一种金刚石诱导石墨烯纳米片分布的复合材料及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种金刚石诱导石墨烯纳米片分布的复合材料及制备方法，所述复合材料包括以下体积比的组分：金刚石10

【技术实现步骤摘要】
一种金刚石诱导石墨烯纳米片分布的复合材料及制备方法


[0001]本专利技术属于复合材料
，具体涉及一种金刚石诱导石墨烯纳米片分布的复合材料及制备方法。

技术介绍

[0002]随着电子器件集成度的不断提高和功率密度的不断提高，许多电子器件的热管理对于保证其可靠运行变得越来越重要。研究者指出电子系统55％的故障源于器件不合理的工作温度，而电子器件的散热状况决定了电子系统的整体性能，过热会严重影响电子设备的寿命及可靠性。一般而言电子设备在70
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80℃水平上每増加1℃，可靠性就会下降10％，温度越高，可靠性下降越大，有效散热在这里就显得尤为重要。而导致电子设备失效的几个主要因素中，由温度过高引起的电子设备失效占80％以上。为了保证元器件的正常工作和延长使用寿命，就需要对元器件进行有效的热管理。
[0003]为了减小电子元器件与热沉之间的接触热阻，不同种类的热界面材料(TIMs)被涂覆在接触界面上。热界面材料又称为导热界面材料或者界面导热材料，是一种普遍用于IC封装和电子散热的材料。热界面材料可以填补两个固体表面接触时产生的微孔隙以及表面凹凸不平产生的空洞，从而增加固体表面间的接触面积，由此提升电子器件的散热性能。
[0004]液态金属是指熔点较低的金属或者金属化合物。一般来讲，其在常温下或者温度略高于常温的条件下就已经熔化成为液态。常见的液态金属如水银、金属镓及镓基金属化合物。液态金属其较高的导热能力和导电能力在能量管理、转化和储存等各个方面都得到了广泛的应用。液态金属的流动性使它们能够填补电子芯片和散热器之间的空气间隙。镓基液态金属自身的导热率26W/mK左右，随着电子器件对更高导热系数热界面材料的要求，因此需要开发高导热的液态金属复合材料。

