沿平面和厚度方向同時具有高導(dǎo)熱系數(shù)的石墨片及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種沿平面和厚度方向同時具有高導(dǎo)熱系數(shù)的石墨片及制備方法，具體地說是一種對膨脹石墨沿不同方向進(jìn)行二次壓制的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著計算機(jī)、通訊及航空航天等領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，不斷增加的導(dǎo)熱、散熱需求對熱管理材料提出更大的要求。例如微電子芯片表面溫度必須維持在較低的溫度下(如硅器件< 100°c)才能確保其高性能工作，如果沒有充分的熱管理保障，極易導(dǎo)致其提前老化或損壞。因此，開發(fā)能夠?qū)崃窟M(jìn)行有效疏導(dǎo)的高導(dǎo)熱散射材料成為熱管理的關(guān)鍵問題。傳統(tǒng)的金屬導(dǎo)熱材料(如鋁、銅等)由于存在密度較大、熱膨脹系數(shù)較高、易氧化、不耐化學(xué)腐蝕等局限性，已很難滿足目前日益增長的散熱需求。碳材料具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)、較低的密度、低熱膨脹系數(shù)、優(yōu)異的力學(xué)性能及化學(xué)穩(wěn)定性，是近年來最具發(fā)展前景的一類導(dǎo)熱材料，因而在能源、通訊、電子等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]膨脹石墨是由天然鱗片石墨經(jīng)過石墨插層、水洗、干燥、高溫膨脹得到的一種疏松多孔的蠕蟲狀物質(zhì)。膨脹石墨由于具有規(guī)整大塊的石墨化壁層，聲子傳導(dǎo)的阻礙較少，導(dǎo)熱效率很高，因而利用膨脹石墨制備高導(dǎo)熱石墨片成為人們的研宄重點，也出現(xiàn)類似專利的授權(quán)或公開。中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局授權(quán)號為CN101407322B、CN100368342C、CN101458049A等發(fā)明專利公布了利用壓縮膨脹石墨制備導(dǎo)熱板的技術(shù)。
[0004]以上所述的發(fā)明專利僅僅披露了傳統(tǒng)的膨脹石墨制備方法和壓制工藝，只獲得了導(dǎo)熱各向異性的石墨導(dǎo)熱材料。對于石墨片層，碳原子的晶格震動是材料導(dǎo)熱的基礎(chǔ)，因此石墨材料中聲子傳遞只能沿著石墨晶面進(jìn)行高速傳導(dǎo)，而對于石墨晶面層間由于距離過遠(yuǎn)，嚴(yán)重影響聲子的傳導(dǎo)。在經(jīng)過石墨壓制工藝處理后，石墨晶面在熱壓作用下沿平面方向取向，因而在導(dǎo)熱石墨片中，只有在沿平面方向上具有高導(dǎo)熱率(大于100W/(m.K))，而沿厚度方向?qū)崧屎艿?，不?1ff/(m.K) (Zh1-Hai Feng, Tong-Qi Li, Z1-JunHu,Gao-ffen Zhao,Jun-Shan Wang,Bo-Yun Huang,Low cost preparat1n of highthermal conductivity carbon blocks with ultra-high anisotropy from a commercialgraphite paper, Carbon, 2012，50(10):3947 - 3948.)。中國的專利申請 CN100368342C、CN103539111A等公布的石墨導(dǎo)熱板的沿厚度方向?qū)崧识荚?0W/(m*K)以下。將石墨膜剪切后豎起來，測定的沿厚度方向?qū)嵯禂?shù)高達(dá)75W/(m.K)，然而沿平面方向?qū)嵯禂?shù)只有 2W/ (m.K) (Q1-Zhen Liang, Xu-Xia Yao, Wei Wang, Yan Liu, and Ching-PingWong, A three-dimens1nal vertically aligned funct1nalized multilayer graphenearchitecture: an approach for graphene-based thermal interfacial materials, ACSnano, 2011,5(3):2392-2401.)