定向高導(dǎo)熱碳/聚合物復(fù)合材料及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種沿特定方向具有高導(dǎo)熱系數(shù)的碳/聚合物復(fù)合材料及制備方法，具體地說是一種將導(dǎo)熱碳材料進(jìn)行可控取向并和聚合物復(fù)合的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，高效的導(dǎo)熱和散熱成為熱管理領(lǐng)域的關(guān)鍵問題。隨著計(jì)算機(jī)、手機(jī)、衛(wèi)星等電器裝置電子元件集成度和精密度的不斷提高，其單位面積電子器件不斷提高的發(fā)熱量使系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量驟增。這些熱量如果不能實(shí)現(xiàn)快速疏導(dǎo)，就會與局部材料之間形成較大的溫度差，影響器件的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。研究顯示電子元器件的穩(wěn)定性對溫度極為敏感，當(dāng)工作溫度升高2°C，可靠性下降10%。
[0003]近年來，一系列高導(dǎo)熱的金屬材料(如鋁、銅等)、碳材料(如膨脹石墨、石墨烯、碳納米管等)被用于制造高性能的散熱器件，如銅箔、石墨膜等。隨著各種電子元器件的不斷小型化、復(fù)雜化，其散熱面的形狀不規(guī)則并且有一定的粗糙度，傳統(tǒng)的硬質(zhì)金屬箔、石墨膜柔彈性差，導(dǎo)致散熱面不能與散熱材料很好的貼合，產(chǎn)生巨大的接觸熱阻，難以發(fā)揮散熱材料的預(yù)期散熱性能。(Yee Kan Koh, Myung-Ho Bae, David G.Cahill, EricPop.Heat conduct1n across monolayer and few-layer graphenes.Nano Letters10(2010):4363 - 4368).
[0004]因此，基于導(dǎo)熱填料增強(qiáng)的柔性聚合物熱界面材料得到開發(fā)，公開號為CN103183889A、CN103694720A等發(fā)明專利公布了將膨脹石墨、石墨烯、氮化硼等導(dǎo)熱材料與聚合物進(jìn)行混合制備導(dǎo)熱復(fù)合材料的方法。然而，雖然導(dǎo)熱填料本身沿結(jié)晶平面方向具有很高的導(dǎo)熱系數(shù)(石墨2000W/mK，石墨烯5300W/mK，碳纖維900W/mK)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)卻不到 10W/mK(Khan M.F.ShahiI, Alexander A.Balandin.Thermal properties ofgraphene and multilayer graphene:Applicat1ns in thermal interface materials.Solid State Communicat1ns 152 (2012): 1331 - 1340)。這是由于導(dǎo)熱填料本身存在極大的導(dǎo)熱各向異性，沿垂直晶面方向?qū)嵯禂?shù)不到10W/mK，同時(shí)其在聚合物基體中無規(guī)取向，導(dǎo)熱填料之間難以形成有效的導(dǎo)熱通道而存在很大的界面熱阻，極大限制了復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的提高(Vivek Goyal, Alexander A.Balandin.Thermal properties of thehybrid graphene—metal nano-micro—composites:Applicat1ns in thermal interfacematerials.Applied Physics Letters 100 (2012):073113)。
[0005]綜上所述，導(dǎo)熱碳材料能夠與絕大部分聚合物復(fù)合制備碳/聚合物復(fù)合材料，但目前報(bào)道中，碳材料在聚合物中是無規(guī)取向的，因此其導(dǎo)熱能力是各向同性的，并且導(dǎo)熱系數(shù)很低。針對現(xiàn)有電子元器件的散熱特點(diǎn)，開發(fā)一種熱界面材料，沿特定方向具有高導(dǎo)熱系數(shù)而能夠?qū)⑵骷l(fā)熱面的熱量高效定向地疏導(dǎo)到冷卻面顯得尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對高導(dǎo)熱碳材料的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)熱系數(shù)的各向異性，通過在其表面負(fù)載磁性四氧化三鐵使其獲得磁性，通過磁場調(diào)控碳材料的取向，然后在聚合物的填充下固化獲得定向高導(dǎo)熱碳/聚合物復(fù)合材料，如圖1所示。復(fù)合材料沿碳材料的取向方向的導(dǎo)熱系數(shù)3 30W/(m.K) ο
