本發(fā)明涉及材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有石墨烯的熱界面材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

電子設(shè)備中芯片等發(fā)熱元件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量通常需借助散熱器件實(shí)現(xiàn)熱量向外部的擴(kuò)散。從微觀角度看，發(fā)熱元件與散熱器件之間的接觸界面都存在很多的凹凸不平，需使用熱界面材料(Thermal Interface Materials，TIM)填充發(fā)熱元件與散熱器件的接觸界面，降低接觸熱阻。隨著電子設(shè)備的微型化、輕量化和高密度化的發(fā)展。

目前，業(yè)界導(dǎo)熱效果比較好的熱界面材料是通過(guò)在鋯金屬箔的兩個(gè)表面生長(zhǎng)碳納米管陣列而形成的。但由于該熱界面材料內(nèi)鋯金屬箔的界面熱阻較大，所以導(dǎo)致該熱界面材料的導(dǎo)熱性能相對(duì)較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決熱界面材料內(nèi)鋯金屬箔的界面熱阻較大，導(dǎo)致該熱界面材料的導(dǎo)熱性能相對(duì)較差的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種具有石墨烯的熱界面材料，包括鋁金屬箔、石墨烯薄膜和碳納米管陣列，鋁金屬箔具有第一表面以及與第一表面相對(duì)的第二表面，石墨烯薄膜覆蓋在鋁金屬箔的第一表面，碳納米管陣列中的納米管分布在石墨烯薄膜的表面和第二表面，鋁金屬箔的第二表面包括裸露的鋁金屬。

本發(fā)明由于鋁金屬箔的第二表面包括裸露的金屬，降低了熱界面材料的界面熱阻，提高了熱界面材料的導(dǎo)熱性能，且用鋁金屬代替現(xiàn)有技術(shù)中的鋯金屬，進(jìn)一步提高了導(dǎo)熱性。另一方面，石墨烯與碳納米管均有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，石墨烯覆蓋在鋁金屬箔的第一表面，更進(jìn)一步提高了導(dǎo)熱性。

在一些實(shí)施方式中，碳納米陣列管垂直于石墨烯薄膜的表面和鋁金屬箔的第二表面。由此，盡量保證碳納米管的垂直導(dǎo)熱性。需要說(shuō)明的是，此處的垂直不是百分百的垂直，在本領(lǐng)域技術(shù)誤差范圍內(nèi)，即可認(rèn)為垂直。

在一些實(shí)施方式中，碳納米管陣列中相鄰兩個(gè)碳納米管之間的空隙中填充有聚合納米纖維。由此，由于熱界面材料界面熱阻主要是由于界面處金屬基材表面的金屬氧化物和碳納米管之間的空氣所致的，采用導(dǎo)熱性能比現(xiàn)有技術(shù)的樹(shù)脂更優(yōu)秀的聚合納米纖維來(lái)填充相鄰兩個(gè)碳納米管之間的空隙，進(jìn)一步提高熱界面材料的導(dǎo)熱性能。

在一些實(shí)施方式中，鋁金屬箔的厚度為10～50μm，石墨烯薄膜的厚度為10～50nm，碳納米管的質(zhì)量密度為0.2～0.3g/cm³。由此，這些參數(shù)的選擇極大的提升了熱界面材料的導(dǎo)熱性能。

在一些實(shí)施方式中，碳納米管之間的間距為10～100nm，聚合納米纖維的直徑尺寸為1～50nm。由此，即保證了碳納米管的生長(zhǎng)容易度，也保證了碳納米管陣列的導(dǎo)熱效果。

本發(fā)明還提供了一種用于制備上述的具有石墨烯的熱界面材料的方法，包括以下步驟：

S1：在鋁金屬箔的第一表面生長(zhǎng)石墨烯薄膜；

S2：在石墨烯薄膜的表面和鋁金屬箔的第二表面生長(zhǎng)碳納米管陣列；

S3：對(duì)鋁金屬箔的第二表面進(jìn)行還原反應(yīng)，使第二表面包括裸露的鋁金屬箔，得到的熱界面材料。

本發(fā)明的制備具有石墨烯的熱界面材料的方法在鋁金屬箔的表面形成碳納米管陣列之后，對(duì)鋁金屬箔的第二表面進(jìn)行還原反應(yīng)，使得得到的界面材料中鋁金屬箔的第二表面包括裸露的鋁金屬，降低了熱界面材料的界面熱阻，提高了熱界面材料的導(dǎo)熱性能。

