一種石墨烯散熱裝置及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及電子元器件散熱技術領域，尤其涉及一種石墨烯散熱裝置及其制備方 法。
【背景技術】
[0002] 隨著電子器件微型化的飛速發展，尤其突顯的是電子線路板上的元器件日益密 集，使得電子產品表面溫度也在升高，電子產品的熱量管理成為產品設計的重要課題。隨著 大屏幕觸控電子設備的出現，消費電子產品也開始全新的設計方向，更小尺寸、更薄的設計 越發流行。2G、3G手機、平板電腦、電子書、筆記型電腦等，該類電子設備密集的元器件帶來 產品內部溫度的快速升高，而元器件也迫切需要一個相對低溫的環境才能可靠的運行，這 是散熱系統需要解決的問題。
[0003] 傳統散熱片大多都是用鋁或者銅-鋁作為散熱材料，銅面可以極速傳熱，熱量通過 銅面的傳導在平面上迅速擴散，然后通過整個面將熱傳導至散熱殼體再散發出去，以此達 到散熱效果。但是，即使銅在工業界中作為傳熱材料被廣泛應用，它的熱傳導率也只有 400W/(m ? K)。石墨烯材料因其單原子厚度的二維晶體結構和獨特的物理特性成為近年來 的研究焦點。就石墨稀而目，具有突出的導熱性能以及超常的比表面積，是理想的尚功率電 子器件散熱材料。
[0004] 中國專利(公開號為CN103107147A)公布了一種表面覆有石墨烯薄膜的散熱器。該 專利提供的散熱器利用石墨烯的導熱性，將熱量迅速在散熱器表面進行熱傳播，使發熱器 件的溫度降低。但是，該專利主要是將獨立制得的石墨烯薄膜或含有石墨烯薄膜的載體，以 背膠或其它物理固定方法固定于散熱器表面，而石墨烯薄膜與散熱器間的背膠、載體層或 其它物理固定方法，使得熱源所產生的熱能的傳送受制于有限的導熱界面，散熱功效相當 有限。
[0005] 另一中國專利（公開號為CN102964972A)公布了一種含石墨烯或氧化石墨烯的復 合強化散熱涂料及其制備方法。該專利的散熱涂料是采用回流法將石墨烯或氧化石墨烯包 裹于紅外線發射粉體表面，利用石墨烯或氧化石墨烯較高的導熱系數來降低紅外顆粒的熱 阻，從而提高其紅外發射率。但是，該專利還存在如下缺陷:石墨烯在粉體中的接觸性能不 佳，無法大幅降低紅外顆粒接口間所產生的熱阻，散熱效率不理想，而且所制成的涂料在使 用時需要均勻分散至特定溶劑中，再涂布到目標對象的表面上，并以加熱或自然揮發的方 式移除其中的溶劑，使得最終散熱涂層中的涂料本身接觸性不佳，尤其是整個處理工序會 在溶劑逸散時導致可能危害到人體及環境的環保、安全問題。
【發明內容】
[0006] 針對現有技術之不足，本發明提供了一種石墨烯散熱裝置，所述散熱裝置包括一 散熱層和一基板，所述基板為至少具有第一表面和與所述第一表面相對的第二表面的二維 或三維結構，設置于所述第一表面的散熱層是由多孔石墨烯與至少一種聚合物和/或聚合 物單體形成的復合物構成，在所述第二表面設置有至少包含第一膜層、第二膜層、第三膜 層、第四膜層和第五膜層的多層結構;其中所述第一膜層由50~60%的碳化硅、20~30%的 三氧化二鋁、5~15 %的二氧化硅、5~20 %的粘結劑、10~20 %的高嶺土、1~1.5 %的氧化 鎂、1~1.5%的輕質鈣和0.3~0.4%的稀土氧化物制成，所述第一膜層通過制備成陶瓷材 料以將所述基板上的熱量傳遞到所述第二膜層，并且具有絕緣耐熱性，所述第二膜層由70 ~90%的石墨稀、0.1~15%的碳納米管和0.1~15%的納米碳纖維制成，所述第二膜層通 過碳納米管和納米碳纖維形成散熱通道以將傳遞到所述第二膜層的熱量傳遞到所述第三 膜層，所述第三膜層由90~95%的銅、2~4.5%的鋁、0.1~0.3%的鎳、0.1~0.4%的錳、 0.1~0.3 %的鈦、0.1~0.3 %的鉻和0.1~0.3 %的釩制成，所述第三膜層通過銅的高導熱 性將傳遞到所述第三膜層的熱量均勻分散以避免所述第二膜層和所述第三膜層之間局部 