一种高导热石墨烯膜和制备方法与流程

本发明涉及石墨烯膜制备技术领域，特别是涉及石墨烯散热膜制造方法。

背景技术：

随着信息技术快速发展，芯片功耗日益增加，热量的快速导出对芯片能否正常运行将起到决定性作用，高效率、低成本的热量管理解决方案至关重要。而随着集成电路高度集成化、耐用消费电子产品日趋轻薄和柔性化，采用具有高导热能力的散热薄膜将逐渐成为实现电子元器件高效率热量管理的有效手段。

固体热传导理论认为,材料的导热性能同时取决于材料的电子热传导和声子热传导能力。电子热传递理论认为，一个材料的导电性越高,导热系数就越高，例如银是电阻最小的金属，也是导热最好的金属材料;根据声子传热理论,材料的硬度越高,弹性系数越大,导热系数就越好，例如金刚石是硬度最大，导热最好的非金属材料。

单层石墨烯具有极低的电阻，在层内具有极其优异的热性能，符合电子热传递理论。单层石墨烯的层内热导率理论值高达6000w/mk，而实际实验测得的单层和多层石墨烯的层内热导率分别在5000w/mk和3000w/mk左右。但是，单层石墨烯非常的薄，无法单独在生活中使用。如果把单层石墨烯片简单的叠放在一起，各层片之间的碳原子之间并不具有sp²杂化的c-c健结构，而且各层之间还存在大量的空气，极大的限制了其垂直方向导热能力，导致垂直导热系数一般都在个位数。很多发明中都提到采用热压法制备石墨烯膜，但是由于石墨烯本身熔点高达3000多度，而且又有极高的屈服强度，不但无法让石墨烯层熔化结合在一起，而且热压压力去掉以后仍然会反弹，导致石墨烯片层间充满空气，极大的影响了石墨烯膜的垂直方向导热能力。

常州富烯科技公司，申请号为2020102487563（导热膜、导热垫片及制备方法）的专利，提出了采用模具垂直膜方向压制石墨烯膜，形成三维的横向凸凹结构，然后在其中填充导热材料的方法，制得的石墨烯散热膜，具有较好的横向传热效果（垂直于膜方面导热系数最大52w/mk）。但是，其垂直膜的方向导热系数比铜的导热系数低了8倍，而且制备具有纳米级结构的碾压模具也并不容易，并且石墨烯本身强度是钢铁的200倍，采用压力让其变形，难度也很大。

放电等离子烧结（sparkplasmasintering，简称sps）又称“等离子活化烧结”（plasmaetivatedsintering，简称pas）是采用高达上万摄氏度的电弧瞬间融化高熔点物质，制备功能材料的一种技术，它具有升温速度快、烧结时间短、组织结构可控、节能环保等鲜明特点，可用来制备金属材料、陶瓷材料、复合材料，也可用来制备纳米块体材料、非晶块体材料、梯度材料等。

针对上述几大关键问题，本发明提出了构建高导热石墨烯膜的新方法。

技术实现要素：

一种高导热石墨烯膜和制备方法，其原理为：采用高导热材料纳米级薄片（例如铜、银等金属或碳化硅类非金属材料）填充在石墨烯片层中间，并与石墨烯片紧密结合，不但可以减少石墨烯片层之间的空气，提高石墨烯单位厚度石墨烯片层数量，从而提高水平导热能力，同时可以加强石墨烯片层间的声子传热，从而提升垂直于石墨烯膜方向的导热能力。

