高導(dǎo)熱石墨烯薄膜的制備方法及基于該薄膜的散熱方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種高導(dǎo)熱石墨烯薄膜的制備方法，包括以下步驟：將氧化石墨烯制備成氧化石墨烯溶液，并將制得的氧化石墨烯溶液涂布到輔助基板表面；蒸干所述輔助基板表面的氧化石墨烯溶液，以獲得氧化石墨烯薄膜；將帶有氧化石墨烯薄膜的輔助基板置入含有還原劑的水溶液中以還原所述氧化石墨烯薄膜的表面，使其從輔助基板上脫離；對(duì)脫離的氧化石墨烯薄膜進(jìn)行熱處理，以使其完全還原成石墨烯薄膜；對(duì)完全還原的石墨烯薄膜進(jìn)行碾壓處理以提高其密度，從而得到高導(dǎo)熱石墨烯薄膜。本發(fā)明的制備方法能夠獲得具備良好的柔性和機(jī)械強(qiáng)度以及極高的橫向熱導(dǎo)率的石墨烯薄膜。
【專利說(shuō)明】
高導(dǎo)熱石墨烯薄膜的制備方法及基于該薄膜的散熱方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及大功率器件表面散熱領(lǐng)域，尤其涉及一種高導(dǎo)熱石墨烯薄膜的制備方法及基于該薄膜的散熱方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著微電子系統(tǒng)的不斷集成化和高功率化，集成芯片和設(shè)備的散熱也變成了一個(gè)急需解決的問(wèn)題。為了尋找高導(dǎo)熱的、經(jīng)濟(jì)的、環(huán)境友好的解決方案，工業(yè)領(lǐng)域和科研界投入了大量的努力去研究各種新型的散熱材料。在所有散熱材料當(dāng)中，石墨烯因其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)變得尤其令人矚目，其蜂窩狀碳結(jié)構(gòu)組成的單層或者多層石墨結(jié)構(gòu)使得石墨烯具備極高的橫向熱導(dǎo)率。同時(shí)大量文獻(xiàn)報(bào)道了關(guān)于使用石墨烯在散熱方面的研究及應(yīng)用，例如，將通過(guò)化學(xué)氣相沉積法制備的單層石墨烯薄膜應(yīng)用到熱點(diǎn)的表面用作散熱片可以表現(xiàn)出一定的降溫效應(yīng)。然而，由于此過(guò)程的低效率、復(fù)雜性以及相對(duì)較高的成本，使得這種應(yīng)用具有一定的局限性。此外，石墨烯和聚合物的復(fù)合材料同樣也被制備出來(lái)并且已應(yīng)用在散熱領(lǐng)域，然而此種復(fù)合材料的熱導(dǎo)率往往不高，這是因?yàn)槭╊w粒之間存在較為嚴(yán)重的聲子散射的原因。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明一方面提供一種具有高導(dǎo)熱率的石墨烯薄膜的制備方法，
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0005]—種高導(dǎo)熱石墨烯薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0006](I)將氧化石墨烯制備成氧化石墨烯溶液，并將制得的氧化石墨烯溶液涂布到輔助基板表面；
[0007](2)蒸干所述輔助基板表面的氧化石墨烯溶液，以獲得氧化石墨烯薄膜；
[0008](3)將帶有氧化石墨烯薄膜的輔助基板置入含有還原劑的水溶液中以還原所述氧化石墨烯薄膜的表面，使其從輔助基板上脫離；
[0009](4)對(duì)脫離的氧化石墨烯薄膜進(jìn)行熱處理，以使其完全還原成石墨烯薄膜；
[0010](5)對(duì)完全還原的石墨烯薄膜進(jìn)行碾壓處理以提高其密度，從而得到高導(dǎo)熱石墨稀薄膜。
[0011]優(yōu)選地，所述步驟(I)中制得的氧化石墨稀溶液的濃度為2?IOmg/ mL。
[0012]優(yōu)選地，所述步驟(2)在50?1000C的溫度下蒸干所述輔助基板表面的氧化石墨烯溶液。
[0013]優(yōu)選地，所述步驟(3)中的還原劑包括以下還原劑中的任何一種或多種:氫碘酸、水合肼、維生素c以及硼氫化鈉。
[0014]優(yōu)選地，所述步驟(3)中還原所述氧化石墨烯薄膜表面的還原時(shí)間為2?24小時(shí)，還原溫度為10?100°c。
[0015]優(yōu)選地，所述步驟(4)中的熱處理步驟包括將所述氧化石墨烯薄膜置于電弧爐中，并使其在氬氣環(huán)境下以每小時(shí)500?1000 °C的加熱速率加熱到1000?3000 °C后保持0.5?3小時(shí)。
[0016]優(yōu)選地，所述步驟(5)將石墨稀薄膜的密度提高至2?2.3g/cm3。
