拉杆上对应设置有多个孔。
利用上述排布装置形成纤维阵列的方法包括：纤维从基材或/和拉杆一个孔或多个孔穿入，从基材或/和拉杆另外的一个孔或多个孔穿出，形成纤维阵列。
如图3所示，上述多个孔包括多个第一孔和多个第二孔，所述第一孔用于纤维的起始穿入，所述第二孔一端穿入纤维，所述第二孔的另一端用于穿出纤维。
以下实施例中，纤维阵列增强的石墨烯导热垫片的制备方法包括如下步骤中的多个：
(1)将纤维阵列排布在基材上；
(2)如图4所示，将纤维沿着涂布的方向在基材上放平，然后沿着放平的方向进行涂布；
(3)涂布后，将纤维再次拉起(如图3所示)，沿着垂直于涂布的方向形成阵列，氧化石墨烯浆料会自然流平，填补纤维拉起后形成的凹槽；
(4)保持上述状态下进行干燥处理；
(5)重复步骤(2)-(4)，剥离基材，得到所需厚度的氧化石墨烯块体；
(6)对上述氧化石墨烯块体进行热处理，得到石墨烯泡沫块体；
(7)对石墨烯泡沫块体进行压制；
(8)将上述石墨烯泡沫块体沿平行于纤维方向切割，得到导热片；
(9)将上述导热片浸入高分子聚合物，固化，得到石墨烯导热垫片。
上述纤维其表面所用纤维的表面可以是经过氧化处理的，也可以是未经任何处理的；所述的氧化处理，可以采用空气和/或氧气进行处理，也可以通过硫酸、硝酸、王水、高锰酸钾、双氧水及其混合物进行氧化处理；经过氧化处理的纤维，其表面的氧原子占比为5％-35％；优选6％-15％。氧化处理过的纤维，与氧化石墨烯会通过化学反应，产生化学键，从而做到紧密结合。
本发明所述导热垫片纤维无缝穿插于导热垫片中，与层层堆叠石墨烯相结合，形成一个整体结构。
下述各实施例获得的导热片或石墨烯导热垫片的测试方法包括：
通过ASTM D5470测试样品的应用热阻(样品本征热阻与上下两面接触热阻之和)；
通过ASTM E1461测试样品横向和纵向的热扩散系数；
通过ASTM E1269-2018测试比热容；
通过GB 4472-1984测试密度；
导热系数采用以下公式计算：
K＝λ·Cp·ρ
K——导热系数，单位W/(m·K)；
λ——热扩散系数，单位mm2/s；
Cp——比热容，单位J/g/K；
ρ——密度，单位g/cm3；
采用GB T 1040.3-2006测试样品横向拉伸性能，样品长宽尺寸100×10mm；
采用ASTM D395测试样品的纵向压缩性及压缩回弹性，分别测试40psi压力下样品的压缩率，以及样品压缩至50％应变后保持30min后的回弹率。
实施例1
本实施例中，石墨烯导热垫片的制备工艺及参数包括：
所用纤维为碳纤维，直径为5μm；纤维阵列中纤维间距为1mm；纤维的表面经过氧化处理，氧含量为5wt.％；
所用氧化石墨烯浆料固含量为1.5wt.％；每次涂布的厚度为0.6mm；热处理温度为2400℃；热处理时间为2h；
本实施例中石墨烯泡沫块体未进行压制；切片方式为线切割；
高分子聚合物采用聚二甲基环硅氧烷，采用高压浸渍，压力为3MPa；固化温度为70℃；浸渍固化后高分子聚合物的含量为20wt.％；
石墨烯导热垫片厚度为0.3mm；
经过测试，所得石墨烯导热垫片的相关性能如下：
密度：0.77g/cm3；
纵向导热系数：75.35W/(m·K)；
横向导热系数：28.55W/(m·K)；
应用热阻：0.722K·cm2/W；
横向拉伸强度：2.91MPa；
纵向压缩率：45.33％；
纵向回弹率：65.62％。
实施例2
本实施例中，石墨烯导热垫片的制备工艺及参数包括：