。現(xiàn)有已公開的發(fā)明專利所獲得的石墨片沿平面和厚度方向的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)不能滿足大型計算機(jī)、高集成電子器件等對導(dǎo)熱材料導(dǎo)熱能力的要求，在碳材料已有優(yōu)勢基礎(chǔ)上開發(fā)一種沿平面和厚度方向同時具有高導(dǎo)熱系數(shù)的材料顯得尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對現(xiàn)有膨脹石墨制備的石墨片巨大的導(dǎo)熱各向異性，即只能沿一個方向具有高導(dǎo)熱系數(shù)(大于100W/(m*K))而在另一方向?qū)嵯禂?shù)過低(小于10W/(m*K))的缺陷，提供一種沿平面和厚度方向同時具有高導(dǎo)熱系數(shù)的石墨片及其制備方法。沿平面和厚度方向?qū)嵯禂?shù)分別達(dá)到80W/(m.K)和50W/(m.K)的石墨片。
[0006]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0007]一種沿平面和厚度方向同時具有高導(dǎo)熱系數(shù)的石墨片；石墨片中的石墨片層呈S型或波浪形排列，沿平面方向?qū)嵯禂?shù)3 80ff/(m.K);沿厚度方向?qū)嵯禂?shù)3 50ff/(m.K)o如圖1中石墨片及橫斷面示意圖。
[0008]本發(fā)明的一種沿平面和厚度方向同時具有高導(dǎo)熱系數(shù)的石墨片的制備方法，步驟如下:
[0009](I)將膨脹率為100?300的膨脹石墨從一個方向上加壓成型，獲得石墨胚體，然后從另一個方向?qū)κ唧w進(jìn)行壓制，獲得石墨預(yù)制體；
[0010](2)將石墨預(yù)制體置于石墨模具中，置于真空熱壓爐中進(jìn)行高溫?zé)釅?，熱壓溫度?00?2000°C，熱壓壓力為5?50MPa，保溫保壓0.5?4h，待溫度降至100°C以下卸壓取出樣品。
[0011]所述步驟(I)中的加壓壓力優(yōu)選為10?lOOMPa。
[0012]具體說明如下:
[0013](I)膨脹石墨為一種蠕蟲狀的石墨材料；膨脹率是指可膨脹石墨膨脹后與膨脹前體積比；可以直接采用市售產(chǎn)品；
[0014](2)預(yù)制體的制備過程中，需要對膨脹石墨在兩個方向進(jìn)行壓制，第一次壓制使得膨脹石墨的石墨片層沿垂直壓力方向取向，第二次壓制使得石墨預(yù)制體密度增大并且使其沿另一個方向取向，進(jìn)而改善其各向異性，獲得的預(yù)制體內(nèi)部的石墨片層沿平面和厚度方向均有一定程度取向，由于石墨沿片層即晶面方向具有高導(dǎo)熱系數(shù)，二次壓制后的預(yù)制體沿平面和厚度方向均有石墨沿片層方向的分布，進(jìn)而預(yù)制體沿兩個方向均有高效的熱流傳輸通道；
[0015](3)對預(yù)制體進(jìn)行熱壓，可以去除膨脹石墨中的含氧集團(tuán)，修復(fù)石墨片層的碳骨架結(jié)構(gòu)，使得石墨預(yù)制體進(jìn)一步碳化和致密化，提高石墨片的導(dǎo)熱系數(shù)；
[0016]通過以上步驟對膨脹石墨的二次壓制成型，實現(xiàn)了對膨脹石墨預(yù)制體各向異性的調(diào)控，經(jīng)過高溫?zé)釅菏沟门蛎浭A(yù)制體進(jìn)一步碳化、致密化，得到導(dǎo)熱率沿平面方向大于等于80W/ (m.K)，沿厚度方向大于等于50W/ (m.K)的高導(dǎo)熱石墨片。
[0017]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明的基體原料膨脹石墨易得，石墨預(yù)制體的制備及熱壓工藝簡單。本發(fā)明中石墨片的微觀結(jié)構(gòu)有序化、致密化和石墨化可高效完成，可獲得沿平面和厚度方向同時具