過熱，所述第四膜層由40~45%的銅、42~48%的鋁、0.2~0.7%的鎂、0.2~0.7%的鐵、 0.2~0.5%的錳、0.1~0.3%的鈦、0.05~0.1 %的鉻和0.1~0.3%的釩制成，所述第四膜 層通過銅鋁合金將傳遞到所述第四膜層的熱量均勻分散以避免所述第三膜層和所述第四 膜層之間局部過熱，所述第五膜層由20~35 %的石墨，15~25 %的碳纖維、30~50 %的聚酰 胺、10~20 %的水溶性硅酸鹽、1~5 %的六方氮化硼、2~4 %的雙馬來酰亞胺、0.5~2 %的 硅烷偶聯劑和0.25~1 %的抗氧劑制成，所述第五膜層通過水溶性硅酸鹽、石墨、碳纖維和 聚酰胺發生共聚反應形成散熱通道以將傳遞到所述第五膜層的熱量散失在外界空氣中，同 時，由有機材料制成的所述第五膜層具有表面保護性能，所述第一膜層、所述第二膜層、所 述第三膜層、所述第四膜層和所述第五膜層各組分的百分含量之和為100%，并且，所述第 一膜層、所述第二膜層、所述第三膜層、所述第四膜層和所述第五膜層的厚度比為1~1.5:8 ~12:5~7:6~10:2~2.5,所述第一膜層、所述第二膜層、所述第三膜層、所述第四膜層和 所述第五膜層通過使用導熱系數不同的材料制成不同的厚度以采用梯度傳熱的方式將所 述基板上的熱量傳遞至外界空氣中。
[0007] 根據一個優選實施方式，所述第一膜層、所述第二膜層、所述第三膜層、所述第四 膜層和所述第五膜層相鄰的兩個膜層之間設置有嵌齒和嵌槽結構以使所述相鄰的兩個膜 層固定，或者，所述相鄰的兩個膜層之間設置有卡扣和卡槽結構以使所述相鄰的兩個膜層 固定，并且，所述第一膜層和所述第二膜層間設置有第一粘合層，所述第二膜層和所述第三 膜層間設置有第二粘合層，所述第三膜層和所述第四膜層間設置有第三粘合層，所述第四 膜層和所述第五膜層間設置有第四粘合層，由在有機硅樹脂中添加納米氧化鋁顆粒制得的 粘合材料形成的所述第一粘合層、所述第二粘合層、所述第三粘合層和所述第四粘合層能 夠填充所述相鄰的兩個膜層之間的縫隙并通過粘合進一步固定所述相鄰的兩個膜層，并 且，所述第一粘合層、所述第二粘合層、所述第三粘合層和所述第四粘合層中的納米氧化鋁 顆粒的含量依次降低以采用梯度傳熱的方式將所述第一膜層上的熱量傳遞至所述第五膜 層。
[0008] 根據一個優選實施方式，所述基板為金屬材料、合金材料、金屬填料填充型聚合物 材料、金屬氧化物或金屬氮化物填料填充型聚合物材料、無機填料填充型聚合物材料中的 一種，其中，所述金屬材料為鋁、銅、鈦、銀、錫、鐵中的一種;所述合金材料為鋁、銅、鈦、銀、 錫、鐵中的至少兩種金屬組成的合金;所述金屬填充型聚合物材料為銀、銅、錫、鋁、鎳、鐵中 的至少一種填充到HDPE樹脂、環氧樹脂、聚氯乙烯和聚丙烯中的一種制得的導熱復合材料； 所述金屬氧化物或金屬氮化物填充型聚合物材料為三氧化二鋁、氧化鎂、氧化鈹和氮化鋁 中的至少一種填充到聚乙烯或聚丙烯制得的導熱復合材料;所述無機填料填充型聚合物材 料為石墨、陶瓷、碳纖維、碳納米管、炭黑中的至少一種填充到聚乙烯或聚丙烯制得的導熱 復合材料。
[0009] 根據一個優選實施方式，所述金屬填充型聚合物材料為鋁粉填充HDPE樹脂制得的 導熱復合材料、銅粉填充環氧樹脂制得的導熱復合材料、鎳粉填充聚氯乙烯制得的導熱復 合材料或鋁粉填充聚丙烯制得的導熱復合材料;所述金屬氧化物或金屬氮化物填充型聚合 物材料為氧化鋁纖維填充聚乙烯制得的導熱復合材料、硅酸鋁纖維填充聚乙烯制得的導熱 復合材料、氧化鋁纖維填充聚丙烯制得的導熱復合材料或硅酸鋁纖維填充聚丙烯制得的導 熱復合材料;所述無機填料填充型聚合物材料為石墨和碳纖維填充到聚乙烯制得的導熱復 合材料。
