一种具有各向同性导热率的热界面材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及属于材料领域，具体涉及一一种具有各向同性导热率的热界面材料及其制备方法。

背景技术

随着电子封向着微型化、集成化、智能化方向发展，电子器件内部单位面积的功率密度也急剧上升。如果电子产品工作时产生的热量无法及时排出，会极大的影响芯片的工作性能和使用寿命，高效的热管理设计是解决这一问题的关键，其核心是制备高垂直方向热导率的热界面材料填充于热源和热沉之间，降低界面热阻，使热量能够快速由热源向热沉传递。目前，商用热界面材料的导热填料含量在50-90wt％，导热率通常低于10W/mK，此类传统热界面材料已经难以满足散热需求。因此，亟需开发新型热界面材料用以解决随着半导体器件快速发展而带来的不断增长的热管理问题。

二维片层材料如石墨烯具有优异的导热率(1000-5000W/mK)被认为是一种极具可塑性和开发潜力的热界面材料。然而，作为一种典型的二维片层材料，石墨烯的超高导热率仅仅表现在面内方向，其在面外方向的导热率小于3W/mK。如何将水平方向高导热性能转变成为宏观组装体垂直方向的性能，是解决热界面材料纵向传热需求的关键。研究表明，作为热界面材料，在满足高纵向导热率的同时，还需要良好水平方向快速散热性能，以便降低热界面材料与接触面间的界面热阻，有利于充分发挥作为热界面材料的快速热传导功能。

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有各向同性导热率的热界面材料，主要由二维纳米片构成，纳米片竖直取向，且在平面方向呈辐射状分布，该结构不仅在纵向具有高导热率，在平面方向也有利于充分发挥二维片层的面内高导热的优势，提升在平面方向导热率。该热界面材料在垂直方向导热率50-200W/mK，水平方向导热率20-200W/mK。

适用于本发明的纳米片包括但不限于：氧化石墨烯、氧化石墨、膨胀石墨、可膨胀石墨、鳞片石墨、氮化硼等、氧化铝、氧化镁、氮化铝中的一种或多种。

本发明还提供具有各向同性的热界面材料的制备方法，主要是利用微针剪切实现纳米片胶体分散液的高精度排列和取向调控。具体步骤如下：

(1)配置二维纳米片分散液，分散液浓度为10-300mg/g。

(2)将二维纳米片分散液均匀涂覆在基底上，使用一微针以平面某一点为圆心向外滑动，形成辐射状的若干划痕，划痕等角度分布。

(3)转移到冷冻干燥机内，干燥后，得到三维组装体。

进一步地，所述基底包括但不限于PET、PMMA、玻璃。

进一步地，步骤2中，相邻划痕的角度为0.01～1°。

进一步地，微针的直径为10um-500um。

进一步地，所述二维纳米片为氧化石墨纳米片，厚度为0.01-10um，片径为10um-300um。

为了提高氧化石墨的热性能，还可以包括如下步骤：

a)将三维组装体浸渍在聚酰亚胺溶液(溶剂DMAC)中，使溶液充分填充组装体空隙(通常可以采用真空浸渍的手段)；取出干燥，得到复合三维组装体。

b)将复合三维组装体放置于管式炉中，在高纯氩(99.999％)保护下升温，先以5℃/min的升温速率从室温升温至300℃，保温1h，再以2℃/min的升温速率升温到1200℃，保温1h，得到初步碳化的组装体。

c)然后以10℃/min的升温速率从室温升到1500℃，继续以2℃/min的升温速率升到3000℃，保温1h，进行石墨化，最后得到三维交联的垂直取向石墨烯热界面材料。

进一步地，聚酰亚胺溶液中的浓度为3wt％-20wt％。

本发明的有益效果：1.本发明以氧化石墨纳米片制备石墨烯热界面材料，价格低廉，工艺简单，适合大规模连续化生产，适合工业放大应用。

2.通过微针剪切制备具有高度垂直取向的热界面材料，该发明本质上是一种针对低维纳米材料微观结构调控的普适性方法，除了碳基热界面材料的制备，对其他二维材料的宏观组装具有显著的效果，比如氮化硼等等。

