沿平面和厚度方向同时具有高导热系数的石墨片及制备方法

摘要

本发明涉及一种沿平面和厚度方向同时具有高导热系数的石墨片及制备方法，石墨片中的石墨片层呈S型或波浪形排列，沿平面方向导热系数≧80W/(m·K)；沿厚度方向导热系数≧50W/(m·K)。将膨胀率为100～300的膨胀石墨从一个方向上加压成型，获得石墨胚体，然后从另一个方向对石墨胚体进行压制，获得石墨预制体；将石墨预制体置于石墨模具中，置于真空热压炉中进行高温热压，热压温度在800～2000℃，热压压力为5～50MPa，保温保压0.5～4h，待温度降至100℃以下卸压取出样品。本发明的基体原料膨胀石墨易得，石墨预制体的制备及热压工艺简单。获得沿平面和厚度方向同时具有高导热系数的石墨片。

权利要求

1.一种沿平面和厚度方向同时具有高导热系数的石墨片的制备方法，步骤如下：(1)将膨胀率为100～300的膨胀石墨从一个方向上加压成型，获得石墨胚体，然后从另一个方向对石墨胚体进行压制，获得石墨预制体；

(2)将石墨预制体置于石墨模具中，置于真空热压炉中进行高温热压，热压温度在800～2000℃，热压压力为5～50MPa，保温保压0.5～4h，待温度降至100℃以下卸压取出样品；

制备的石墨片中的石墨片层呈S型或波浪形排列，沿平面方向导热系数≧80W/(m·K)；沿厚度方向导热系数≧50W/(m·K)。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征是所述步骤(1)中的加压压力为10～100MPa。

说明书

沿平面和厚度方向同时具有高导热系数的石墨片及制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种沿平面和厚度方向同时具有高导热系数的石墨片及制备方法，具体地说是一种对膨胀石墨沿不同方向进行二次压制的方法。

背景技术

[0002] 随着计算机、通讯及航空航天等领域科学技术的快速发展，不断增加的导热、散热需求对热管理材料提出更大的要求。例如微电子芯片表面温度必须维持在较低的温度下(如硅器件﹤100℃)才能确保其高性能工作，如果没有充分的热管理保障，极易导致其提前老化或损坏。因此，开发能够对热量进行有效疏导的高导热散射材料成为热管理的关键问题。传统的金属导热材料(如铝、铜等)由于存在密度较大、热膨胀系数较高、易氧化、不耐化学腐蚀等局限性，已很难满足目前日益增长的散热需求。碳材料具有较高的导热系数、较低的密度、低热膨胀系数、优异的力学性能及化学稳定性，是近年来最具发展前景的一类导热材料，因而在能源、通讯、电子等领域具有广阔的应用前景。

[0003] 膨胀石墨是由天然鳞片石墨经过石墨插层、水洗、干燥、高温膨胀得到的一种疏松多孔的蠕虫状物质。膨胀石墨由于具有规整大块的石墨化壁层，声子传导的阻碍较少，导热效率很高，因而利用膨胀石墨制备高导热石墨片成为人们的研究重点，也出现类似专利的授权或公开。中华人民共和国国家知识产权局授权号为CN101407322B、CN100368342C、CN101458049A等发明专利公布了利用压缩膨胀石墨制备导热板的技术。

