一種鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料的制備方法與流程

本發明屬于散熱材料的制備技術領域，特別是涉及一種鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料的制備方法。

背景技術：

在電子、電氣元件、高功率光學器件的微處理器和集成電路中一般都會產生很高的熱量，如果這些電子元器件產生的熱量超過其允許的范圍，不僅對它們自身性能造成影響，而且可能會對整個系統的性能和穩定造成不可估量的損害，從而引起系統的崩潰。而電子、電氣設備的性能、可靠性和壽命與運行環境的溫度成反比關系。例如，高功率led或液晶模塊中，基板散熱速度的提高可以大大提高它們的光亮度、壽命和運行的穩定性。因此，為了提高電子元器件及其系統的性能和穩定性，延長其使用壽命，降低運行的環境溫度極其重要，這主要依靠散熱器散熱速度的提高。在現有技術中由于鋁基材料具有重量輕(密度為2.7g/cm³)、導熱系數高(熱導率約200w/mk)、抗腐性能好、價格便宜等特點，被廣泛應用于電腦、空調、手機、led照明、通信、整流器，醫療及工業設備等多種散熱領域。但隨著電子產品的不斷更新和性能的提升，對原有散熱材料散熱速度的要求也日益嚴格。

石墨烯是一種超輕、超薄、超強和超大比表面積的準二維材料，面密度約0.77mg/m²，單層石墨烯的厚度約0.34nm，石墨烯的韌性極好，彈性模量為1.0tpa，微觀強度可達30gpa，是傳統鋼材的100多倍，理論比表面積為2630m²/g，而且具有非常高的導電、導熱性能，如電阻率為2×10^-6ω.cm，電子遷移率可達2×10⁵cm²/v.s，在室溫下水平熱導率約為5×10³w/m.k。同時，石墨烯具有高的熱穩定性、化學穩定性以及優異的抗滲透性和抗磨性能。因此，石墨烯在力學、電子學、光學、熱學以及新能源等各領域中都擁有了廣泛的應用前景，尤其在散熱材料的合成應用方面吸引了人們的廣泛關注。

在鋁基材料中適量添加石墨烯或碳納米管，能夠有效地改善其散熱性能、力學性能和電學性能等。在現有技術中石墨烯或碳納米管與鋁基復合材料的合成方法有：1、在鋁基材料表面上涂覆石墨烯或碳納米管散熱涂層；2、固體粉末合成法；3、熔融共煉法等。但是由于石墨烯和碳納米管都較容易團聚，在上述方法制備的復合材料中出現石墨烯和碳納米管分散不均勻或趨向不一致等問題，從而導致降低石墨烯或碳納米管復合材料的散熱效果。除此之外，在第一種方法中石墨烯或碳納米管與金屬基體表面之間往往利用有機涂料來粘接，而一般的有機涂料的導熱系數都很低，不利于散熱性能的提高。后兩種方法是提高鋁基復合材料綜合性能的常用方法，但工藝較復雜，耗時耗能都很大，尤其在第三種方法中高溫燒煉時還可能產生氧化或界面反應等現象而導致材料性能的降低。

技術實現要素：

本發明目的在于針對現有技術中所存在的問題，提出一種鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料的制備方法，該方法制備工藝簡單、節能環保、成本低兼、散熱效果好。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)在無水乙醇溶液中分別放入等量的石墨烯粉末和碳納米管，配成濃度為0.02～0.1mg/ml的石墨烯、碳納米管的混合液，再加入鋁鹽溶液，配成鋁鹽濃度為0.4～4mg/ml的鋁鹽石墨烯、碳納米管混合液，再用超聲波分散3～5h，獲得均勻分散的鋁鹽石墨烯、碳納米管的混合電泳液；

(2)將厚度為0.01～0.1mm的鋁或鋁合金薄片在無水乙醇溶液中超聲5～10分鐘，再用5～8％的稀硝酸中浸泡0.5～1min后用去離子水多次沖洗，晾干之后，作為陰極；

(3)以與所述陰極尺寸相當的石墨片為陽極，將所述陰極和所述陽極一起浸沒于所述鋁鹽石墨烯、碳納米管的混合電泳液中在60～100v/cm的直流電場下進行電泳沉積1～8min；

(4)取出所述陰極，從該陰極一端起多層疊放后用液壓成型機冷壓10～24h制成樣品，其中疊加層數為300層以上，然后將所述陰極的另一端在壓制成型的樣品外面包裹一圈后焊接固定于其側面；

(5)在氮氣氣氛下以450～550℃的溫度退火處理3～5h，自然降溫之后，即可得到所述鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料。

根據本發明的鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料的制備方法，其特征在于，所述石墨烯粉末是由cvd法生長的單層或少層石墨烯，所述石墨烯粉末粒徑為10～30微米，厚度為2nm以下，所述碳納米管是多壁碳納米管，所述多壁碳納米管的長度為5～30微米，直徑為10nm以下，所述石墨烯和碳納米管的沉積厚度為20nm以下。