所用纤维为碳纤维，直径为15μm；纤维阵列中纤维间距为15mm；纤维的表面经过氧化处理，氧含量为35wt.％；
所用氧化石墨烯浆料固含量为9wt.％；每次涂布的厚度为10mm；热处理温度2800℃；热处理时间为5h；
本实施例中石墨烯泡沫块体未进行压制；切片方式为线切割；
高分子聚合物采用聚二甲基环硅氧烷，采用真压浸渍，真空度为0.088MPa；固化温度为150℃；浸渍固化后高分子聚合物的含量为50wt.％；
石墨烯导热垫片厚度为2mm；
经过测试，所得石墨烯导热垫片的相关性能如下：
密度：0.6g/cm3；
纵向导热系数：53.35W/(m·K)；
横向导热系数：13.79W/(m·K)；
应用热阻：1.125K·cm2/W；
横向拉伸强度：2.13MPa；
纵向压缩率：41.33％；
纵向回弹率：74.62％。
实施例3
本实施例中，石墨烯导热垫片的制备工艺及参数包括：
所用纤维为石墨纤维，直径为8μm；纤维阵列中纤维间距为5mm；纤维的表面经过氧化处理，氧含量为6wt.％；
所用氧化石墨烯浆料固含量为3wt.％；每次涂布的厚度为2mm；热处理温度为2900℃；热处理时间为6h；
将石墨烯泡沫块体进行压制，压制后石墨烯泡沫块体的密度为1.1g/cm3；切片方式为激光切割；
高分子聚合物采用聚二甲基环硅氧烷，采用高压浸渍，压力为3MPa；固化温度为120℃；浸渍固化后高分子聚合物的含量为20wt.％；
石墨烯导热垫片厚度为0.5mm；
经过测试，所得石墨烯导热垫片的相关性能如下：
密度：1.1g/cm3；
纵向导热系数：70.98W/(m·K)；
横向导热系数：25.66W/(m·K)；
应用热阻：0.778K·cm2/W；
横向拉伸强度：3.53MPa；
纵向压缩率：46.73％；
纵向回弹率：67.35％。
实施例4
本实施例中，石墨烯导热垫片的制备工艺及参数包括：
所用纤维为碳纤维，直径为20μm；纤维阵列中纤维间距为10mm；纤维的表面经过氧化处理，氧含量为15wt.％；
所用氧化石墨烯浆料固含量为6wt.％；每次涂布的厚度为6mm；热处理温度为3000℃；热处理时间为7h；
将石墨烯泡沫块体进行压制，压制后石墨烯泡沫块体的密度为1.7g/cm3；切片方式为线切割；
高分子聚合物采用聚二甲基环硅氧烷，采用高压浸渍，压力为7MPa；固化温度为120℃；浸渍固化后高分子聚合物的含量为42wt.％；
石墨烯导热垫片厚度为1mm；
经过测试，所得石墨烯导热垫片的相关性能如下：
密度：1.7g/cm3；
纵向导热系数：75.86W/(m·K)；
横向导热系数：23.51W/(m·K)；
应用热阻：0.856K·cm2/W；
横向拉伸强度：3.92MPa；
纵向压缩率：40.83％；
纵向回弹率：70.57％。
实施例5
本实施例中，石墨烯导热垫片的制备工艺及参数包括：
所用纤维为碳纤维，直径为10μm；纤维阵列中纤维间距为2mm；纤维的表面经过处理，氧含量为9wt.％；
所用氧化石墨烯浆料固含量为5wt.％；每次涂布的厚度为3mm；热处理温度为3000℃；热处理时间为6h；
将石墨烯泡沫块体进行压制，压制后石墨烯泡沫块体的密度为1.5g/cm3；切片方式为线切割；
高分子聚合物采用聚二甲基硅氧烷，先采用在真空度为0.080MPa的条件下真空浸渍，再加压至6.6MPa压力下浸渍；固化温度为130℃；浸渍固化后高分子聚合物的含量为40wt.％；
石墨烯导热垫片厚度为0.6mm；
经过测试，石墨烯导热垫片的相关性能如下：
密度：1.5g/cm3；
