一种阳极电泳漆介导电化学组装石墨烯散热层及制备方法

1.本发明属于散热材料技术领域，具体涉及一种阳极电泳漆介导电化学组装石墨烯散热层及制备方法。


背景技术：

2.随着微电子加工工艺的进步，高度集成化和小型化的电子器件对传统的散热技术提出新挑战。目前最常见的电子散热器是具有强导热能力的金属散热器(铜及铝基散热器)。其通过制备密齿结构的方式增加散热面积提高散热能力。然而，这种散热方式不仅增加了电子设备的重量，还对使用空间提出了更高的要求。
3.石墨烯材料具有较高的热导率、热辐射发射率以及结构稳定性，常被用作金属散热器的散热改性涂层。其中石墨烯一般是作为导热填料与聚合物基体进行复合形成涂料，随后涂覆在散热器表面。然而，复杂的聚合物结构、弱结合力以及纳米碳材料的非均匀分布都严重影响其实际的散热效果。
4.此外，石墨烯散热涂层中的石墨烯结构大多是水平取向的，由层间弱范德华相互作用堆叠在一起。由于石墨烯热导率的各向异性，水平取向的石墨烯的面外热传递性能比三维结构石墨烯差。然而，目前三维结构石墨烯的制备通常要求复杂的仪器装置或额外的转移过程。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种阳极电泳漆介导电化学组装石墨烯散热层及制备方法。本发明所述石墨烯散热层，散热效率高、与基底结合力强，制备方法操作简单。
6.本发明所采用的技术方案为：
7.一种阳极电泳漆介导电化学组装石墨烯散热层的制备方法，包括以下步骤：
8.(1)配制电解液
9.取阳极电泳漆，加入到氧化石墨烯水溶液中，充分混匀，得到电解液；
10.(2)制备石墨烯散热层
11.取基底放入所述电解液中，利用电化学方法对基底进行阳极沉积组装，在基底上沉积制得石墨烯散热层；
12.(3)后处理
13.将步骤(2)沉积有石墨烯散热层的基底先进行冷冻干燥，再进行热还原处理，即得所述阳极电泳漆介导电化学组装石墨烯散热层。
14.步骤(1)中，所述阳极电泳漆为丙烯酸、聚丁二烯中的一种或两种的混合物。阳极电泳漆的加入一方面能够调控产物三维形貌，另一方面改善界面结合力，协同增强石墨烯的散热性能。
15.步骤(1)中，所述氧化石墨烯水溶液的浓度为0.1mg/ml
‑
10mg/ml。
16.步骤(1)中，所述阳极电泳漆的添加质量占所述氧化石墨烯水溶液的质量百分比为0.1
‑
20％。
17.步骤(2)中，所述基底为金属基底或设有金属层的不导电基底。
18.步骤(2)中，所述电化学沉积的具体工艺参数为：
19.电压范围为1
‑
30v的等电位沉积、1
‑
1000ma恒流模式或相应电流电压范围内的脉冲模式，沉积时间为5s
‑
30min。
20.步骤(3)中，所述冷冻干燥的时间为1
‑
48h。
21.步骤(3)中，所述热还原的温度为100
‑
500℃，所述热还原的温度为0.5
‑
12h。
22.进行所述热还原的气氛为真空、惰性气氛或还原气氛中的任一种。
23.所述方法制备得到的阳极电泳漆介导电化学组装石墨烯散热层。
24.本技术发明人在长期研究中发现，被动散热方式主要包括：辐射、对流、热传导，而传统的金属散热器由于其本身的低辐射率只能通过传导和对流进行散热。石墨烯材料由于具有较强的热导率和热辐射率，能够改善传统金属散热器的散热性能。通过电化学沉积制备的石墨烯散热片具有的三维孔隙结构，一方面有利于热量通过石墨烯面内传导从而增强其导热效果，另一方面通过增强辐射及对流面积而增强其散热效果。此外，电解液中加入的阳极电泳漆能够伴随着石墨烯电化学沉积过程一起沉积在金属表面，从而增强石墨烯/石墨烯、石墨烯/基底的界面结合力，进一步增强界面传热效果。
25.本发明的有益效果为：
26.本发明所述的阳极电泳漆介导电化学组装石墨烯散热层，通过先取阳极电泳漆加入到氧化石墨烯水溶液中制备得到电解液，再取基底放入电解液中，利用电化学方法在基底上沉积得到石墨烯散热层，最后将沉积有石墨烯散热层的基底先进行冷冻干燥，再进行热还原处理，最终制备得到的所述阳极电泳漆介导电化学组装石墨烯散热层，具有的三维孔隙结构，一方面有利于热量通过石墨烯面内传导从而增强其导热效果，另一方面通过增强辐射及对流面积而增强其散热效果。此外，电解液中加入的阳极电泳漆能够伴随着石墨烯电化学沉积过程一起沉积在金属表面，从而增强石墨烯/石墨烯、石墨烯/基底的界面结合力，进一步增强界面传热效果。本发明采用的电化学方法操作简单，高效环保。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为实施例1所述阳极电泳漆介导电化学组装石墨烯散热层的扫描电子显微镜图；
29.图2为实施例2所述阳极电泳漆介导电化学组装石墨烯散热层的扫描电子显微镜图；
30.图3为实施例3所述阳极电泳漆介导电化学组装石墨烯散热层的扫描电子显微镜图；
31.图4为对比例所述阳极电泳漆介导电化学组装石墨烯散热层的扫描电子显微镜
图；
32.图5a和5b分别为实施例1
‑
2及对比例所得石墨烯散热层的散热性能测试装置的示意图和实物图；
33.图5c为实施例1
‑
