[发明专利]一种具有相互垂直结构的石墨烯基热界面材料的构筑方法

说明书

本发明公开了一种具有相互垂直结构的石墨烯基热界面材料的构筑方法，所述方法为了实现石墨烯片层的相互垂直排布，利用平板单向冷冻引入温度梯度，在该梯度的驱动作用下，石墨烯片可以实现垂直方向的高度定向排布，预还原的石墨烯水凝胶在重力及容器底的诱导下形成底部平行结构，而上部维持垂直排布，并在后续的还原下维持底部平行，上部垂直的定向结构。本发明制备的石墨烯宏观体具有底部平行上部垂直的特殊定向结构，可以充分发挥石墨烯在平面方向的优异性能，解决界面处局部热点与热传导问题，可作为热界面材料应用于热管理领域。

技术领域

本发明属于热界面材料领域，涉及一种高性能热界面材料的构筑方法，具体涉及一种具有相互垂直结构的石墨烯基热界面材料的构筑方法。

背景技术

电子设备在运行过程中产生热量，温度上升不仅影响设备的正常运转，同时降低设备使用寿命，存在安全隐患，因此有效地散热对电子设备的正常运行是非常重要的。由于任何表面都存在微米级别的凹槽，当两个固体表面(对于电子产品而言，通常为器件与热沉表面)相互接触时，有效接触面积不足1％，这些微小的间隙充满了空气，空气是热的不良导体，导热系数仅为0.22W m^-1K^-1，阻碍了两个界面间的有效热传导。热界面材料(TIM)填补了这个缺口，它的高导热性提高了热量转化率达到热平衡，改善了界面的有效热传导。石墨烯作为二维材料，对搭建宏观体有着天然的优势，已知单层石墨烯具有最高的热导率，约5000W m^-1K^-1，同时具有较低的热膨胀系数，与基体材料接触电阻低，比表面积大，机械性能优良等，这些特性使它成为制造TIM的理想材料。

石墨烯具有超高面内热导率，因此石墨烯在TIM中应用通常将其垂直定向排布，从而发挥其面内热导率的优势，将热量从热源传导到散热材料中。但是这种情况下不可避免的一个问题就是，TIM平行方向的热导率极差(石墨烯面外热导率极低)，这严重影响了热点的温度扩散(均温)。因此，如果设计和热点接触的薄层区域中石墨烯平行排布，起到迅速均温的目的，同时上部石墨烯垂直排布，将扩散开的热量有效的传导到散热器。这种上部石墨烯垂直排布，下部石墨烯平行排布的TIM既可以有效避免局部热点过热，又可以有效传递热量，是一种相对理想的热界面材料。但是现有TIM制备方法无法制备这种具有特殊结构的材料。

发明内容

为了实现石墨烯底部平行排布，上部垂直排布，本发明提供了一种具有相互垂直结构的石墨烯基热界面材料的构筑方法。本发明为了实现石墨烯片层的相互垂直排布，利用平板单向冷冻引入温度梯度，在该梯度的驱动作用下，石墨烯片可以实现垂直方向的高度定向排布，预还原的石墨烯水凝胶在重力及容器底的诱导下形成底部平行结构，而上部维持垂直排布，并在后续的还原下维持底部平行，上部垂直的定向结构。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种具有相互垂直结构的石墨烯基热界面材料的构筑方法，包括如下步骤：

步骤一：将氧化石墨烯溶液置于冷冻模具中，与还原剂、促进定向的有机溶剂充分混合后进行预还原处理。

本步骤中，还原剂为抗坏血酸，也可以是其他促进凝胶的还原剂，如氢氧化钾、氢碘酸、水合肼、硼氢化钠等。

本步骤中，促进定向的有机溶剂为甲醇、乙醇或其他有机溶剂。

本步骤中，冰模板定向前需对混合溶液进行预还原处理，预还原的程度为液体具有粘性但不流动，确保冰冻过程中形成定向结构。

本步骤中，冷冻模具由底部热导率为5～400W m^-1K^-1的金属，侧壁热导率为0.01～2W m^-1K^-1的聚合物构成。

本步骤中，预还原处理的时间控制在1～3h内。

本步骤中，氧化石墨烯、还原剂、有机溶剂的质量比为40～60:100:1。