在一些實(shí)施方式中，還原反應(yīng)具體為把生長(zhǎng)有石墨烯薄膜和碳納米管陣列的鋁金屬箔放在H₂氣氛中進(jìn)行退火還原處理。由此，由于H₂可以的與鋁金屬箔表面氧化物中的O原子進(jìn)行還原反應(yīng)，生成H₂O，還原效果好，可以有效降低了熱界面材料的界面熱阻。

在一些實(shí)施方式中，在H₂氣氛中進(jìn)行退火還原處理過(guò)程中，H₂流量為50～80sccm，氣壓為0.1～0.5MPa，退火處理溫度為400～500℃，退火處理時(shí)間為10～20min。此為經(jīng)試驗(yàn)所得到的，H₂與鋁金屬箔表面氧化物中的O原子進(jìn)行還原反應(yīng)的效果最佳的條件。

在一些實(shí)施方式中，還包括步驟S4：在真空中采用蒸鍍工藝，在碳納米管陣列中相鄰兩個(gè)碳納米管之間填充聚合納米纖維，得到熱界面材料。由此，由于熱界面材料界面熱阻主要是由于界面處金屬基材表面的金屬氧化物和碳納米管之間的空氣所致的，采用導(dǎo)熱性能比現(xiàn)有技術(shù)的樹(shù)脂更優(yōu)秀的聚合納米纖維來(lái)填充相鄰兩個(gè)碳納米管之間的空隙，進(jìn)一步提高熱界面材料的導(dǎo)熱性能。

在一些實(shí)施方式中，蒸鍍工藝條件：溫度為100～200℃，工作氣壓為10～30Torr。此為經(jīng)多次試驗(yàn)得到的最佳條件。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的具有石墨烯的熱界面材料示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例2的具有石墨烯的熱界面材料的示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例3的具有石墨烯的熱界面材料的制備方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施方式做進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例1

如圖1所示，本實(shí)施例中的具有石墨烯的熱界面材料包括鋁金屬箔1、石墨烯薄膜2和碳納米管陣列3，鋁金屬箔具有第一表面以及與第一表面相對(duì)的第二表面，石墨烯薄膜覆蓋在鋁金屬箔的第一表面，碳納米管陣列中的納米管分布在石墨烯薄膜的表面和第二表面，鋁金屬箔的第二表面包括裸露的鋁金屬。由于鋁金屬箔的第二表面包括裸露的金屬，降低了熱界面材料的界面熱阻，提高了熱界面材料的導(dǎo)熱性能，且用鋁金屬代替現(xiàn)有技術(shù)中的鋯金屬，進(jìn)一步提高了導(dǎo)熱性。另一方面，石墨烯與碳納米管均有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，石墨烯覆蓋在鋁金屬箔的第一表面，更進(jìn)一步提高了導(dǎo)熱性。本實(shí)施里中碳納米管陣列3垂直于石墨烯薄膜2的表面和鋁金屬箔1的第二表面。這樣可盡量保證碳納米管的垂直導(dǎo)熱性。需要說(shuō)明的是，此處的垂直不是百分百的垂直，在本領(lǐng)域技術(shù)誤差范圍內(nèi)，即可認(rèn)為垂直。本實(shí)施例中，鋁金屬箔1的厚度為30μm，石墨烯薄膜2的厚度為20nm，碳納米管的質(zhì)量密度為0.2g/cm³。這些參數(shù)的選擇極大的提升了熱界面材料的導(dǎo)熱性能。

實(shí)施例2

由于熱界面材料界面熱阻主要是由于界面處金屬基材表面的金屬氧化物和碳納米管之間的空氣所致的，在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，如圖2所示，在碳納米管陣列3中相鄰兩個(gè)碳納米管之間的空隙中填充有聚合納米纖維4，采用導(dǎo)熱性能比現(xiàn)有技術(shù)的樹(shù)脂更優(yōu)秀的聚合納米纖維4來(lái)填充相鄰兩個(gè)碳納米管之間的空隙，進(jìn)一步提高熱界面材料的導(dǎo)熱性能。本實(shí)施例中鋁金屬箔1的厚度為40μm，石墨烯薄膜2的厚度為40nm，碳納米管的質(zhì)量密度為0.3g/cm³，碳納米管之間的間距為80nm，聚合納米纖維4的直徑尺寸為30nm。這些參數(shù)保證了碳納米管的生長(zhǎng)容易度，也保證了碳納米管陣列的導(dǎo)熱效果。通過(guò)電解過(guò)程生產(chǎn)制造出了排列整齊的聚合物納米纖維。該聚合物納米纖維用作導(dǎo)熱新材料，其導(dǎo)熱效率比常規(guī)聚合物導(dǎo)熱效率提高了20倍，經(jīng)過(guò)改善的聚合物納米纖維導(dǎo)熱材料在溫度高達(dá)200攝氏度時(shí)仍具有非常高的可靠性。