根據本發明的鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料的制備方法，其特征在于，所述鋁鹽為硝酸鋁或硫酸鋁。

本發明的技術效果

根據本發明的技術方案，能夠提供一種散熱效率高、力學強度大、工藝簡單、節能環保、成本低的鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料及其制備方法。本發明的散熱材料，不含有機物，能夠有效地解決石墨烯和碳納米管在復合材料中的趨向不一致和分布不均勻等問題，而且還能控制石墨烯與碳納米管的沉積厚度，從而大幅度提高傳統金屬散熱材料的散熱系數。采用本發明所提供的鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料，能夠迅速地降低電腦、空調、手機、led照明、通信、整流器，醫療及工業設備的工作環境溫度，提高其散熱效率，延長設備的使用壽命。

附圖說明

圖1為本發明方法所制備的鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料的結構示意圖。

圖2為本發明所提供的鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料的石墨烯、碳納米管復合層表面掃描電子顯微鏡圖。

具體實施方式

以下通過實施例的闡述，對本發明的鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料的制備方法進行詳細說明。

實施例1：

一種鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)在無水乙醇溶液中分別放入等量的石墨烯粉末和碳納米管，配成濃度為0.02mg/ml的石墨烯、碳納米管的混合液，再加入鋁鹽溶液，配成鋁鹽濃度為0.6mg/ml的鋁鹽石墨烯、碳納米管混合液，再用超聲波分散3h，獲得均勻分散的鋁鹽石墨烯、碳納米管的混合電泳液；

(2)將厚度為0.01mm的鋁薄片在無水乙醇溶液中超聲10分鐘，再用5％的稀硝酸中浸泡0.5min后用去離子水多次沖洗，晾干之后，作為陰極；

(3)以與所述陰極尺寸相當的石墨片為陽極，將所述陰極和所述陽極一起浸沒于所述鋁鹽石墨烯、碳納米管的混合電泳液中在100v/cm的直流電場下進行電泳沉積1min；

(4)取出所述陰極，從該陰極一端起多層疊放后用液壓成型機冷壓10h制成樣品，其中疊加層數為3000層以上，然后將所述陰極的另一端在壓制成型的樣品外面包裹一圈后焊接固定于其側面；

(5)在氮氣氣氛下以450℃的溫度退火處理5h，自然降溫之后，即可得到所述鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料。

根據本實施例的鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料的制備方法，其特征在于，所述石墨烯粉末是由cvd法生長的單層或少層石墨烯，所述石墨烯粉末粒徑為30微米以下，厚度為2nm以下，所述碳納米管是多壁碳納米管，所述多壁碳納米管的長度為30微米以下，直徑為10nm以下，所述石墨烯和碳納米管的沉積厚度為20nm以下。

根據本實施例的鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料的制備方法，其特征在于，所述鋁鹽為硝酸鋁。

實施例2：

一種鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)在無水乙醇溶液中分別放入等量的石墨烯粉末和碳納米管，配成濃度為0.08mg/ml的石墨烯、碳納米管的混合液，再加入鋁鹽溶液，配成鋁鹽濃度為0.4mg/ml的鋁鹽石墨烯、碳納米管混合液，再用超聲波分散5h，獲得均勻分散的鋁鹽石墨烯、碳納米管的混合電泳液；

(2)將厚度為0.05mm的鋁薄片在無水乙醇溶液中超聲8分鐘，再用8％的稀硝酸中浸泡1min后用去離子水多次沖洗，晾干之后，作為陰極；

(3)以與所述陰極尺寸相當的石墨片為陽極，將所述陰極和所述陽極一起浸沒于所述鋁鹽石墨烯、碳納米管的混合電泳液中在60v/cm的直流電場下進行電泳沉積8min；

(4)取出所述陰極，從該陰極一端起多層疊放后用液壓成型機冷壓15h制成樣品，其中疊加層數為800層以上，然后將所述陰極的另一端在壓制成型的樣品外面包裹一圈后焊接固定于其側面；

(5)在氮氣氣氛下以500℃的溫度退火處理3h，自然降溫之后，即可得到所述鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料。

根據本實施例的鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料的制備方法，其特征在于，所述石墨烯粉末是由cvd法生長的單層或少層石墨烯，所述石墨烯粉末粒徑為30微米以下，厚度為2nm以下，所述碳納米管是多壁碳納米管，所述多壁碳納米管的長度為5～30微米，直徑為10nm以下，所述石墨烯和碳納米管的沉積厚度為20nm以下。

根據本實施例的鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料的制備方法，其特征在于，所述鋁鹽為硫酸鋁。

實施例3：

一種鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)在無水乙醇溶液中分別放入等量的石墨烯粉末和碳納米管，配成濃度為0.1mg/ml的石墨烯、碳納米管的混合液，再加入鋁鹽溶液，配成鋁鹽濃度為4mg/ml的鋁鹽石墨烯、碳納米管混合液，再用超聲波分散4h，獲得均勻分散的鋁鹽石墨烯、碳納米管的混合電泳液；