根据上述发明的原理，一种高导热石墨烯膜和制备方法包括下面三个步骤。

1、电镀金属：取三维石墨烯厚膜，放入金属离子电镀液中，进行电镀，在石墨烯片上镀上金属（铜或银类高导热材料），并控制电镀时间，得到需要的电镀金属层厚度。

2、表面贴敷：取适当厚度光滑铜箔（或其他高导热材料膜）两张，分别贴敷在电镀好的石墨烯厚膜两面。

3、热压处理：把贴敷了铜箔（或其他材料）的三维石墨烯厚膜，放入真空热压机上或等离子烧结机上，加压加热并保温一定时间后，自然冷却即可。

作为优选，所述电镀金属中，金属离子可以是一种或多种金属离子，形成电镀合金层，制备出具有特殊功能的复合材料。

作为优选，所述表面贴敷中，采用高绝缘性高导热材料薄膜，比如氧化铝膜、金刚石膜、云母膜，可以获得具有高导热性的绝缘散热膜。

作为优选，所述热压处理中，采用滚动碾压压延的方式，可以最大程度的排除石墨烯片层间的空气，获得好的导热效果。

做为次选，所述制备过程还可以为先在石墨烯片上镀铜，然后把镀铜的石墨烯片加热到铜的熔点以上，然后热压成型或等离子加压烧结，然后冷却获得。

附图说明

图1是本发明电镀铜后的三维石墨烯泡沫sem图。

图2是本发明成品膜截面结构sem图。

具体实施方式

根据本发明的原理，一种高导热石墨烯膜和制备方法实例如下：

实例1

采用模板法或冷冻法制备三维石墨烯，并控制密度小于小于0.2克/立方厘。把厚度2毫米三维石墨烯泡沫做为阴极，放入10g/l浓度的硫酸铜电镀液中，控制电流密度0.2-0.5a/dm2、ph值8、温度30℃的工艺条件下,电镀时间在1-10分钟之间，在三维石墨烯表面形成3-30纳米厚度的铜镀层。

把镀铜后的石墨烯泡沫放入等离子烧结机中，通入氢气或惰性气体排除空气，加压到1吨，然后快速升温至铜的熔点以上（1084摄氏度），并加压到2吨保持20秒以上时间，让液态铜充分的填充到石墨烯片之间的空隙中并排除其中的空气，然后自然降温冷却至室温，即可得到厚度在50微米-100微米的石墨烯膜。由于石墨烯片层间大量的空气被纳米级铜层所取代，垂直于石墨烯膜方向导热系数超过了铜的导热系数401w/mk，最高达到了626w/mk，可以理解为三维石墨烯网络对铜导热性能的增强作用。由于铜片层和石墨烯片层间具有很好的粘接作用，使得单位厚度的石墨烯层数量比普通的热压法制备的石墨烯膜片层数量提高了1倍以上，其片内水平导热系数最高达到了3373w/mk，约为普通热压法制备的石墨烯膜的2倍，也与理论分析计算相吻合。

上描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明原理的一种应用情况，在不脱离本发明原理的前提下，仅仅改变工艺环节的先后顺序，或者合并、分解不同的工艺环节，调整参数等，这些基于本原理的变化和改进都属于本发明的范围。

技术特征：

1.一种高导热石墨烯膜和制备方法，其原理为：采用高导热材料纳米级薄片（例如铜、银等金属或碳化硅类非金属材料）填充在石墨烯片层中间，并与石墨烯片紧密结合，不但可以减少石墨烯片层之间的空气，提高石墨烯膜单位厚度石墨烯片层数量，从而提高水平导热能力，而且加强了石墨烯片层间的声子传热，从而提升了垂直于石墨烯膜方向的导热能力。

2.根据权利要求1所述的一种高导热石墨烯膜和制备方法，其特征是包括下面三个步骤：

（1）电镀金属：取三维石墨烯厚膜，放入金属离子电镀液中，进行电镀，在石墨烯片上镀上金属（铜或银类高导热材料），并控制电镀时间，得到需要的电镀金属层厚度；

（2）表面贴敷：取一定厚度的光滑铜箔（或其他高导热材料膜）两张，分别贴敷在电镀好的石墨烯厚膜两面；

（3）热压处理：把贴敷了铜箔（或其他材料）的三维石墨烯厚膜，放入真空热压机上或等离子烧结机上，加压加热并保温一定时间后，自然冷却即可。

3.根据权利要求2所述的电镀金属，其特征是金属可以是一种或多种金属离子，形成电镀合金层，制备出具有特殊功能的复合材料。

4.根据权利要求2所述的表面贴敷，其特征是还可以采用高绝缘性高导热材料薄膜，比如氧化铝膜、金刚石膜、云母膜，可以获得具有高导热性的绝缘散热膜。

5.根据权利要求2所述的热压处理，其特征是采用滚动碾压的方式是优选方法，可以最大程度的排除石墨烯片层间的空气。

6.根据权利要求1所述的一种高导热石墨烯膜和制备方法，其特征是次选的制备过程为先在石墨烯片上镀铜，然后把镀铜的石墨烯片加热到铜的熔点以上，然后热压成型或等离子加压烧结，然后冷却获得。

7.上述权利要求项1-6之一或组合应用到石墨烯膜制备的方法。

技术总结
一种高导热石墨烯膜和制备方法，其原理为：采用高导热材料纳米级薄片（例如铜、银等金属或碳化硅类非金属材料）填充在石墨烯片层中间，并与石墨烯片紧密结合，不但可以减少石墨烯片层之间的空气，提高单位厚度石墨烯片层数量，从而提高水平导热能力，而且可以加强石墨烯片层间的声子传热，从而极大提升了垂直于石墨烯膜方向的导热能力。

技术研发人员：孙备宽;王晓东
受保护的技术使用者：银河之星成都新能源有限公司
技术研发日：2021.02.23
技术公布日：2021.05.07