在其它實(shí)施方式中，各參數(shù)可在以下范圍內(nèi)選擇：鋁金屬箔的厚度為10～50μm，石墨烯薄膜的厚度為10～50nm，碳納米管的質(zhì)量密度為0.2～0.3g/cm³，碳納米管之間的間距為10～100nm，聚合納米纖維的直徑尺寸為1～50nm。

本發(fā)明的熱界面材料可應(yīng)用于導(dǎo)熱片或兩種需要導(dǎo)熱的介質(zhì)的中間連接部件中。

實(shí)施例3

如圖3所示，本實(shí)施例中的用于制備上述的熱界面材料的方法，包括以下步驟：

S1：在鋁金屬箔的第一表面生長(zhǎng)石墨烯薄膜；石墨烯薄膜的生長(zhǎng)方法為本領(lǐng)域中的現(xiàn)有技術(shù)方法，本發(fā)明不作規(guī)定。

S2：在石墨烯薄膜的表面和鋁金屬箔的第二表面生長(zhǎng)碳納米管陣列；碳納米管陣列的生長(zhǎng)方法也是通過(guò)催化法，采用本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)制備，本發(fā)明不作規(guī)定。

S3：對(duì)鋁金屬箔的第二表面進(jìn)行還原反應(yīng)，使第二表面包括裸露的鋁金屬箔，得到的熱界面材料。還原反應(yīng)具體為把生長(zhǎng)有石墨烯薄膜和碳納米管陣列的鋁金屬箔放在H₂氣氛中進(jìn)行退火還原處理。由于H₂可以的與鋁金屬箔表面氧化物中的O原子進(jìn)行還原反應(yīng)，生成H₂O，還原效果好，可以有效降低了熱界面材料的界面熱阻。在H₂氣氛中進(jìn)行退火還原處理過(guò)程中，H₂流量為60sccm，氣壓為0.3MPa，退火處理溫度為500℃，退火處理時(shí)間為10min。此為經(jīng)試驗(yàn)所得到的，H₂與鋁金屬箔表面氧化物中的O原子進(jìn)行還原反應(yīng)的效果最佳的條件。在其它實(shí)施方式中，還原參數(shù)可從以下范圍中選擇：H₂流量為50～80sccm，氣壓為0.1～0.5MPa，退火處理溫度為400～500℃，退火處理時(shí)間為10～20min。

S4：在真空中采用蒸鍍工藝，在碳納米管陣列中相鄰兩個(gè)碳納米管之間填充聚合納米纖維，得到熱界面材料。由于熱界面材料界面熱阻主要是由于界面處金屬基材表面的金屬氧化物和碳納米管之間的空氣所致的，采用導(dǎo)熱性能比現(xiàn)有技術(shù)的樹(shù)脂更優(yōu)秀的聚合納米纖維來(lái)填充相鄰兩個(gè)碳納米管之間的空隙，進(jìn)一步提高熱界面材料的導(dǎo)熱性能。聚合納米纖維也可采用現(xiàn)有技術(shù)中的靜電紡絲法、熔噴法、界面聚合法等制備，本發(fā)明不對(duì)其制備方法限定，目前較好的制備方法為電解法。本實(shí)施例中的蒸鍍工藝條件：溫度為200℃，工作氣壓為10Torr。此為經(jīng)多次試驗(yàn)得到的最佳條件。在其它實(shí)施方式中，蒸鍍工藝條件可從以下范圍中選擇：蒸鍍工藝條件：溫度為100～200℃，工作氣壓為10～30Torr。

以上所述的僅是本發(fā)明的一些實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明的創(chuàng)造構(gòu)思的前提下，還可以做出其它變形和改進(jìn)，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。