纵向导热系数：86.59W/(m·K)；
横向导热系数：31.51W/(m·K)；
应用热阻：0.685K·cm2/W；
横向拉伸强度：4.67MPa；
纵向压缩率：32.65％；
纵向回弹率：52.33％。
实施例6
本实施例中，导热片的制备工艺及参数包括：
所用纤维为石墨纤维，直径为9μm；纤维阵列中纤维间距为7mm；纤维的表面经过处理，氧含量为8wt.％；
所用氧化石墨烯浆料固含量为4wt.％；每次涂布的厚度为3mm；热处理温度为2900℃；热处理时间为6h；
将石墨烯泡沫块体进行压制，压制后石墨烯泡沫块体的密度为1.1g/cm3；切片方式为线切割；
不进行高分子聚合物浸渍处理；
导热片厚度为0.5mm；
经过测试，所得导热片的相关性能如下：
密度：1.1g/cm3；
纵向导热系数：77.83W/(m·K)；
横向导热系数：29.35W/(m·K)；
应用热阻：0.726K·cm2/W；
横向拉伸强度：1.47MPa；
纵向压缩率：25.22％；
纵向回弹率：51.76％。
实施例7
本对比例中，导热片的制备工艺及参数除了所用氧化石墨烯浆料固含量8wt.％，其他与实施例6相同；
经过测试，导热片相关性能如下：
密度：1.1g/cm3；
纵向导热系数：81.63W/(m·K)；
横向导热系数：33.15W/(m·K)；
应用热阻：0.713K·cm2/W；
横向拉伸强度：1.04MPa；
纵向压缩率：19.53％；
纵向回弹率：38.78％。
结合实施例6和实施例7中的数据可以看出，当所用氧化石墨烯浆料固含量过大时(大于6wt.％)，所得导热片横向拉伸强度明显降低，力学性能显著下降。
对比例1
本对比例中，相关工艺及参数除了纤维阵列中纤维间距为15mm，其他与实施例3相同；
所得的石墨烯导热垫片出现开裂，经过测试，石墨烯导热垫片相关性能如下：
密度：1.1g/cm3；
纵向导热系数：53.69W/(m·K)；
横向导热系数：23.56W/(m·K)；
应用热阻：0.862K·cm2/W；
横向拉伸强度：0.852MPa；
纵向压缩率：35.13％；
纵向回弹率：47.35％。
结合实施例3和对比例1中的数据可以看出当纤维阵列间距过大时(大于10mm)，所得石墨烯泡沫块体内部结合力变差，部分区域会出现分层，切割所得石墨烯导热垫片容易出现开裂，力学性能会显著下降。
对比例2
本实施例中，石墨烯导热垫片的制备工艺及参数包括：
所用纤维为碳纤维，直径为18μm；纤维阵列中纤维间距为10mm；纤维的表面经过氧化处理，氧含量为12wt.％；
所用氧化石墨烯浆料固含量为6wt.％；每次涂布的厚度为6mm；热处理温度为1900℃；热处理时间为7h；
将石墨烯泡沫块体进行压制，压制后石墨烯泡沫块体的密度为1.6g/cm3；切片方式为线切割；
高分子聚合物采用聚二甲基环硅氧烷，采用高压浸渍，压力为7MPa；固化温度120℃；浸渍固化后高分子聚合物的含量为40wt.％；
石墨烯导热垫片厚度1mm；
经过测试，所得石墨烯导热垫片的相关性能如下：
密度：1.6g/cm3；
纵向导热系数：49.31W/(m·K)；
横向导热系数：19.76W/(m·K)；
应用热阻：0.983K·cm2/W；
横向拉伸强度：3.63MPa；
纵向压缩率：41.09％；
纵向回弹率：68.87％。
结合实施例4和对比例2中的数据可以看出，当热处理温度低于2400℃时，则热处理不完全，会影响导热垫片的导热性能。
对比例3
本实施例中，石墨烯导热垫片的制备工艺及参数包括：
