一种石墨纸/胶黏剂复合导热垫及其制备方法

技术领域

本发明设计一种石墨纸/胶黏剂复合导热垫及其制备方法，属于热界面材料领域。

技术背景

随着科学技术的进步与科技水平的发展，电子器件逐渐向小型化，密集化程度发展，这也导致电子设备的功耗和发热量急剧上升，而大部分微电子器件对于温度的要求比较高，如对于硅器件，其工作温度最好小于100℃才能保证其高性能工作。而热界面材料(Thermal Interface Materials,TIMs)就是用于填充电子器件与散热器之间空隙，使得电子器件产生的热量能够更快地通过热界面材料传递到散热器，起到降低期间工作温度，延长其使用寿命的重要作用。

仅仅依靠电子器件与散热器的直接接触，并不能有效地进行热量传导，因为从微观上来看，器件与散热器的接触面并不是完全贴合的，存在许多空隙，而空隙中充满了空气，空气的热导率极低(0.02W·m

传统的热界面材料一般是向聚合物基体中添加高导热填料形成复合材料。而碳纳米管、氮化硼、石墨等具有极高热导率的材料得到了很多研究人员的青睐，但这类复合材料目前并没有得到明显的改善，这主要是因为填料的分散性较差，不能较好利用其高导热性能，无法形成连续的导热通道。

此外，聚合物基体与填料高度交联形成弹性物，通常需要一定的压力才能与散热器和期间之间形成良好接触，热界面材料的热导率也随之填充分数的变化而变化，填充率越高，热导率越大。但过高的填充率带来的问题是热界面材料力学性能的降低，这也是导致目前热界面材料整体热导率不高的原因之一。

进一步，热界面材料中，聚合物与高导热填料之间的界面结合也十分重要，目前常用的聚合物材料包括硅橡胶、环氧树脂等聚合材料，而高导热填料除了碳材料之外还包括了金属材料，陶瓷类材料，因此，构造聚合物基底与填充料之间的紧密结合也是一个十分重要的因素，否则也会阻碍热界面材料对热量的快速传递。

针对上述问题，目前主要的研究方向是构建一种定向导热的热界面材料来充分利用导热填料的高本征热导率，同时改善导热填料与聚合物之间的结合程度，进一步增强热界面材料的导热性能与力学性能。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处，提供了一种在在垂直方向上具有较高热导率的热界面复合材料，加强了与聚合物的结合力，具有一定的柔韧性，可作为电子器件与散热器之间的界面散热垫片。

为了实现上述目的，设计一种石墨纸/胶黏剂复合导热垫，通过以下技术方案实现：

一种石墨纸/胶黏剂复合导热垫，包括石墨纸，垂直石墨烯，胶黏剂，石墨纸呈卷绕形状，石墨纸层与层之间存在胶黏剂，石墨纸上存在一层垂直石墨烯结构。

上述技术方案中，所述石墨纸的厚度为10～500μm，优选为25～200μm，所述的垂直石墨烯厚度为8～32μm，优选为10～16μm。

上述技术方案中，所述胶黏剂的组分包括环氧树脂、酚醛树脂、糠醛树脂、聚氨酯、丙烯酸树脂、有机硅橡胶中的至少一种，优选为有机硅橡胶，所述的有机硅橡胶包括乙烯基硅油，铂催化剂，含氢硅油。

优选的，所述的乙烯基硅油为双端乙烯基硅油和侧链乙烯基硅油中的至少一种，所述的含氢硅油为双端氢基硅油和单端氢基硅油中的至少一种，所述乙烯基硅油和含氢硅油的粘度为3500～6000mPa S。所述的铂催化剂含量为1000～5000ppm。

其中，所述胶黏剂的制备步骤如下：

S1:将乙烯基硅油、催化剂和含氢硅油混合搅拌3～5min。

S2:混合后将其进行真空处理，真空度为-1.0～-0.01Mpa的条件下静置1h。

其中，导热垫的制备步骤如下：

S1通过等离子体化学气相沉积法在石墨纸表面生长一层垂直石墨烯，所述等离子体化学气相沉积法的功率为400～600W，碳源为甲烷、甲醇、乙烯、乙炔、乙醇其中至少一种，电场为射频电场。

