本發(fā)明涉及石墨烯材料領域，特別是一種高壓縮回彈的熱界面材料及其制備方法。

背景技術：

1、隨著高功率電子器件熱流密度突破200?w/cm2，對傳統(tǒng)熱界面材料提出了更高的要求。目前，高性能熱界面材料需同時滿足垂直導熱率>15?w/mk、等效熱阻抗<0.1?kcm2/w及50psi下壓縮率>35%等嚴苛要求，常規(guī)的導熱硅膠墊、導熱硅脂難以滿足上述要求。

2、石墨烯材料具有極高的理論導熱率，在高性能散熱材料領域得到了廣泛應用，例如石墨烯散熱膜已經(jīng)在多款新型手機產(chǎn)品中得到應用，石墨烯添加有效提升了常規(guī)高分子材料的導熱率。然而，在熱界面材料中，現(xiàn)有技術存在兩大短板：其一，傳統(tǒng)復合工藝使石墨烯片呈平直排列，剛性過大導致壓縮率過低，且界面上形變能力差導致界面熱阻過大；其二，通過在水平取向的石墨烯膜內(nèi)引入孔洞、褶皺等三維結(jié)構(gòu)，雖然一定程度提升了垂直方向?qū)崧?，但仍維持在10?w/mk以下水準，限制了其應用面。

3、因此，亟需開發(fā)一種新型結(jié)構(gòu)調(diào)控策略，基于垂直取向的石墨烯結(jié)構(gòu)，在介觀尺度（1~100μm）實現(xiàn)石墨烯片彎曲形貌的精確構(gòu)筑，同步優(yōu)化導熱通路與力學回彈特性。

技術實現(xiàn)思路

1、針對當前傳統(tǒng)石墨烯材料制備工藝難以兼顧高導熱和高回彈的問題，本發(fā)明提供一種高壓縮回彈的熱界面材料及其制備方法，通過在取向排列的石墨烯片之間引入高導熱纖維，使得石墨烯片在纖維表面形成波浪形彎曲結(jié)構(gòu)，并在高溫處理后在彎曲面相切部分發(fā)生共軛交聯(lián)，形成三維導熱通道。經(jīng)過垂直切割后，即可得到具有高垂直導熱率和高壓縮率的熱界面材料。

2、具體的，本發(fā)明采用如下技術方案，包含以下步驟：

3、（1）石墨烯原料制備：利用塑化發(fā)泡工藝將氧化石墨烯膜發(fā)泡，再通過2700~3200℃高溫還原處理得到厚度在50~500μm的石墨烯泡沫膜；

4、（2）纖維陣列構(gòu)建：將表面涂覆彈性高分子前驅(qū)體的高導熱纖維陣列，在石墨烯泡沫膜表面沿同一方向鋪設，并滿足：

5、a.?纖維直徑d=2~30μm；

6、b.?相鄰纖維間距s≥4μm，且滿足s/d≥0.5；

7、（3）多層復合：交替堆疊纖維層與石墨烯泡沫膜，控制最終的疊層材料總厚度不小于4cm；纖維層相鄰層間的纖維角度不大于3°；高取向度纖維層能夠保障rgo膜在纖維間的變形，形成波浪形結(jié)構(gòu)。

8、（4）熱壓成型：對步驟（3）得到的疊層材料施加5~40mpa壓力，壓力方向垂直于石墨烯膜表面，并在20~100℃條件下處理1~6h，得到復合塊體；因纖維位阻導致石墨烯片ππ堆疊形成物理交聯(lián)。

9、（5）定向切片：對步驟（3）得到的復合塊體切片，切割方向垂直于石墨烯膜表面，并與高導熱纖維軸向平行，切割厚度在0.2~1mm，去除表面含有纖維的片材，得到高壓縮回彈的熱界面材料。