[0017]本發(fā)明另一方面提供一種基于前述高導(dǎo)熱石墨烯薄膜的散熱方法，用于實(shí)現(xiàn)應(yīng)用基板的快速散熱，包括以下步驟:
[0018](A)制備包含第一部分和第二部分的氨基化硅烷分子功能層，其中所述第一部分是由活化劑和氧化石墨烯混合而成的活化氧化石墨烯溶液，所述第二部分是體積濃度為10?60 %的氨基化硅烷分子乙醇溶液；
[0019](B)將所述第一部分涂布在所述高導(dǎo)熱石墨烯薄膜的表面，將所述第二部分涂布在應(yīng)用基板的表面；
[0020](C)當(dāng)所述高導(dǎo)熱石墨烯薄膜表面的第一部分和所述應(yīng)用基板表面的第二部分中的溶劑揮發(fā)后，將涂布有第一部分的所述高導(dǎo)熱石墨烯薄膜表面倒置在涂布有第二部分的應(yīng)用基板表面，并進(jìn)行固化處理，然后通過(guò)所述高導(dǎo)熱石墨烯薄膜實(shí)現(xiàn)應(yīng)用基板的散熱。
[0021]優(yōu)選地，所述步驟(A)中的所述活化劑為N，N_二環(huán)己基碳二亞胺，其中，所述活化劑和氧化石墨烯的質(zhì)量比為1:5。
[0022 ]優(yōu)選地，所述步驟(C)中固化處理的固化溫度范圍在50?100 °C之間，固化時(shí)間為5?60分鐘。
[0023]本發(fā)明的有益效果在于:相比于現(xiàn)有技術(shù)中的單層石墨烯或者石墨烯聚合物復(fù)合材料，采用本發(fā)明的制備方法制得的高導(dǎo)熱石墨烯薄膜是由石墨烯納米薄片構(gòu)成的具有微米級(jí)別厚度的薄膜結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，石墨烯呈現(xiàn)出橫向排列從而形成層狀結(jié)構(gòu)，這使得石墨烯薄膜具備良好的柔性和機(jī)械強(qiáng)度以及極高的橫向熱導(dǎo)率(大于2000w/mk)。這些優(yōu)秀的性能使得石墨烯薄膜可以作為一種散熱材料用于水平方向快速分散熱點(diǎn)的熱量。此外，在采用石墨烯薄膜對(duì)應(yīng)用基板進(jìn)行散熱時(shí)，為了降低應(yīng)用基板和石墨烯薄膜之間的界面熱阻，本發(fā)明提出了利用氨基化硅烷分子功能層作為連接層來(lái)連接石墨烯薄膜與應(yīng)用基板，該分子功能層可以在石墨烯薄膜和應(yīng)用基板之間建立共價(jià)鍵，從而使得石墨烯薄膜的散熱效率提高50%。這些性能展示了本發(fā)明的高導(dǎo)熱石墨烯薄膜的制備方法及基于該薄膜的散熱方法在大功率器件散熱領(lǐng)域中的巨大潛力。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為本發(fā)明的高導(dǎo)熱石墨烯薄膜的制備方法的流程圖；
[0025]圖2為本發(fā)明的基于高導(dǎo)熱石墨烯薄膜的散熱方法的流程圖；
[0026]圖3為四種樣品的芯片溫度和熱流密度關(guān)系曲線對(duì)比圖；
[0027]圖4為采用功能化氧化石墨烯和純氧化石墨烯作為連接層的界面熱阻測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖:(a)連接層位于Au-Cr與GBF之間，(b)連接層位于Au-Cr與Si02之間；
[0028]圖5為采用不同氨基化硅烷分子作為連接層時(shí)的熱點(diǎn)溫度降低曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖，給出本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并予以詳細(xì)描述。
[0030]在如圖1所述的實(shí)施例中，本發(fā)明的高導(dǎo)熱石墨烯薄膜的制備方法包括以下步驟:
[0031](I)采用超聲將氧化石墨烯均勻分散在水溶液中形成濃度為2?10mg/mL的氧化石墨烯溶液，將此氧化石墨烯溶液均勻地涂布到玻璃基板(也可以是其它合適材料的輔助基板)表面。
[0032](2)將玻璃基板轉(zhuǎn)移到烘箱當(dāng)中，并在50?100°C的溫度下完全蒸干玻璃基板表面的氧化石墨烯溶液以獲得氧化石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)。
[0033](3)將帶有氧化石墨烯薄膜的玻璃基板轉(zhuǎn)移到含有還原劑的水溶液中，以化學(xué)還原氧化石墨烯表面，從而使其從玻璃基板脫離而獲得獨(dú)立的、局部還原的氧化石墨烯薄膜，在本實(shí)施例中，還原時(shí)間為2?24小時(shí)，還原溫度為10?100°C，用于還原氧化石墨稀的還原劑可以是氫碘酸、維生素c、硼氫化鈉及水合肼等還原劑中的任何一種或多種。