S2：将石墨纸沿着一边卷曲起来，整体为一个柱状，石墨纸层与层之间留有一定的空隙，间距为25～500μm，卷曲后放入固定大小的模具。

S3；将胶黏剂从磨具底部注入，待胶黏剂填充满石墨纸之间的所有空隙，胶黏剂刚好覆盖卷绕物表面停止。随后置于真空度为-0.1～-0.01Mpa的环境中静置0.5～1h。

S4：将浸渍好的模具加入固化，所述固化温度为60～150℃，固化时间为0.5～4h，待胶黏剂固化后，可以将卷曲后的石墨纸固定住。

S5：将固化后的圆柱体水平切割成片材，得到所述的导热垫，所述切割采用线切割、超声切割、刀片切割、或者冷冻切割。所述导热材料厚度为0.2～5mm。

所述石墨纸的厚度为0.01～0.5mm。

本发明同现有技术相比，提供了一种垂直石墨烯改性石墨纸的导热复合材料，使用石墨纸作为基体材料，无需高温处理，制备工艺相对简单，制备成本较低，通过在石墨纸上生长一层垂直石墨烯，可以加强石墨纸与胶黏剂之间的结合强度，因此能够大幅度降低界面热阻，增强了水平方向上的热导率与整体结构的热导率，同时也能够提高材料的整体力学性能，垂直状的结构设计也大幅利用了石墨纸的高导热性能，此外，与胶黏剂使得导热复合材料还具有一定的柔韧性，可填充发热器件与散热器之间的空隙，散热能力大幅度提升。

附图说明

图1为卷曲为圆柱状的热界面层材料的结示意构图。

图2为卷曲为圆柱状的热界面层材料的实际结构图。

参见图1至图2，1为石墨纸，2为胶黏剂，3为垂直石墨烯。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将根据相关附图对本发明作进一步说明。附图给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以用许多不同的形式实现，并不限于本文所描述的实施例。相反，展示这些实施例的目的是为了对本发明公开的内容说明得更详细。

以下为具体实施例部分：

实施例1：

石墨纸厚度为25微米。

垂直石墨烯层的厚度为12微米。

热界面材料由石墨纸与胶黏剂以及生长在石墨纸上的垂直石墨烯层构成，胶黏剂处于石墨纸层与层之间的空隙，空隙间距为25～500μm，通过垂直石墨烯层使得于石墨纸之间紧密贴合，达到填充间隙的目的，同时较少了石墨纸与胶黏剂之间的接触热阻，提高了横向的传热能力以及导热垫的力学性能。

导热垫的具体制备方法如下：

选用石墨纸作为基体。

通过等离子体化学气相沉积法在石墨纸上、下表面生长垂直石墨烯层。

将石墨纸沿着一边卷曲起来，整体为一个柱状，石墨纸层与层之间留有一定的空隙，间距为25～500μm，卷曲后放入固定大小的模具。

配置胶黏剂：选取有机硅橡胶包括乙烯基硅油100份，含量为5000ppm铂催化剂1份，含氢硅油5份。乙烯基硅油为双端乙烯基硅油和侧链乙烯基硅油中的至少一种，含氢硅油为双端氢基硅油和单端氢基硅油中的至少一种，乙烯基硅油和含氢硅油的粘度为3500～6000mPa S。

其中，所述胶黏剂的制备步骤如下：

S1:将乙烯基硅油、催化剂和含氢硅油混合搅拌5min。

S2:混合后将其进行真空处理，真空度为-0.06Mpa的条件下静置1h。

将胶黏剂从模具底部注入，待胶黏剂填充满石墨纸之间的所有空隙，胶黏剂刚好覆盖卷绕物表面停止。随后置于真空度为-0.08Mpa的环境中静置1h。

将浸渍好的模具加热固化，固化温度为80℃，固化时间为2h。

将固化成型的圆柱体水平切割成片材，得到所述热界面材料，所述切割方式采用刀片切割，导热垫片厚度为2mm。

热界面材料的垂直方向热导率控制在150～500W·m

实施例2：

胶黏剂与固化切割步骤与实施例1相同，在生长垂直石墨烯阶段，选取的石墨纸厚度为200μm。

热界面材料的垂直方向热导率控制在50～100W·m

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，但并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述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。