[发明专利]垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜材料及其制备方法。本发明垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜材料包括石墨烯和在其中均匀分布的垂直定向碳纳米管阵列。将氧化石墨烯制成溶液，填充图形化和致密化处理后的垂直定向碳纳米管阵列，在高温下还原氧化石墨烯，得到垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合结构薄膜。其中定向碳纳米管阵列结构能够为复合薄膜提供额外的纵向导热通路，而石墨烯能有效填充图形化和致密化后的垂直定向碳纳米管阵列的空隙，为其提供横向导热通路。利用垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯材料特性，二者性能得到很好的互补，能提高有效热界面散热材料横向和纵向导热性能，适合应用于多种电子器件散热领域。

技术领域

本发明涉及一种导热复合薄膜材料及其制备方法，特别是涉及一种热界面散热复合薄膜材料及其制备方法，应用于LED、微电子、智能电子器件散热技术领域。

背景技术

随着科学技术的进步，电子线路板上的元器件的封装密度日益增加,同时元器件功率密度又不断提高，使得电子芯片热流密度增大。如果元器件的热量无法迅速传导出去，芯片温度升高就会导致产品失效，因此寻找一种快速高导热的热界面散热材料是研究电子封装的一个重要课题。

石墨烯作为一种新型的二维材料，具有导热性好、机械性能优异、耐酸碱等多种优良性能。悬浮单层石墨烯在室温下的热导率高达5300W/mk，远远超过了石墨和金刚石，是目前已知导热系数最高的材料。然而，石墨烯基薄膜层间范德华力导致了其较大的层间热阻，使得其垂直于平面方向的纵向热导率要比横向热导率低超过2个数量级，显示出明显的各向异性热传导，在一定程度上限制了其在热界面材料方面的应用。而垂直定向碳纳米管阵列纵向方向具有高导热性能，实验结果表明，单根单壁碳纳米管的理论轴向导热率可达5800W/mk，而一些多壁碳纳米管的轴向热导率也能超过3000W/mk。结合石墨烯横向导热率高和垂直定向碳纳米管阵列纵向导热率高的特性,设计横向和纵向导热率均较高的热界面散热材料。在复合薄膜中垂直定向碳纳米管阵列提供了额外的纵向导热通路，从而在保证较高横向热导率的基础上提高其在纵向的热导率。石墨烯可以填充图形化和致密化后的垂直定向碳纳米管阵列的空隙。这样二者的结构以及性能得到很好的互补，二者之间的协同效应可以有效提高热界面散热材料横向和纵向导热性能。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜材料及其制备方法，将氧化石墨烯制成溶液，填充图形化和致密化处理过后的垂直定向碳纳米管阵列，然后在高温下还原氧化石墨烯，得到垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜材料。其中垂直定向碳纳米管阵列结构形成复合薄膜提供额外的纵向导热通路，而石墨烯则为其提供横向导热通路。利用垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯材料特性，二者的性能得到很好的互补，有效地提高复合薄膜的纵向和横向导热性能。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜材料，包括石墨烯和在其中均匀分布的垂直定向碳纳米管阵列；其中，垂直定向碳纳米管阵列结构为复合薄膜材料本体提供额外的纵向导热通路，形成石墨烯层间的纵向导热通路；而石墨烯则为复合薄膜材料本体提供横向导热通路；利用垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯材料的定向导热通道，使垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯材料形成立体网状的导热通道结构，复合薄膜的纵向导热和横向导热实现互补，垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯的接触位置或连接处形成导热界面连接结构。

作为本发明优选的技术方案，其中，石墨烯层间距为0.5～3μm，石墨烯厚度为0.8～1.2nm，垂直定向碳纳米管阵列的碳纳米管高度为100～200μm。

作为本发明优选的技术方案，将氧化石墨烯制成氧化石墨溶液，然后采用氧化石墨溶液来填充图形化和致密化处理后的垂直定向碳纳米管阵列，并去除垂直定向碳纳米管阵列的碳纳米管簇间隙中的氧化石墨溶液的液体溶剂，使每一簇碳纳米管之间的间隙填充氧化石墨烯，然后在高温下还原氧化石墨烯，得到垂直定向碳纳米管阵列和石墨烯复合薄膜。