本發(fā)明涉及新型導(dǎo)熱材料及方法，尤其涉及一種利用氧化石墨烯粘接劑制備厚度較大的高導(dǎo)熱的石墨烯/聚酰亞胺復(fù)合碳膜。
背景技術(shù)：
碳膜的特性是比重輕、耐酸堿、耐有機(jī)溶劑，傳熱和導(dǎo)電性好，耐熱沖擊、耐磨損，自潤滑性、機(jī)械加工性和生體相容性好、異向性大。因而，在空間技術(shù)領(lǐng)域、核工業(yè)、電子信息技術(shù)領(lǐng)域等被廣泛應(yīng)用。
目前主要采用化學(xué)氣相沉積和高分子碳化法制備碳膜?；瘜W(xué)氣相沉積的主要缺點(diǎn)是成本較貴，同時(shí)沉積較厚的碳膜需要很長的周期，技術(shù)上很難實(shí)現(xiàn)。高分子碳化法制備碳膜材料是一種很有前景的方法，工藝簡(jiǎn)單，能耗少,制備的薄膜結(jié)構(gòu)緊密，有很好的力學(xué)強(qiáng)度。聚酰亞胺作為一種含有大量芳香雜環(huán)結(jié)構(gòu)的合成樹脂，具有碳化產(chǎn)率較高，結(jié)構(gòu)致密，同時(shí)具有很好的成型工藝，可以制備成薄膜、塊體、異型體等復(fù)雜構(gòu)件，但是目前仍然存碳化溫度高、耗能大、碳化周期長、碳化膜碳化率較低，制備的碳化膜脆性較大且易碎等問題。
但是目前，經(jīng)過高分子碳化法制備的高導(dǎo)熱的碳膜通常厚度為10μm～50μm，而厚度在一百微米以上的聚酰亞胺基碳膜或者塊材，由于在碳化和石墨化過程中尺寸收縮嚴(yán)重、內(nèi)應(yīng)力太大、碳化率不高以及其中的石墨片層間距偏大或不均勻等問題，其面向?qū)崧释ǔ２桓哂?00w/mk。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高導(dǎo)熱的石墨烯/聚酰亞胺復(fù)合碳膜及其制備方法。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種高導(dǎo)熱的石墨烯/聚酰亞胺復(fù)合碳膜，所制備的石墨烯/聚酰亞胺復(fù)合碳膜的厚度大于100μm，孔隙率為10～40％，面向熱導(dǎo)率為1000～1700w/mk。得到的石墨烯/聚酰亞胺復(fù)合碳膜無分層現(xiàn)象，任意兩個(gè)相鄰的石墨片層間距小于20nm。
高導(dǎo)熱的石墨烯/聚酰亞胺復(fù)合碳膜的制備方法包含如下步驟：
(1)將平均尺寸大于50μm的氧化石墨烯配制成濃度為1～10mg/ml氧化石墨烯水溶液。
(2)將多張聚酰亞胺膜進(jìn)行復(fù)合，具體為：在聚酰亞胺膜表面均勻涂覆步驟1中的氧化石墨烯溶液，然后將多張聚酰亞胺膜沿厚度方向粘接在一起。
(3)將粘接后的氧化石墨烯/聚酰亞胺復(fù)合膜放置在烘箱烘干，烘箱的溫度低于40℃。
(5)將烘干后的氧化石墨烯/聚酰亞胺復(fù)合膜置于氬氣氛圍的碳化爐中，以0.1～10℃/min的速率逐漸升溫到1000℃進(jìn)行熱處理，并且每隔100℃，恒溫1h，整個(gè)過程維持壓力20mpa～200mpa。
(6)將步驟5熱壓后的石墨烯/聚酰亞胺復(fù)合碳膜在惰性氣體氛圍下以1-20℃/min的速率升溫到2500～3000℃進(jìn)行進(jìn)一步熱壓，保溫保壓0.5～8h；壓力為60mpa。降溫壓制后，得到高導(dǎo)熱的氧化石墨烯/聚酰亞胺復(fù)合碳膜。
進(jìn)一步地，所述的步驟1的氧化石墨烯的碳氧比1.8～2.1。
本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明通過在聚酰亞胺膜表面均勻噴涂一層濃度為1～10mg/ml的氧化石墨烯水溶液，然后將多張聚酰亞胺膜沿厚度方向粘接在一起，待其干燥后聚酰亞胺膜可通過氧化石墨烯實(shí)現(xiàn)粘結(jié)，通過進(jìn)一步相對(duì)低溫?zé)釅菏蛊涮蓟驮俳?jīng)過高溫高壓熱壓處理的方式使其石墨化，形成三維有序堆積的石墨層狀結(jié)構(gòu)和較為完整的石墨晶體，保證了導(dǎo)熱通路的暢通，得到高導(dǎo)熱的石墨烯/聚酰亞胺復(fù)合碳膜。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明公開了一種利用氧化石墨烯的粘接性能制備高導(dǎo)熱的石墨烯厚膜及其制備方法。