技术实现思路

[0005]本专利技术主要解决的技术问题是提供一种金刚石诱导石墨烯纳米片分布的复合材料及制备方法，在不改变镓基液态金属本身柔性和高导热性的基础上，利用各向同性的金刚石与各向异性的石墨烯纳米片与镓基液态金属复合，在镓基液态金属内部形成有效的热通路，进一步增强液态金属的导热能力。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是：本专利技术提供了一种金刚石诱导石墨烯纳米片分布的复合材料，所述复合材料包括以下体积比的组分：
[0007]金刚石10
‑
40％，石墨烯5
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10％，余量为镓基液态金属，所述金刚石为金刚石颗粒，所述石墨烯为石墨烯纳米片；所述金刚石与石墨烯发生相互协同的作用在复合材料中构成有效的导热通路；
[0008]所述复合材料为膏状物。
[0009]金刚石、石墨烯加入量过少，导热率提升不明显，加入量过多复合材料会变成粉状。该含量组分是本申请人经过有限次试验得出的。
[0010]进一步地说，所述金刚石、石墨烯与镓基液态金属在室温条件下用球磨机强制氧化混合而得所述复合材料。
[0011]进一步地说，所述镓基液态金属为镓铟合金、镓锡合金和镓铟锡合金中的至少一种。
[0012]进一步地说，所述金刚石纳米颗粒和石墨烯纳米片的尺寸皆在100
‑
1000nm之间。
[0013]进一步地说，所述复合材料的导热系数保持在90W/mK以上。
[0014]进一步地说，当石墨烯纳米片和金刚石进行体积分数分别为5％和40％填充时，导热系数达到121W/mK。
[0015]进一步地说，在加热温度小于50℃时，所述复合材料一直为膏状物。
[0016]本专利技术所制得的复合材料，通过球磨造成液态金属大量氧化，为液态金属的氧化物与金刚石和石墨烯的膏状混合体，在加热时仍为膏状。实际散热应用过程中，如果受热熔化为液态则存在泄露风险，本专利技术在受热时不熔化，则不会存在这种风险。
[0017]本专利技术还提供了一种所述的金刚石诱导石墨烯纳米片分布的复合材料的制备方法，包括如下步骤:
[0018](1)根据体积比称取金刚石和石墨烯纳米片加入到称取好的镓基液态金属中得到材料A；
[0019](2)将材料A加入到聚四氟乙烯杯中，烧杯中填充不同粒径大小的锆刚玉小球，然后放入球磨机中进行球磨；
[0020](3)用球磨机使金刚石、石墨烯纳米片与镓基液态金属进行15
‑
20min的强制氧化混合，最终得到膏状物；
[0021](4)混合结束后从聚四氟乙烯杯中取出，用行星式脱泡机进行脱泡处理。
[0022]材料A在球磨机中进行球磨时，液态金属复合物已经开始氧化，球磨时间越长氧化越严重，球磨结束由液态变为膏状，出来直接为膏体。
[0023]进一步地说，步骤(3)中进行球磨时，前5到10分钟球磨速度为300
‑
500转/分，剩余时间改为180
‑
220转/分使材料混合均匀。
[0024]第一次高速球磨是初混，第二次低速球磨时精混，高转速使粉末更容易分散均匀，低转速是为了让液金更好的包裹粉末。
[0025]进一步地说，步骤(4)中行星式脱泡机的转速为2200
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2600转/分，真空度
‑
85到
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95kPa，脱泡时间为1
‑
2min。通过真空脱泡对混合氧化后形成的气泡进行处理，能够降低复合材料的孔隙度。
[0026]进一步地说，在步骤(1)之前对金刚石和石墨烯纳米片进行超声清洗，去除表面油污。
[0027]本专利技术的有益效果是：
[0028]本专利技术的这种金刚石诱导石墨烯纳米片分布的复合材料采用的基底为镓基液态金属，导热填料为金刚石和石墨烯纳米片，由于石墨烯纳米片的在不同的维度上导热能力不同，呈现各向异性，其横向热导率达到1000W/mK，但是垂直方向上的热导率小两个数量级，单独使用石墨烯纳米片，不能发挥横向高导热能力的优势，因此本专利技术利用各高导热的各向同性的金刚石来弥补石墨烯纳米片在当作导热填料的不足之处，由于金刚石在各个方向上的导热能力相同，所以金刚石在与石墨烯纳米片接触时，可以避免热流在石墨烯纳米
片垂直方向传导不畅的问题，因此形成有效的导热通路。通过两者的协同作用，它们在液态金属内部形成有效的导热通路，极大提高了镓基液态金属的导热能力；
[0029]即本复合材料利用各向同性颗粒诱导各向异性颗粒的分布可以获得良好的导热性能。该界面材料的性能优于市面上大部分现有产品，复合后的液态金属材料仍具有金属和流体的性质，可用于软机器人、可穿戴设备、柔性电子领域
[0030]再者，本专利技术所制得的复合材料，通过球磨造成液态金属大量氧化，为液态金属的氧化物与金刚石和石墨烯的膏状混合体，在加热时仍为膏状。实际散热应用过程中，如果受热熔化为液态则存在泄露风险，本专利技术在受热时不熔化，则不会存在这种风险。
[0031]上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本专利技术的较佳实施例并配合附本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金刚石诱导石墨烯纳米片分布的复合材料，其特征在于：所述复合材料包括以下体积比的组分：金刚石10
‑
40％，石墨烯5
‑
10％，余量为镓基液态金属，所述金刚石为金刚石颗粒，所述石墨烯为石墨烯纳米片；所述金刚石与石墨烯发生相互协同的作用在复合材料中构成有效的导热通路；所述复合材料为膏状物。2.根据权利要求1所述的金刚石诱导石墨烯纳米片分布的复合材料，其特征在于：所述金刚石、石墨烯与镓基液态金属在室温条件下用球磨机强制氧化混合而得所述复合材料。3.根据权利要求1所述的金刚石诱导石墨烯纳米片分布的复合材料，其特征在于：所述镓基液态金属为镓铟合金、镓锡合金和镓铟锡合金中的至少一种。4.根据权利要求1所述的金刚石诱导石墨烯纳米片分布的复合材料，其特征在于：所述金刚石纳米颗粒和石墨烯纳米片的尺寸皆在100
‑
1000nm之间。5.根据权利要求1所述的金刚石诱导石墨烯纳米片分布的复合材料，其特征在于：所述复合材料的导热系数保持在90W/mK以上。6.根据权利要求5所述的金刚石诱导石墨烯纳米片分布的复合材料，其特征在于：当石墨烯纳米片和金刚石进行体积分数分别为5％和40％填充时，导热系数达到121W/mK。7.根据权利要求2所述的金刚石诱导石墨烯纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾立邦，袁子毅，张俊，柴进，
申请(专利权)人：空间液态金属科技发展江苏有限公司，
类型：发明
国别省市：