[0010] 根據一個優選實施方式，所述多孔石墨烯與至少一種聚合物和/或聚合物單體形 成的復合物是由90~99%的多孔石墨烯和1~10%的聚合物和/或聚合物單體采用單螺桿 或雙螺桿熔融的方式復合而成的彈性體、液態、粉末狀、塑料或粘流體，其中，所述多孔石墨 烯的層數為1~100層，所述多孔石墨烯的比表面積為1800~3000m 2/g，所述多孔石墨烯的 孔洞直徑為1~l〇〇nm，所述聚合物為聚吡略、聚噻吩、環氧樹脂、聚乙稀、聚丙稀、聚氯乙稀、 聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酸、酚醛樹脂、聚甲基丙烯酸 甲酯、聚酰胺、橡膠樹脂、聚乙二醇、聚碳酸酯和聚酰亞胺中的一種或多種。
[0011] 根據一個優選實施方式，所述多孔石墨烯按如下方式制備:將兩種或兩種以上不 同尺寸的鱗片石墨粉混合后在氧化劑的作用下得到氧化石墨烯并將所述氧化石墨烯洗滌 至pH為中性后烘干;將所述氧化石墨烯在600~1000°C下采用熱膨脹處理10~60s，或者將 所述氧化石墨烯在600~1500W下采用微波膨脹處理10~30s后得到石墨烯，并對所述石墨 烯進行球形化處理得到石墨烯球形團聚體;將所述石墨烯球形團聚體與第一活化劑混合后 在400~800°C下加熱0.5~4h進行第一次造孔后得到微孔石墨烯，并對所述微孔石墨烯進 行球形化處理得到微孔石墨烯球形團聚體;將所述微孔石墨烯球形團聚體用混酸在60~ 120 °C處理1~12h并用去離子水洗滌至pH為中性后，再與第二活化劑混合并在600~1000°C 下加熱4~48h進行第二次造孔后得到多孔石墨烯，并對所述多孔石墨烯進行球形化處理。
[0012] 根據一個優選實施方式，所述第一活化劑為氫氧化鉀、氫氧化鈉或氯化鋅，并且所 述石墨烯球形團聚體與所述第一活化劑的重量比為10~20:1，所述第二活化劑為氫氧化 鉀、氫氧化鈉或氯化鋅，并且所述微孔石墨烯球形團聚體與所述第二活化劑的重量比為1:2 ~6 〇
[0013] 根據一個優選實施方式，所述混酸是由濃硫酸與濃硝酸按照體積比為2~4:1組 成，并且，用所述混酸處理所述微孔石墨烯球形團聚體時的用量為每lg微孔石墨烯球形團 聚體消耗的混酸為10~30mL。
[0014]根據一個優選實施方式，所述散熱裝置還包括設置在所述第五膜層表面的多個散 熱翅片，所述散熱翅片由80~95 %的鋁、0.2~1.5 %的硅、0.05~1.2 %的銅、0.3~1.8 %的 錳、0.03 ~0.3% 的鈦、0.1~1.0% 的鐵、0.03 ~0.3% 的鉻、0.2~1.0% 的鋅、0.03 ~0.3% 的鋯組成，各組分的百分含量之和為100%，并且，每一所述散熱翅片還延伸設置有總面積 為所述散熱翅片面積的6 0~9 5 %的多個散熱鰭片，所述散熱鰭片與所述散熱翅片的材質相 同并且采用一體成型的方式制得。
[0015] 本發明還提供了一種石墨烯散熱裝置的制備方法，所述方法包括如下步驟：
[0016] 將至少具有第一表面和與所述第一表面相對的第二表面的二維或三維結構的基 板清洗后晾干備用；將多孔石墨烯與至少一種聚合物和/或聚合物單體形成的復合物涂覆 于所述基板的第一表面以形成散熱層，并對涂覆有所述復合物的基板進行熱壓以使所述散 熱層致密化;在所述第二表面設置至少包含有第一膜層、第二膜層、第三膜層、第四膜層和 第五膜層的多層結構，其中，所述第一膜層由50~60%的碳化硅、20~30%的三氧化二鋁、5 ~15 %的二氧化硅、5~20 %的粘結劑、10~20 %的高嶺土、1~1.5 %的氧化鎂、1~1.5 %的 輕質鈣和0.3~0.4%的稀土氧化物制成，所述第一膜層通過制備成陶瓷材料以將所述基板 上的熱量傳遞到所述第二膜層，并且具有絕緣耐熱性，所述第二膜層由70~90%的石墨烯、 0.1~15 %的碳納米管和0.1~15 %的納米碳纖維制成，所述第二膜層通過碳納米管和納米 碳纖維形成散熱通道以將傳遞到所述第二膜層的熱量傳遞到所述第三膜層，所述第三膜層 由90~95%的銅、2~4.5%的鋁、0.1~0.3%的鎳、0.1~0.4%的錳、0.1~0.3%的鈦、0.1 ~0