[0034](4)將局部還原的氧化石墨烯薄膜固定在兩塊表面拋光的石墨板中間，然后置于電弧爐中在氬氣環(huán)境下以每小時(shí)500?1000°C的加熱速率加熱到1000?3000°C后保持0.5?3h，以使其徹底還原成石墨烯薄膜。
[0035](5)將經(jīng)過(guò)步驟(4)熱處理后的石墨烯薄膜取出，并置于雙輥機(jī)中進(jìn)行碾壓處理，使其密度提高到2?2.3g/cm3，，從而得到高導(dǎo)熱石墨稀薄膜。
[0036]當(dāng)采用上述高導(dǎo)熱石墨烯薄膜對(duì)應(yīng)用基板進(jìn)行散熱時(shí)，本發(fā)明提出了一種利用氨基化硅烷分子功能層作為連接層來(lái)連接石墨烯薄膜與應(yīng)用基板從而降低兩者之間的界面熱阻的散熱方法，如圖2所示的實(shí)施例中，具體包括以下步驟:
[0037](A)制備氨基化硅烷分子功能層，該功能層包含第一部分和第二部分且兩部分溶液的體積優(yōu)選一致。其中，第一部分是由活化劑和氧化石墨烯混合而成的活化氧化石墨烯溶液，第二部分是體積濃度為1?60 %的氨基化硅烷分子乙醇溶液。在本實(shí)施例中，活化劑為N，N-二環(huán)己基碳二亞胺，活化劑和氧化石墨烯的質(zhì)量比為1:5，氨基化硅烷分子包括3-氨基丙基三乙氧基硅烷、氨甲基三乙氧基硅烷、11-氨基i^一烷基三甲氧基硅烷等。
[0038](B)將前述制得的高導(dǎo)熱石墨烯薄膜切割成適合于應(yīng)用基板的大小尺寸，并且在其表面涂布氨基化硅烷分子功能層的第一部分，同時(shí)在應(yīng)用基板的表面涂布氨基化硅烷分子功能層的第二部分。
[0039](C)當(dāng)石墨烯薄膜表面的第一部分和應(yīng)用基板表面的第二部分中的溶劑在室溫下?lián)]發(fā)后，將涂布有第一部分的石墨烯基散熱薄膜表面倒置在涂布有第二部分的應(yīng)用基板表面，并在50?100 °C下固化5?60分鐘，最后便可以在應(yīng)用基板表面獲得由氨基化娃燒分子功能層作為連接層連接的高導(dǎo)熱石墨烯薄膜，通過(guò)該高導(dǎo)熱石墨烯薄膜即可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用基板的快速散熱。
[0040]圖3示出了以下四種樣品的芯片溫度和熱流密度關(guān)系曲線:裸芯片、芯片表面只覆蓋石墨烯薄膜(GBF)、芯片表面覆蓋涂有氧化石墨烯的石墨烯薄膜(GBF+G0)、以及芯片表面覆蓋有氨基化硅烷分子功能層連接的石墨烯薄膜(GBF+FG0)。從圖中可以看出，芯片表面覆蓋有氨基化硅烷分子功能層連接的石墨烯薄膜的樣品表現(xiàn)出最低的芯片溫度。
[0041]圖4示出了采用氨基化硅烷分子功能層(FGO)和純氧化石墨烯(GO)作為連接層的界面熱阻測(cè)量對(duì)比結(jié)果，其中，(a)圖中位于上方的曲線示出了FGO作為Au-Cr與GBF之間的連接層時(shí)的熱阻測(cè)量結(jié)果，(a)圖中位于下方的曲線示出了GO作為Au-Cr與GBF之間的連接層時(shí)的熱阻測(cè)量結(jié)果；(b)圖中位于上方的曲線示出了FGO作為Au-Cr與S12之間的連接層時(shí)的熱阻測(cè)量結(jié)果，(b)圖中位于下方的曲線示出了GO作為Au-Cr與S12之間的連接層時(shí)的熱阻測(cè)量結(jié)果。從圖中可以看出，作為連接層時(shí)，氨基化硅烷分子功能層相對(duì)于純氧化石墨烯層表現(xiàn)出了較低的界面熱阻。
[0042]圖5示出了采用不同氨基化硅烷分子(S卩3-氨基丙基三乙氧基硅烷、氨甲基三乙氧基硅烷、11-氨基十一烷基三甲氧基硅烷)作為連接層來(lái)連接石墨烯薄膜與應(yīng)用基板時(shí)的熱點(diǎn)溫度降低情況，其中如圖所示，3-氨基丙基三乙氧基硅烷表現(xiàn)出了最佳的降溫效果。
[0043]以上所述的，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用以限定本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的上述實(shí)施例還可以做出各種變化。即凡是依據(jù)本發(fā)明申請(qǐng)的權(quán)利要求書(shū)及說(shuō)明書(shū)內(nèi)容所作的簡(jiǎn)單、等效變化與修飾，皆落入本發(fā)明專利的權(quán)利要求保護(hù)范圍。本發(fā)明未詳盡描述的均為常規(guī)技術(shù)內(nèi)容。