[0004] 以上所述的发明专利仅仅披露了传统的膨胀石墨制备方法和压制工艺，只获得了导热各向异性的石墨导热材料。对于石墨片层，碳原子的晶格震动是材料导热的基础，因此石墨材料中声子传递只能沿着石墨晶面进行高速传导，而对于石墨晶面层间由于距离过远，严重影响声子的传导。在经过石墨压制工艺处理后，石墨晶面在热压作用下沿平面方向取向，因而在导热石墨片中，只有在沿平面方向上具有高导热率(大于100W/(m·K))，而沿厚度方向导热率很低，不到10W/(m·K)(Zhi-Hai Feng,Tong-Qi Li,Zi-Jun Hu,Gao-Wen Zhao,Jun-Shan Wang,Bo-Yun Huang,Low cost preparation of high thermal conductivity carbon blocks with ultra-high anisotropy from a commercial graphite paper,Carbon,2012,50(10):3947–3948.)。中国的专利申请CN100368342C、CN103539111A等公布的石墨导热板的沿厚度方向导热率都在10W/(m·K)以下。将石墨膜剪切后竖起来，测定的沿厚度方向导热系数高达75W/(m·K)，然而沿平面方向导热系数只有2W/(m·K)(Qi-Zhen Liang,Xu-Xia Yao,Wei Wang,Yan Liu,and Ching-Ping Wong,A three-dimensional vertically aligned functionalized multilayer graphene architecture:an approach for graphene-based thermal interfacial materials,ACS nano,2011,5(3):2392-2401.)。现有已公开的发明专利所获得的石墨片沿平面和厚度方向的导热系数远不能满足大型计算机、高集成电子器件等对导热材料导热能力的要求，在碳材料已有优势基础上开发一种沿平面和厚度方向同时具有高导热系数的材料显得尤为重要。

发明内容

[0005] 本发明针对现有膨胀石墨制备的石墨片巨大的导热各向异性，即只能沿一个方向具有高导热系数(大于100W/(m·K))而在另一方向导热系数过低(小于10W/(m·K))的缺陷，提供一种沿平面和厚度方向同时具有高导热系数的石墨片及其制备方法。沿平面和厚度方向导热系数分别达到80W/(m·K)和50W/(m·K)的石墨片。

[0006] 本发明采用以下技术方案：

[0007] 一种沿平面和厚度方向同时具有高导热系数的石墨片；石墨片中的石墨片层呈S型或波浪形排列，沿平面方向导热系数≧80W/(m·K)；沿厚度方向导热系数≧50W/(m·K)。如图1中石墨片及横断面示意图。

[0008] 本发明的一种沿平面和厚度方向同时具有高导热系数的石墨片的制备方法，步骤如下：

[0009] (1)将膨胀率为100～300的膨胀石墨从一个方向上加压成型，获得石墨胚体，然后从另一个方向对石墨胚体进行压制，获得石墨预制体；

[0010] (2)将石墨预制体置于石墨模具中，置于真空热压炉中进行高温热压，热压温度在800～2000℃，热压压力为5～50MPa，保温保压0.5～4h，待温度降至100℃以下卸压取出样品。

[0011] 所述步骤(1)中的加压压力优选为10～100MPa。

[0012] 具体说明如下：

[0013] (1)膨胀石墨为一种蠕虫状的石墨材料；膨胀率是指可膨胀石墨膨胀后与膨胀前体积比；可以直接采用市售产品；

[0014] (2)预制体的制备过程中，需要对膨胀石墨在两个方向进行压制，第一次压制使得膨胀石墨的石墨片层沿垂直压力方向取向，第二次压制使得石墨预制体密度增大并且使其沿另一个方向取向，进而改善其各向异性，获得的预制体内部的石墨片层沿平面和厚度方向均有一定程度取向，由于石墨沿片层即晶面方向具有高导热系数，二次压制后的预制体沿平面和厚度方向均有石墨沿片层方向的分布，进而预制体沿两个方向均有高效的热流传输通道；

[0015] (3)对预制体进行热压，可以去除膨胀石墨中的含氧集团，修复石墨片层的碳骨架结构，使得石墨预制体进一步碳化和致密化，提高石墨片的导热系数；

[0016] 通过以上步骤对膨胀石墨的二次压制成型，实现了对膨胀石墨预制体各向异性的调控，经过高温热压使得膨胀石墨预制体进一步碳化、致密化，得到导热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)的高导热石墨片。

[0017] 本发明的有益效果：本发明的基体原料膨胀石墨易得，石墨预制体的制备及热压工艺简单。本发明中石墨片的微观结构有序化、致密化和石墨化可高效完成，可获得沿平面和厚度方向同时具有高导热系数的石墨片，其综合导热能力远远优于传统的膨胀石墨热压卷材以及其他形式的压制膨胀石墨。附图说明：