3.本发明设计的辐射状结构，在水平方向充分发挥了二维片层材料平面内的优异导热性能，不仅在纵向高导热同时水平方向快速均热，在热界面材料领域具有极大应用前景。

附图说明

图1为本发明的三维辐射状结构示意图：二维纳米片垂直取向，在平面方向呈放射状分布。

图2为实施例1中氧化石墨纳米片的表面和断面扫描电镜图SEM：图2a是氧化石墨纳米片的上表面；图2b氧化石墨纳米片的纵截面。虚线表示二维片层取向方向。

图3为实施例2中氧化石墨纳米片的表面和断面扫描电镜图SEM：图3a是氧化石墨纳米片的上表面；图3b氧化石墨纳米片的纵截面。

图4为实施例3中氧化石墨纳米片的表面和断面扫描电镜图SEM：图4a是氧化石墨纳米片的上表面；图4b氧化石墨纳米片的纵截面。

图5为实施例4中氧化石墨纳米片的表面和断面扫描电镜图SEM：图5a是氧化石墨纳米片的上表面；图5b氧化石墨纳米片的纵截面。

图6为从一圆心向外按照放射状图案滑动的示意图。

具体实施方式

下面给出本发明的实施例，是对本发明的进一步说明。而不是限制本发明的范围。

实施例1

将100mg/g的氧化石墨纳米片(片径50-100um，厚度0.5um)胶体分散液平铺在PET基底上，利用微针从一圆心向外按照放射状图案滑动，设置滑动半径2cm，相邻划痕角度为0.5度，直至划痕布满整个圆形区域。将样品快速冷冻，然后在冷冻干燥机中冻干，得到放射状氧化石墨烯纳米片组装体。

将氧化石墨三维组装体真空浸渍在聚酰亚胺酸溶液(12wt％)中，2h，取出，置于叔丁醇溶液中置换72h，取出干燥后得到氧化石墨/聚酰亚胺复合三维组装体。

将制备好的氧化石墨/聚酰亚胺复合三维组装体放置于管式炉中，在高纯氩(99.999％)保护下升温，先以5℃/min的升温速率从室温升温至300℃，保温1h，再以2℃/min的升温速率升温到1200℃，保温1h，得到初步碳化的组装体。碳化的组装体置于高温炉内，以10℃/min的升温速率从室温升到1500℃，然后以2℃/min的升温速率升到3000℃进行石墨化，最后石墨化的三维交联的纯碳材料样品具有各向同性的导热率。利用LFA476激光闪射仪测试其纵向导热率为75W/mK，横向导热率为46W/mK。

实施例2

将150mg/g氧化石墨胶体分散液(氧化石墨：氧化石墨烯＝8:2，质量比)，其中氧化石墨纳米片(片径50-100um，厚度0.5um)和氧化石墨烯(片径10-50um，厚度0.9nm)，将胶体分散液平铺在PET基底上，利用微针从一圆心向外按照放射状图案滑动，设置滑动半径1cm，相邻划痕角度为0.2度，直至划痕布满整个圆形区域。将样品快速冷冻，然后在冷冻干燥机中冻干，得到放射状氧化石墨烯纳米片组装体。

将氧化石墨三维组装体浸渍在聚酰亚胺酸溶液(12wt％)中，2h，取出，置于叔丁醇溶液中置换72h，取出干燥后得到氧化石墨/聚酰亚胺复合三维组装体。

将制备好的氧化石墨/聚酰亚胺复合三维组装体放置于管式炉中，在高纯氩(99.999％)保护下升温，先以5℃/min的升温速率从室温升温至300℃，保温1h，再以2℃/min的升温速率升温到1200℃，保温1h，得到初步碳化的组装体。碳化的组装体置于高温炉内，以10℃/min的升温速率从室温升到1500℃，然后以2℃/min的升温速率升到3000℃进行石墨化，最后石墨化的三维交联的纯碳材料样品具有各向同性的导热系数。利用LFA476激光闪射仪测试其纵向导热率为114W/mK，横向导热率为73W/mK。

实施例3

将80mg/g氮化硼(BNNs)胶体分散液平铺在PET基底上，利用微针从一圆心向外按照放射状图案滑动，设置滑动半径1cm，相邻划痕角度为0.2度，直至划痕布满整个圆形区域。将样品快速冷冻，然后在冷冻干燥机中冻干，得到放射状BNNs组装体。利用LFA476激光闪射仪测试其纵向导热率为59W/mK，横向导热率为21W/mK。

实施例4

将80mg/g鳞片石墨/氧化石墨(质量分数鳞片石墨：氧化石墨＝5:5)胶体分散液平铺在PET基底上，其中鳞片石墨(平均片径80um，厚度1-10um)和氧化石墨纳米片(片径50-100um，厚度0.1um)利用微针从一圆心向外按照放射状图案滑动，设置滑动半径3cm，相邻划痕角度为0.4度，直至划痕布满整个圆形区域。将样品快速冷冻，然后在冷冻干燥机中冻干，得到放射状鳞片石墨/氧化石墨组装体。

将复合三维组装体浸渍在聚酰亚胺酸溶液(12wt％)中，2h，取出，置于叔丁醇溶液中置换72h，取出干燥后得到氧化石墨/聚酰亚胺复合三维组装体。

将制备好的氧化石墨/聚酰亚胺复合三维组装体放置于管式炉中，在高纯氩(99.999％)保护下升温，先以5℃/min的升温速率从室温升温至300℃，保温1h，再以2℃/min的升温速率升温到1200℃，保温1h，得到初步碳化的组装体。碳化的组装体置于高温炉内，以10℃/min的升温速率从室温升到1500℃，然后以2℃/min的升温速率升到3000℃进行石墨化，最后石墨化的三维交联的纯碳材料样品具有各向同性的导热率。利用LFA476激光闪射仪测试其纵向导热率为59W/mK，横向导热率为21W/mK。