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高導(dǎo)熱石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將氧化石墨烯制備成氧化石墨烯溶液，并將制得的氧化石墨烯溶液涂布到輔助基板表面； (2)蒸干所述輔助基板表面的氧化石墨烯溶液，以獲得氧化石墨烯薄膜； (3)將帶有氧化石墨烯薄膜的輔助基板置入含有還原劑的水溶液中以還原所述氧化石墨烯薄膜的表面，使其從輔助基板上脫離； (4)對(duì)脫離的氧化石墨烯薄膜進(jìn)行熱處理，以使其完全還原成石墨烯薄膜； (5)對(duì)完全還原的石墨烯薄膜進(jìn)行碾壓處理以提高其密度，從而得到高導(dǎo)熱石墨烯薄膜。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高導(dǎo)熱石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(I)中制得的氧化石墨烯溶液的濃度為2?10mg/mL。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高導(dǎo)熱石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)在50?100°C的溫度下蒸干所述輔助基板表面的氧化石墨烯溶液。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高導(dǎo)熱石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中的還原劑包括以下還原劑中的任何一種或多種:氫碘酸、水合肼、維生素c以及硼氫化鈉。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高導(dǎo)熱石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中還原所述氧化石墨稀薄膜表面的還原時(shí)間為2?24小時(shí)，還原溫度為10?100°C。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高導(dǎo)熱石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(4)中的熱處理步驟包括將所述氧化石墨烯薄膜置于電弧爐中，并使其在氬氣環(huán)境下以每小時(shí)500?1000°C的加熱速率加熱到1000?3000°C后保持0.5?3小時(shí)。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高導(dǎo)熱石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(5)將石墨稀薄膜的密度提高至2?2.3g/Cm308.—種基于權(quán)利要求1中的所述高導(dǎo)熱石墨烯薄膜的散熱方法，用于實(shí)現(xiàn)應(yīng)用基板的快速散熱，其特征在于，包括以下步驟: (A)制備包含第一部分和第二部分的氨基化硅烷分子功能層，其中所述第一部分是由活化劑和氧化石墨烯混合而成的活化氧化石墨烯溶液，所述第二部分是體積濃度為10?60 %的氨基化硅烷分子乙醇溶液； (B)將所述第一部分涂布在所述高導(dǎo)熱石墨烯薄膜的表面，將所述第二部分涂布在應(yīng)用基板的表面； (C)當(dāng)所述高導(dǎo)熱石墨烯薄膜表面的第一部分和所述應(yīng)用基板表面的第二部分中的溶劑揮發(fā)后，將涂布有第一部分的所述高導(dǎo)熱石墨烯薄膜表面倒置在涂布有第二部分的應(yīng)用基板表面，并進(jìn)行固化處理，然后通過(guò)所述高導(dǎo)熱石墨烯薄膜實(shí)現(xiàn)應(yīng)用基板的散熱。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高導(dǎo)熱石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(A)中的所述活化劑為N，N-二環(huán)己基碳二亞胺，其中，所述活化劑和氧化石墨烯的質(zhì)量比為1:5。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高導(dǎo)熱石墨烯薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(C)中固化處理的固化溫度范圍在50?100 0C之間，固化時(shí)間為5?60分鐘。
【文檔編號(hào)】C09K5/14GK105860939SQ201610191785
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年3月30日
【發(fā)明人】劉建影
【申請(qǐng)人】上海上大瑞滬微系統(tǒng)集成技術(shù)有限公司