[0018] 图1为本发明的石墨片的制备流程图及微观示意图；

具体实施方式

[0019] 下面结合附图和给出本发明的6个实施例,是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。

[0020] 实施例1

[0021] 如图1所示：将膨胀率为100的膨胀石墨置于模具A中，在10MPa压力下压制成石墨胚体，然后将石墨胚体置于模具B中，从另一个方向在100MPa压力下压制获得石墨预制体，将石墨预制体置于石墨模具中，置于真空热压炉中进行高温热压，热压温度在800℃，热压压力为5MPa，保温保压0.5h，待温度降至100℃卸压取出样品。测试石墨片导热系数，其沿平面方向导热系数为110W/(m·K)，沿厚度方向为50W/(m·K)。

[0022] 本发明的一种沿平面和厚度方向同时具有高导热系数的石墨片的制备方法，步骤如下：

[0023] (1)将膨胀率为100～300的膨胀石墨在10～100MPa压力下压制成型，获得石墨胚体，然后从另一个方向对石墨胚体进行压制，压力大小为10～100MPa，获得石墨预制体，；

[0024] (2)将石墨预制体置于石墨模具中，置于真空热压炉中进行高温热压，热压温度在800～2000℃，热压压力为5～50MPa，保温保压0.5～4h，待温度降至100℃以下卸压取出样品。

[0025] 实施例2

[0026] 将膨胀率为300的膨胀石墨在100MPa压力下压制成石墨胚体，然后从另一个方向在10MPa压力下压制石墨胚体获得石墨预制体，将石墨预制体置于石墨模具中，置于真空热压炉中进行高温热压，热压温度在1000℃，热压压力为50MPa，保温保压4h，待温度降至100℃卸压取出样品。测试石墨片导热系数，其沿平面方向导热系数为80W/(m·K)，沿厚度方向为80W/(m·K)。

[0027] 实施例3

[0028] 将膨胀率为200的膨胀石墨在90MPa压力下压制成石墨胚体，然后从另一个方向在10MPa压力下压制石墨胚体获得石墨预制体，将石墨预制体置于石墨模具中，置于真空热压炉中进行高温热压，热压温度在800℃，热压压力为50MPa，保温保压4h，待温度降至100℃卸压取出样品。测试石墨片导热系数，其沿平面方向导热系数为80W/(m·K)，沿厚度方向为
70W/(m·K)。

[0029] 实施例4

[0030] 将膨胀率为200的膨胀石墨在80MPa压力下压制成石墨胚体，然后从另一个方向在80MPa压力下压制石墨胚体获得石墨预制体，将石墨预制体置于石墨模具中，置于真空热压炉中进行高温热压，热压温度在1200℃，热压压力为25MPa，保温保压1h，待温度降至100℃卸压取出样品。测试石墨片导热系数，其沿平面方向导热系数为90W/(m·K)，沿厚度方向为
60W/(m·K)。

[0031] 实施例5

[0032] 将膨胀率为200的膨胀石墨在50MPa压力下压制成石墨胚体，然后从另一个方向在50MPa压力下压制石墨胚体获得石墨预制体，将石墨预制体置于石墨模具中，置于真空热压炉中进行高温热压，热压温度在1500℃，热压压力为50MPa，保温保压1h，待温度降至100℃卸压取出样品。测试石墨片导热系数，其沿平面方向导热系数为120W/(m·K)，沿厚度方向为70W/(m·K)。

[0033] 实施例6

[0034] 将膨胀率为200的膨胀石墨在10MPa压力下压制成石墨胚体，然后从另一个方向在100MPa压力下压制石墨胚体获得石墨预制体，将石墨预制体置于石墨模具中，置于真空热压炉中进行高温热压，热压温度在2000℃，热压压力为50MPa，保温保压1h，待温度降至100℃卸压取出样品。测试石墨片导热系数，其沿平面方向导热系数为150W/(m·K)，沿厚度方向为80W/(m·K)。

[0035] 本发明公开和提出的沿平面和厚度方向同时具有高导热系数的石墨片及制备方法，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变原料和工艺路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。