2及对比例所得石墨烯散热层的散热性能测试效果图。
具体实施方式
34.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
35.实施例1
36.本实施例提供一种阳极电泳漆介导电化学组装石墨烯散热层，包括以下步骤：
37.(1)配制电解液
38.使用1mg/ml的石墨烯水溶液作为溶剂，向其中添加10wt％的阳极丙烯酸电泳漆，搅拌30min至均匀，得到电解液；
39.(2)制备石墨烯散热层
40.取基底cu片放入所述电解液中，使用电化学工作站夹住cu片分别作为工作电极和对电极，使用恒压模式5v进行30s电化学沉积之后，在基底上沉积制得石墨烯散热层；
41.(3)后处理
42.使用液氮将步骤(2)沉积有石墨烯散热层的cu片冷冻至固体，放入冷冻干燥中干燥48h，再将样品放入500℃管式炉内真空还原2h，即得所述阳极电泳漆介导电化学组装石墨烯散热层。
43.图1所示为本实施例所述阳极电泳漆介导电化学组装石墨烯散热层的sem图，可以看出，所制备的样品表面能观察到片状的石墨烯结构，样品表面致密，没有孔隙结构。
44.实施例2
45.本实施例提供一种阳极电泳漆介导电化学组装石墨烯散热层，包括以下步骤：
46.(1)配制电解液
47.使用1mg/ml的石墨烯水溶液作为溶剂，向其中添加1wt％的阳极丙烯酸电泳漆，搅拌30min至均匀，得到电解液；
48.(2)制备石墨烯散热层
49.取基底cu片放入所述电解液中，使用电化学工作站夹住cu片分别作为工作电极和对电极，使用恒压模式5v进行30s电化学沉积之后，在基底上沉积制得石墨烯散热层；
50.(3)后处理
51.使用液氮将步骤(2)沉积有石墨烯散热层的cu片冷冻至固体，放入冷冻干燥中干燥48h，再将样品放入500℃管式炉内真空还原2h，即得所述阳极电泳漆介导电化学组装石墨烯散热层。
52.图2所示为本实施例所述阳极电泳漆介导电化学组装石墨烯散热层的sem图。可以看出，所制备的样品内部出现明显的孔隙。平均尺寸为8.5μm的孔隙使得石墨烯组装成三维网络结构，有利于热量沿着石墨烯框架传导，并增加散热面积。
53.实施例3
54.本实施例提供一种阳极电泳漆介导电化学组装石墨烯散热层，包括以下步骤：
55.(1)配制电解液
56.使用2mg/ml的石墨烯水溶液作为溶剂，向其中添加5wt％的阳极聚丁二烯电泳漆，搅拌30min至均匀，得到电解液；
57.(2)制备石墨烯散热层
58.取基底cu片放入所述电解液中，使用电化学工作站夹住cu片分别作为工作电极和对电极，使用恒压模式10v进行10s电化学沉积之后，在基底上沉积制得石墨烯散热层；
59.(3)后处理
60.使用液氮将步骤(2)沉积有石墨烯散热层的cu片冷冻至固体，放入冷冻干燥中干燥12h，再将样品放入200℃管式炉内真空还原2h，即得所述阳极电泳漆介导电化学组装石墨烯散热层。
61.图3所示为本实施例所述阳极电泳漆介导电化学组装石墨烯散热层的sem图，可以看出，所制备的样品内部表现出石墨烯的结构，但是由于石墨烯和电泳漆的浓度较大，所制备的样品并没有明显三维结构。
62.实施例4
63.本实施例提供一种阳极电泳漆介导电化学组装石墨烯散热层，本实施例与实施例2的区别仅在于：步骤(1)中，所述氧化石墨烯水溶液的浓度为0.1mg/ml，所述阳极电泳漆的添加质量占所述氧化石墨烯水溶液的质量百分比为0.1％，其他操作条件均与实施例2相同。
64.实施例5
65.本实施例提供一种阳极电泳漆介导电化学组装石墨烯散热层，本实施例与实施例2的区别仅在于：步骤(1)中，所述氧化石墨烯水溶液的浓度为10mg/ml，所述阳极电泳漆的添加质量占所述氧化石墨烯水溶液的质量百分比为20％，其他操作条件均与实施例2相同。
66.对比例
67.本对比例与实施例2的区别仅在于：步骤(1)中没有加入阳极电泳漆，即使用1mg/ml纯石墨烯水溶液作为电解液进行电化学沉积制备石墨烯散热层；其他原料和操作均与实施例2相同。
68.图4所示为本对比例所述石墨烯散热层的sem图，从图中可以看出，所制备的样品内部同样出现明显的孔隙结构。孔隙的平均尺寸约5.5μm。
69.图5a、5b分别为所得石墨烯散热层的散热性能测试装置的示意图和实物图；图5c为实施例1
‑
2及对比例所得石墨烯散热层的散热性能测试效果图。结果表明，所有覆盖了散热层的样品的散热效果均优于没有负载任何散热层的纯基底。但是不同方式制备出的石墨烯产物的散热性能明显不同，这是由内部微纳结构差异引起的。以实施例2所得石墨烯散热层的散热效果最佳，这是由于：首先，较大的孔隙结构能够增强辐射、对流面积从而增强其散热效果；再者，电泳漆的添加会增强石墨烯/石墨烯、石墨烯/基底的界面结合力，进一步增强界面传热效果。因此通过调控具体制备方法可以调整石墨烯产物的微纳结构，从而影响散热片的宏观散热性质。
70.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何
熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。