10、進一步地，步驟（1）所述氧化石墨烯膜中的氧化石墨烯片平均直徑不低于2μm。氧化石墨烯片徑控制在合理范圍內(nèi)是為了有效形成波浪形彎曲結(jié)構(gòu)，并貫穿熱界面上下表面形成導熱通道。氧化石墨烯片太小，邊緣數(shù)量過高，導致導熱通道中斷，垂直導熱率下降。

11、進一步地，步驟（2）所述高導熱纖維陣列為瀝青基碳纖維陣列、石墨烯纖維陣列、氮化硼纖維陣列、碳納米管纖維陣列中的一種或多種混合，沿纖維方向的導熱率不低于400w/mk。高導熱纖維陣列一方面起到輔助石墨烯膜變形的作用，另一方面本身具有導熱能力，幫助熱量沿水平方向傳遞，相比傳統(tǒng)的單一垂直散熱界面材料，更有利于熱量的均勻分布，避免熱量聚集。

12、進一步地，步驟（2）所述彈性高分子前驅(qū)體為未固化的硅膠、聚氨酯中的一種。硅膠和聚氨酯是常見的彈性高分子材料，可在催化劑作用下在低溫熱壓中固化，提供良好的彈性。

13、進一步地，步驟（2）所述高導熱纖維陣列中的高導熱纖維直徑為5~15μm。

14、進一步地，步驟（5）所述的切片的方式為線切割、超聲刀切割或激光切割的一種。

15、通過合理調(diào)控還原氧化石墨烯膜厚度與高導熱纖維的直徑和間距，使得交替疊層的材料在壓力作用下，內(nèi)部發(fā)生密實化，石墨烯泡沫膜中的褶皺石墨烯片由于高柔性，在纖維表面發(fā)生彎曲變形并形成波浪形結(jié)構(gòu)，而波浪形結(jié)構(gòu)能夠帶來類似彈簧的力學效果，使得熱界面材料在垂直方向上具有高壓縮性能。此外，彎曲的石墨烯片在纖維表面因擠壓產(chǎn)生共軛物理交聯(lián)，進一步提升壓縮性和回彈性。再者，彈性高分子既起到粘接作用，又顯著提升壓縮回彈性，有利于提升材料整體的力學表現(xiàn)。

16、本發(fā)明還提供一種上述方法制備的高壓縮回彈的熱界面材料，該材料由波浪形石墨烯片、高導熱纖維和彈性高分子組成，其中波浪形石墨烯片整體沿垂直方向排列，高導熱纖維沿水平方向排列，彈性高分子分布在石墨烯片和高導熱纖維之間并起到連接作用，波浪形石墨烯片在纖維兩側(cè)的位置產(chǎn)生局部物理交聯(lián)。石墨烯片垂直排列提供導熱通道；高導熱纖維水平排列提供水平導熱；彈性高分子將纖維和石墨烯結(jié)合，提高水平強度和垂直彈性。

17、進一步地，所述高導熱纖維為瀝青基碳纖維、石墨烯纖維、氮化硼纖維、碳納米管纖維中的一種或多種混合，沿纖維方向的導熱率不低于400w/mk。

18、所述熱界面材料在50%應變下的壓縮回彈率不低于90%，在50%應變下的熱阻抗不高于0.1?kcm2/w。

19、本發(fā)明的有益效果：

20、（1）結(jié)構(gòu)-材料雙維度提升熱界面材料的壓縮回彈性：結(jié)構(gòu)上，通過引入高導熱纖維并形成彎曲結(jié)構(gòu)，在材料橫截面上自發(fā)形成波浪形結(jié)構(gòu)。不同于傳統(tǒng)的簡單堆疊，一是避免了片狀豎直結(jié)構(gòu)帶來的剛性過大，二是波浪形石墨烯片在面內(nèi)壓縮后會產(chǎn)生彈簧回彈的效應，展現(xiàn)出更高的回彈率，三是石墨烯片間在纖維外側(cè)被擠壓形成共軛交聯(lián)，進一步提高片間的散熱能力和橫向強度。材料上，引入彈性高分子后，既通過粘接作用提高了石墨烯和高導熱纖維的作用力，顯著優(yōu)化材料水平拉伸強度，又為材料的壓縮回彈提供額外彈性，綜合改善材料垂直壓縮和回彈性能。