所用纤维为碳纤维，直径为10μm；纤维阵列中纤维间距为3mm；纤维的表面经过氧化处理，氧含量为10wt.％；
所用氧化石墨烯浆料固含量为7wt.％；每次涂布的厚度为5mm；热处理温度为2950℃；热处理时间为6h；
将石墨烯泡沫块体进行压制，压制后石墨烯泡沫块体的密度为1.4g/cm3；切片方式为线切割；
高分子聚合物采用聚二甲基硅氧烷，先采用在真空度为0.099MPa的条件下真空浸渍，再加压至10MPa压力下浸渍；固化温度130℃；浸渍后高分子聚合物的含量为75wt.％；
石墨烯导热垫片厚度0.6mm；
经过测试，所得石墨烯导热垫片的相关性能如下：
密度：1.4g/cm3；
纵向导热系数：51.59W/(m·K)；
横向导热系数：18.74W/(m·K)；
应用热阻：1.262K·cm2/W；
横向拉伸强度：4.15MPa；
纵向压缩率：27.27％；
纵向回弹率：58.31％。
结合实施例3和对比例3中的数据可以看出在将导热片进一步浸入高分子聚合物的过程中，所述高分子聚合物的含量超过一定数值(60wt.％)时，石墨烯导热垫片横向和纵向的导热系数明显降低，热阻也偏大，对导热性能的影响比较大。
对比例4
本对比例中，相关工艺及参数除了纤维阵列与石墨烯层不垂直排布(纤维阵列与基材呈60°)，其他与实施例5相同；
经过测试，石墨烯导热垫片相关性能如下：
密度：1.5g/cm3；
纵向导热系数：75.12W/(m·K)；
横向导热系数：27.65W/(m·K)；
应用热阻：0.703K·cm2/W；
横向拉伸强度：3.81MPa；
纵向压缩率：29.67％；
纵向回弹率：47.94％。
结合实施例5和对比例4中的数据可以看出当纤维阵列与石墨烯层不垂直排布时，所得石墨烯导热垫片相比纤维阵列与石墨烯层垂直排布的石墨烯导热垫片相比，热学和力学性能均降低。
本发明纤维与石墨烯紧密结合，无缝穿插于石墨层内部，纤维与石墨烯之间紧密结合可以消除它们结合处的微裂纹，石墨烯泡沫块体中，石墨烯高度定向排列，沿着其排列方向的导热性能高。涂布方式改进，可获得整体性良好的石墨烯泡沫块体。所述的石墨烯泡沫块体结构稳定，可制备成不同厚度、压缩性能良好的石墨烯导热垫片。所述石墨烯导热垫片不易开裂，在横向上不仅力学性能优异，且具有良好的均热性能。
为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种石墨烯泡沫块体的制备方法，其特征在于，包括：
将纤维阵列排布在基材上；
将纤维阵列沿涂布方向在基材上放平；
沿放平的方向涂布氧化石墨烯浆料；
涂布后，将纤维阵列沿垂直于涂布方向拉起，进行干燥处理；
重复涂布、拉起和干燥的步骤，得到氧化石墨烯块体；
对上述氧化石墨烯块体进行热处理，得到石墨烯泡沫块体。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯浆料的固含量为1.5wt.％-9wt.％，优选地，所述氧化石墨烯浆料的固含量为3wt.％-6wt.％；
优选地，所述沿放平的方向涂布氧化石墨烯浆料的步骤中，每次涂布的厚度为0.5-10mm，进一步优选地，每次涂布的厚度为2-6mm；
优选地，所述干燥处理为常温干燥或加热干燥，进一步优选地，为加热干燥；进一步优选地，加热温度40-150℃；
