[发明专利]一种石墨烯基温控涂层及其制备方法

说明书

本发明涉及一种石墨烯基温控涂层，其覆盖在基材上并包括由高导热石墨烯粉体和高辐射石墨烯粉体构成的导热‑辐射无缝串联散热梯度结构，从靠近基材的一侧到远离基材的另一侧，高导热石墨烯粉体和高辐射石墨烯粉体的质量比从1:0.01～1:0.1梯度变化至1:1～1:5。本发明还涉及上述的石墨烯基温控涂层的制备方法，在基材上同时分别动态涂覆或动态混合后涂覆高导热石墨烯基复合涂料和高辐射石墨烯基复合涂料，涂覆时高导热石墨烯基复合涂料的加载速率逐渐减小，高辐射石墨烯基复合涂料的加载速率逐渐增大。根据本发明的石墨烯基温控涂层，可充分发挥高导热和高辐射两种热量传递通道的协同效应，实现对基材温度的有效调控。

技术领域

本发明涉及热控涂层结构及其涂料，更具体地涉及一种石墨烯基温控涂层及其制备方法。

背景技术

随着集成电路加工技术的不断发展，器件集成度持续提高，器件内部功率密度也不断增加，致使电子器件废热无法及时排出而形成局部热点，严重影响器件的工作稳定性和寿命。电子器件失效机率随工作温度升高急剧增加，而且据统计，环境温度每增加10℃，器件工作寿命减少50％。因此，及时排出器件运行产生的大量废热是保证器件可靠性和长寿命的关键。目前，电子器件热管理技术已经成为摩尔定律难以为继、集成度和性能难以继续提升的瓶颈问题。亟需发展高效散热技术，将电子器件内部积聚的热量排出并散发到外部环境，保障器件内部工作温度在安全和可控范围内。另外，近年新能源汽车产业发展迅速，巨大的新能源汽车市场已成为各大车企的必争之地。动力电池作为新能源汽车核心部件，安全性和可靠性是规模化应用的前提。然而，动力电池电芯在充放电过程中会产生一定热量，如不及时散发到环境，电芯内部温度会持续升高，加速电芯材料的老化。当温度超过一定范围，电芯内部隔膜会失效，导致电池热失控，并最终引发电芯燃烧和爆炸等事故。因此，动力电池安全问题，是新能源车产业链亟需解决的关键问题，其关键是突破电池热控制技术。

温控涂层技术是控制器件和系统温度的重要方案，石墨烯材料在提升涂层温控能力方面具有优势。研究表明，单原子层石墨烯是已知材料中导热系数最高的材料，导热系数的理论计算值和实验测试数据都显著高于已知的金属、无机非金属和其他碳材料，因此非常适合作为导热填料制备高性能的界面热传导复合材料。当这种石墨烯基复合材料以涂层形式涂覆于基材时，有利于及时将基材的热量导出到涂层，然后通过涂层向环境中传递，最终降低基材的温度。CN202111034320.5公开了一种石墨烯散热涂料，使石墨烯在涂料中具有形成导热通路的能力，即通过加入不同粒径的导热粒子桥接石墨烯和填料粒子，提高石墨烯在涂料中形成导热通路的能力，减少界面散射，增加涂料的散热性能。此外，石墨烯具有相较于金属材料更高热辐射效率。因此，CN202111301285.9、CN202110871129.X、CN202110643316.2和CN202110845517.0等公开了石墨烯基散热涂料的多种制备方法，它们主要通过添加石墨烯材料提高复合涂层的红外辐射系数，以辐射散热方式将热量传递出去，从而降低物体表面温度。

事实上，对于温控涂层技术来说，涂层的导热能力和辐射性能是必须同时考虑的因素，涂层要能快速吸收物体的热量，并将吸收的热量高效率地辐射到环境中。然而，现有研究和技术在利用石墨烯制备温控涂层方面还存在诸多问题：一方面，忽视对石墨烯材料物性的调控，粗糙地认为石墨烯材料同时具有优异的导热和辐射性能。实际上，不同制备方法得到的石墨烯材料在结构和物性上差异很大，很多物性甚至互斥。高导热性能要求石墨烯薄且晶格质量好，而高辐射率要求石墨烯晶格结构中存在缺陷和晶体点阵畸变，以降低晶体结构对称性，促进分子极化和红外辐射。因此，一种石墨烯材料甚至相似结构的多种石墨烯材料的复合体系无法同时兼顾优异的导热性能和高辐射效率。另一方面，在协调涂层导热和辐射两种途径方面缺少对涂层结构的合理设计，现有技术制备的均匀涂层结构无法充分发挥导热和辐射在提升涂层温控性能方面的协同效应。

发明内容

为了解决上述现有技术中的涂层无法同时兼顾优异的导热性能和高辐射效率等问题，本发明提供一种石墨烯基温控涂层及其制备方法。