[0007]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0008]—種定向高導(dǎo)熱碳/聚合物復(fù)合材料；碳材料表面負(fù)載四氧化三鐵，并在磁場中沿磁場方向取向排列；取向的碳材料與聚合物復(fù)合后獲得碳材料在聚合物中取向排列的碳/聚合物復(fù)合材料；復(fù)合材料沿碳材料取向方向的導(dǎo)熱系數(shù)3 30ff/ (m.K)。
[0009]本發(fā)明的一種定向高導(dǎo)熱碳/聚合物復(fù)合材料的制備方法，步驟如下:
[0010](I)配制鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05?5%的四氧化三鐵前驅(qū)體溶液；
[0011](2)將導(dǎo)熱碳材料與四氧化三鐵前驅(qū)體溶液按導(dǎo)熱碳材料與鐵原子質(zhì)量比I?100:1混合均勻，在20?200°C下反應(yīng)I?12小時(shí)，過濾、洗滌、干燥后獲得四氧化三鐵在碳材料表面均勻分散的磁性碳材料，如圖2所示；
[0012](3)將上述磁性碳材料置于0.1?IT(特斯拉)的磁場中，磁場的方向?yàn)閺腘極到S極，通過調(diào)控N極和S極的相對位置獲取不同的磁場方向，磁性碳材料沿磁場方向取向排列，即沿平行于磁場方向排列；
[0013](4)將聚合物前驅(qū)體溶液澆筑在取向的碳材料陣列中，經(jīng)固化后獲得碳材料在聚合物中取向排列的碳/聚合物復(fù)合材料。
[0014]所述步驟(I)中，四氧化三鐵前驅(qū)體溶液中溶質(zhì)可以為但不限于二價(jià)鐵鹽、三價(jià)鐵鹽或二茂鐵，溶劑可以為但不限于水、乙醇或乙二醇；
[0015]所述步驟(2)中，導(dǎo)熱碳材料為具有結(jié)構(gòu)和導(dǎo)熱系數(shù)各向異性的碳材料，可以是碳纖維、鱗片石墨或剝離石墨中的一種或幾種；
[0016]所述步驟(4)中，聚合物的種類可以為任何適合的聚合物，可以為但不限于聚酯、聚酰胺、聚酰亞胺、聚乙烯醇、聚碳酸酯、環(huán)氧樹脂中的一種或幾種；其中碳材料的質(zhì)量百分含量為10?40%。
[0017]具體說明如下:
[0018](I)碳纖維、鱗片石墨、剝離石墨等結(jié)構(gòu)各向異性材料的導(dǎo)熱系數(shù)也呈各向異性，即沿碳原子結(jié)晶平面方向具有高導(dǎo)熱系數(shù)(大于800W/(m.K))而在垂直晶面方向?qū)嵯禂?shù)很低(小于1W/ (m.K))，如圖3所示;
[0019](2)碳材料結(jié)構(gòu)和導(dǎo)熱系數(shù)的各向異性使其趨向于水平堆疊排列，而使復(fù)合材料沿厚度方向?qū)嵯禂?shù)很低；通過在碳材料表面負(fù)載磁性的四氧化三鐵使其能夠在磁場中沿磁場方向取向，進(jìn)而充分利用其沿碳原子結(jié)晶平面方向的高導(dǎo)熱能力；
[0020](3)通過改變外加磁場方向可以調(diào)控碳材料的取向情況，進(jìn)而調(diào)控復(fù)合材料的導(dǎo)熱方向；通過改變碳材料的百分含量可以調(diào)控導(dǎo)熱介質(zhì)的數(shù)量，進(jìn)而調(diào)控復(fù)合材料的定向?qū)嵯禂?shù)大小。
[0021]通過以上步驟的碳材料的磁化、取向及與聚合物的復(fù)合，充分利用了導(dǎo)熱碳材料沿結(jié)晶平面方向的高導(dǎo)熱能力，在復(fù)合材料中構(gòu)建了高效的導(dǎo)熱通道，獲得了定向高導(dǎo)熱碳/聚合物復(fù)合材料，其導(dǎo)熱系數(shù)3 30W/(m*K)。
[0022]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明的碳纖維、鱗片石墨和剝離石墨等導(dǎo)熱碳材料及聚合物材料廉價(jià)易得，四氧化三鐵的負(fù)載過程工藝簡單、可宏量生產(chǎn)，低強(qiáng)度的磁場即可使磁性碳材料取向，獲得的定向高導(dǎo)熱碳/聚合物復(fù)合材料沿特定方向具有高導(dǎo)熱系數(shù)，其導(dǎo)熱能力、生產(chǎn)成本等綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)的導(dǎo)熱碳增強(qiáng)聚合物材料。
【附圖說明】
[0023]圖1定向高導(dǎo)熱碳/聚合物復(fù)合材料制備流程圖；
[0024]圖2四氧化三鐵在鱗片石墨表面的均勻負(fù)載；
[0025]圖3具有各向異性的鱗片石墨沿平面方向的結(jié)晶(a)和碳纖維沿軸向的結(jié)晶(b)。
【具體實(shí)施方式】
[0026]實(shí)施例1
[0027]配制鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的四氧化三鐵前驅(qū)體溶液(硝酸鐵)100