优选地，所述对上述氧化石墨烯块体进行热处理的步骤中，所述热处理的温度≥2400℃，进一步优选地，所述热处理的温度≥2800℃；所述热处理的时间≥2h，进一步优选地，所述热处理的时间≥5h。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括：对石墨烯泡沫块体进行压制，优选地，压制后，石墨烯泡沫块体的密度为0.8-2.2g/cm3，进一步优选为1.0-1.8g/cm3。
4.一种石墨烯泡沫块体，其特征在于，包括多层石墨烯层和纤维阵列，所述多层石墨烯层沿与纤维阵列垂直的方向定向排列；
优选地，所述石墨烯泡沫块体的厚度为30-250mm，进一步优选地，所述石墨烯泡沫块体的厚度为50-150mm；
优选地，所述纤维阵列的纤维之间的间距为1-20mm，进一步优选地，所述纤维阵列的纤维之间的间距为5-10mm；
优选地，所述纤维阵列的纤维的直径为5-50微米，进一步优选地，所述纤维阵列的纤维的直径为8-20微米；
优选地，所述纤维阵列的纤维为石墨纤维、石墨烯纤维、纳米碳管纤维、碳纤维和聚烯烃纤维中的至少一种；
优选地，所述纤维阵列的纤维为单根纤维或/和纤维束。
5.根据权利要求4所述的石墨烯泡沫块体，其特征在于，所述纤维阵列的纤维为未经处理的纤维或经过氧化处理的纤维，优选地，所述经过氧化处理的纤维的氧原子占比为5wt.％-35wt.％；进一步优选地，所述经过氧化处理的纤维的氧原子占比为6wt.％-15wt.％。
6.一种导热片的制备方法，其特征在于，包括：
将权利要求4或5所述石墨烯泡沫块体沿平行于纤维方向切割，得到导热片；
优选地，所述切割方式为线切割、激光切割、超声波切割、刀片切割、冷冻切割、震动切割和超声波-冷冻切割中至少一种。
7.一种导热片，其特征在于，包括多层石墨烯层和纤维阵列，所述多层石墨烯层沿与纤维阵列垂直的方向定向排列；
优选地，所述导热片的厚度不小于0.3mm，进一步优选地，所述导热片的厚度为0.5-1mm。
8.一种石墨烯导热垫片的制备方法，其特征在于，包括：
将权利要求7所述导热片浸入高分子聚合物，固化，得到石墨烯导热垫片；
优选地，采用真空浸渍、常压浸渍或高压浸渍将高分子聚合物浸入导热片；进一步优选地，真空浸渍的真空度为0.095～0.099MPa；进一步优选地，高压浸渍的压力为0.5～10MPa；
优选地，所述固化为加热固化或常温固化；进一步优选地，所述固化为加热固化，更进一步优选地，所述固化的温度为60～150℃；
优选地，所述高分子聚合物为环氧树脂、酚醛树脂、糠醛树脂、聚氨酯、丙烯酸树脂、聚丁烯和有机硅胶中的至少一种；
优选地，所述高分子聚合物为有机硅胶；
优选地，所述高分子聚合物为聚二甲基环硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷、聚二苯基硅氧烷、α,ω-二羟基聚甲基(3,3,3-三氟丙基)硅氧烷、氰基硅氧基硅烷和α,ω-二乙基聚二甲基硅氧烷中的至少一种。
9.一种石墨烯导热垫片，其特征在于，包括权利要求7所述的导热片和浸入所述石墨烯导热垫片的高分子聚合物，优选地，所述高分子聚合物的含量为10wt.％-60wt.％，进一步优选地，所述高分子聚合物的含量为20wt.％-50wt.％。
10.一种排布装置，其特征在于，用于将纤维阵列排列在基材上，所述排布装置包括基材和拉杆，所述基材和拉杆上对应设置有多个孔，纤维从基材或/和拉杆一个孔或多个孔穿入，从基材或/和拉杆另外的一个孔或多个孔穿出，形成纤维阵列。
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