本發(fā)明通過在聚酰亞胺膜表面均勻噴涂一層濃度為1～10mg/ml的氧化石墨烯水溶液，然后將多張聚酰亞胺膜沿厚度方向粘接在一起，待其干燥后聚酰亞胺膜可通過氧化石墨烯實(shí)現(xiàn)粘結(jié)，通過進(jìn)一步相對(duì)低溫?zé)釅菏蛊涮蓟?，和再?jīng)過高溫高壓熱壓處理的方式使其石墨化，形成三維有序堆積的石墨層狀結(jié)構(gòu)和較為完整的石墨晶體，保證了導(dǎo)熱通路的暢通，得到高導(dǎo)熱的石墨烯/聚酰亞胺復(fù)合碳膜。其厚度大于100μm，孔隙率為10～40％，熱導(dǎo)率為1000～1700w/mk，具有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
下面實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。本實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)上述發(fā)明的內(nèi)容做出一些非本質(zhì)的改變和調(diào)整，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
實(shí)施例1：
(1)將平均尺寸大于50μm的氧化石墨烯配制成濃度為4mg/ml氧化石墨烯水溶液。
(2)將四張厚度為100μm的聚酰亞胺膜進(jìn)行復(fù)合，具體為：在聚酰亞胺膜表面均勻涂覆步驟1中的氧化石墨烯溶液，然后將多張聚酰亞胺膜沿厚度方向粘接在一起。
(3)將粘接后的氧化石墨烯/聚酰亞胺復(fù)合膜放置在烘箱烘干，烘箱的溫度低于40℃。
(5)將烘干后的氧化石墨烯/聚酰亞胺復(fù)合膜置于氬氣氛圍的碳化爐中，以5℃/min的速率逐漸升溫到1000℃進(jìn)行熱處理，并且每隔100℃，恒溫1h，整個(gè)過程維持壓力20mpa。
(6)將步驟5熱壓后的石墨烯/聚酰亞胺復(fù)合碳膜在惰性氣體氛圍下以20℃/min的速率升溫到2800℃進(jìn)行進(jìn)一步熱壓，保溫保壓0.5h；壓力為60mpa，得到高導(dǎo)熱的氧化石墨烯/聚酰亞胺復(fù)合碳膜。
經(jīng)過以上步驟，聚酰亞胺膜先通過氧化石墨烯的粘接作用形成整體結(jié)構(gòu)，再經(jīng)過進(jìn)一步相對(duì)低溫?zé)釅簾崽幚硎蛊涮蓟透邷責(zé)釅盒迯?fù)缺陷提高石墨化程度，最終得到高導(dǎo)熱的聚酰亞胺基復(fù)合碳膜。經(jīng)測(cè)試，原聚酰亞胺基碳膜的厚度為31μm，密度為2.03g/cm3，孔隙率為7.7％，導(dǎo)熱率為1733.2w/mk；此時(shí)，石墨烯/聚酰亞胺復(fù)合碳膜的厚度為126μm，密度為1.97g/cm3，孔隙率為10.5％，導(dǎo)熱率為1697.5w/mk，此聚酰亞胺基復(fù)合碳膜無分層現(xiàn)象，任意兩個(gè)相鄰的石墨片層間距小于20nm。
實(shí)施例2：
(1)將平均尺寸大于50μm的氧化石墨烯配制成濃度為4mg/ml氧化石墨烯水溶液。
(2)將50張厚度為100μm的聚酰亞胺膜進(jìn)行復(fù)合，具體為：在聚酰亞胺膜表面均勻涂覆步驟1中的氧化石墨烯溶液，然后將多張聚酰亞胺膜沿厚度方向粘接在一起。
(3)將粘接后的氧化石墨烯/聚酰亞胺復(fù)合膜放置在烘箱烘干，烘箱的溫度低于40℃。
(5)將烘干后的氧化石墨烯/聚酰亞胺復(fù)合膜置于氬氣氛圍的碳化爐中，以2℃/min的速率逐漸升溫到1000℃進(jìn)行熱處理，并且每隔100℃，恒溫1h，整個(gè)過程維持壓力60mpa。
(6)將步驟5熱壓后的石墨烯/聚酰亞胺復(fù)合碳膜在惰性氣體氛圍下以5℃/min的速率升溫到2500℃進(jìn)行進(jìn)一步熱壓，保溫保壓8h；壓力為60mpa。得到高導(dǎo)熱的氧化石墨烯/聚酰亞胺復(fù)合碳膜。
經(jīng)過以上步驟，聚酰亞胺膜先通過氧化石墨烯的粘接作用形成整體結(jié)構(gòu)，再經(jīng)過進(jìn)一步相對(duì)低溫?zé)釅簾崽幚硎蛊涮蓟透邷責(zé)釅盒迯?fù)缺陷提高石墨化程度，最終得到高導(dǎo)熱的聚酰亞胺基復(fù)合碳膜。經(jīng)測(cè)試，石墨烯/聚酰亞胺復(fù)合碳膜的厚度為1.76mm，密度為1.82g/cm3，孔隙率為17.3％，導(dǎo)熱率為1387.3w/mk，此石墨烯/聚酰亞胺復(fù)合碳膜無分層現(xiàn)象，任意兩個(gè)相鄰的石墨片層間距小于20nm。