21、（2）構(gòu)建三維導熱通道：石墨烯的二維特性決定其在面內(nèi)導熱率高而在垂直方向?qū)崧实停敫邔崂w維后，在水平方向熱量可沿纖維快速傳輸，同時誘導石墨烯片形成波浪形結(jié)構(gòu)后，產(chǎn)生了局部交聯(lián)同樣顯著提升了水平方向?qū)崮芰Γ瑫r豎直排列的石墨烯片構(gòu)建起豐富的導熱通道，使得材料在水平導熱和垂直導熱上實現(xiàn)了兼顧。

22、（3）方法簡單易放大：在常規(guī)的石墨烯材料成型方法基礎上，引入高導熱纖維，可簡單實現(xiàn)批量化制備，對設備、材料和人員要求較低。

技術特征：

1.一種高壓縮回彈的熱界面材料的制備方法，其特征在于，包含以下步驟：

2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟（1）所述氧化石墨烯膜中的氧化石墨烯片平均直徑不低于2μm。

3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟（2）所述高導熱纖維陣列為瀝青基碳纖維陣列、石墨烯纖維陣列、氮化硼纖維陣列、碳納米管纖維陣列中的一種或多種混合，沿纖維方向的導熱率不低于400w/mk。

4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟（2）所述彈性高分子前驅(qū)體為未固化的硅膠、聚氨酯中的一種。

5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟（2）所述高導熱纖維陣列中的高導熱纖維直徑為5~15μm。

6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟（5）所述的切片的方式為線切割、超聲刀切割或激光切割的一種。

7.一種如權利要求1所述方法制備的高壓縮回彈的熱界面材料，其特征在于，由波浪形石墨烯片、高導熱纖維和彈性高分子組成，其中波浪形石墨烯片整體沿垂直方向排列，高導熱纖維沿水平方向排列，彈性高分子分布在石墨烯片和高導熱纖維之間并起到連接作用，波浪形石墨烯片在纖維兩側(cè)的位置產(chǎn)生局部物理交聯(lián)。

8.根據(jù)權利要求7所述的材料，其特征在于，所述高導熱纖維為瀝青基碳纖維、石墨烯纖維、氮化硼纖維、碳納米管纖維中的一種或多種混合，沿纖維方向的導熱率不低于400w/mk。

9.根據(jù)權利要求7所述的材料，其特征在于，所述熱界面材料在50%應變下的壓縮回彈率不低于90%，在50%應變下的熱阻抗不高于0.1?kcm2/w。

技術總結(jié)
本發(fā)明公開了一種高壓縮回彈的熱界面材料及其制備方法，在取向排列的石墨烯片之間引入高導熱纖維和彈性高分子，在壓力作用下使得石墨烯片在纖維表面形成彎曲結(jié)構(gòu)，彈性高分子將石墨烯和高導熱纖維牢固結(jié)合并提高壓縮回彈能力，彎曲的石墨烯片間通過ππ共軛形成物理交聯(lián)，從而構(gòu)建兼具導熱骨架和彈性微結(jié)構(gòu)的材料。隨后沿垂直于石墨烯片的方向切割，得到包含彎曲石墨烯片和高導熱纖維的界面材料，從而使得材料兼具高垂直導熱率、高水平導熱率和高壓縮率。

技術研發(fā)人員：姜炎秋,賴海文,楊泓,蔡盛贏,王勇霖,趙博,孫秋菊,陳琛
受保護的技術使用者：浙江烯界熱管理技術有限公司
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/5/8