(2)將厚度為0.1mm的鋁薄片在無水乙醇溶液中超聲10分鐘，再用6％的稀硝酸中浸泡1min后用去離子水多次沖洗，晾干之后，作為陰極；

(3)以與所述陰極尺寸相當的石墨片為陽極，將所述陰極和所述陽極一起浸沒于所述鋁鹽石墨烯、碳納米管的混合電泳液中在80v/cm的直流電場下進行電泳沉積4min；

(4)取出所述陰極，從該陰極一端起多層疊放后用液壓成型機冷壓24h制成樣品，其中疊加層數為300層以上，然后將所述陰極的另一端在壓制成型的樣品外面包裹一圈后焊接固定于其側面；

(5)在氮氣氣氛下以550℃的溫度退火處理4h，自然降溫之后，即可得到所述鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料。

根據本實施例的鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料的制備方法，其特征在于，所述石墨烯粉末是由cvd法生長的單層或少層石墨烯，所述石墨烯粉末粒徑為10微米以下，厚度為2nm以下，所述碳納米管是多壁碳納米管，所述多壁碳納米管的長度為30微米以下，直徑為10nm以下，所述石墨烯和碳納米管的沉積厚度為20nm以下。

根據本實施例的鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料的制備方法，其特征在于，所述鋁鹽為硝酸鋁。

實施例4：

一種鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)在無水乙醇溶液中分別放入等量的石墨烯粉末和碳納米管，配成濃度為0.08mg/ml的石墨烯、碳納米管的混合液，再加入鋁鹽溶液，配成鋁鹽濃度為0.4mg/ml的鋁鹽石墨烯、碳納米管混合液，再用超聲波分散4h，獲得均勻分散的鋁鹽石墨烯、碳納米管的混合電泳液；

(2)將厚度為0.03mm的鋁薄片在無水乙醇溶液中超聲5分鐘，再用8％的稀硝酸中浸泡0.8min后用去離子水多次沖洗，晾干之后，作為陰極；

(3)以與所述陰極尺寸相當的石墨片為陽極，將所述陰極和所述陽極一起浸沒于所述鋁鹽石墨烯、碳納米管的混合電泳液中在100v/cm的直流電場下進行電泳沉積6min；

(4)取出所述陰極，從該陰極一端起多層疊放后用液壓成型機冷壓20h制成樣品，其中疊加層數為1000層以上，然后將所述陰極的另一端在壓制成型的樣品外面包裹一圈后焊接固定于其側面；

(5)在氮氣氣氛下以500℃的溫度退火處理4h，自然降溫之后，即可得到所述鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料。

根據本實施例的鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料的制備方法，其特征在于，所述石墨烯粉末是由cvd法生長的單層或少層石墨烯，所述石墨烯粉末粒徑為5～30微米以下，厚度為2nm以下，所述碳納米管是多壁碳納米管，所述多壁碳納米管的長度為5～20微米，直徑為10nm以下，所述石墨烯和碳納米管的沉積厚度為20nm以下。

根據本實施例的鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料的制備方法，其特征在于，所述鋁鹽為硝酸鋁。

另外，為了進一步詳細說明本發明所述的鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料的制備方法，在圖1中給出了本發明方法所制備的鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料的基本結構示意圖。如圖1所示，所述鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料為由所述鋁基薄片1和所述石墨烯、碳納米管復合層2相互交替疊加而形成的多層復合結構。要說明的是，圖1僅僅表示材料基本結構，而不表示實際尺寸和比例，在實際材料中所述石墨烯、碳納米管復合層2比圖1中的更薄。圖2中給出了本發明所述的鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料的沉積于鋁基薄片上的所述石墨烯、碳納米管復合層表面的掃描電鏡圖。可以看出，所述石墨烯3幾乎都向水平方向覆蓋于鋁基襯底表面，并且相互之間通過鋁納米顆粒5或碳納米管4或直接連接得非常緊密，然后所述碳納米管4基本上都平躺在所述石墨烯3表面上，而且在所述石墨烯3和所述碳納米管4表面上覆蓋有許多鋁納米顆粒5。表明，在本發明的復合散熱材料中所述石墨烯3和所述碳納米管4在水平方向上已經有了很好的趨向，在后期的壓制成型和燒結過程中，覆蓋在石墨烯3或碳納米管4表面上的鋁納米顆粒5在各疊層之間起非常好的連接作用。因此，用此方法制備的鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料，與未參入石墨烯3和碳納米管4之前的鋁基材料相比，其力學性能和導電導熱性都會大幅度提高。

除此之外，本發明的鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料，可以向垂直于疊加方向切割出不同厚度的片狀散熱器，其縱向散熱系數可達鋁合金的3～6倍，也可以利用不同造型的模具來重新壓制成不同形狀的散熱器，其散熱率和力學強度都高于普通鋁合金材料。

在以上實施例中描述了幾種鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料的制備方法，而本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的鋁基石墨烯、碳納米管復合散熱材料的制備原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。