本發明涉及復合材料領域，具體涉及一種輕質高導熱含鋁石墨烯基散熱材料的制備方法及散熱材料。

背景技術：

在航空航天領域，各種航天器和武器裝備功能越來越強大，那么內部構件的集成度越來越大，功率密度也越來越大，需要高效率的散熱材料和結構，然而目前的散熱材料已經遠遠滿足不了發展的要求。比如，對于高度集成化的深空探測系統，探測器空間有限且多采用核能產生電能進行推進與系統運行，導致電子元件與電源集成在狹小區域內，熱流密度急劇增加，針對特殊的外太空環境，我們要求新一代的散熱材料兼具高熱導率、大輻射系數同時質量又要比較輕。

石墨烯作為一類新型二維晶體材料，除具有超高的強度之外，其單層熱導率高達～5300w/(m·k)，并且具有優異的輻射性能。給新一代散熱材料的研制提供了難得的機遇。如果能將石墨烯以某種方式組裝成宏觀的結構或者材料，又能充分發揮石墨烯納觀尺度的熱學性能，實現從納觀尺度到宏觀尺度的跨越，就可以使得石墨烯的熱學性能得到有效利用。目前石墨烯散熱膜的制備相對比較成熟，熱導率也可以達到～2000w/(m·k)。但是石墨烯散熱膜很難徹底解決散熱難題，因為其存在一個根本的矛盾——熱導率隨厚度增加而降低。

傅里葉定律是描述材料導熱性能的最重要的定理。根據傅里葉定律，可以算出單位時間內傳輸的能量。對于一維平壁的熱傳導，傅里葉定律為：

熱通量:

q＝q″·a

熱流密度q″(w/m²)是在與傳輸方向相垂直的單位面積上，在x方向上的傳熱速率。它與該方向上的溫度梯度成正比，比例常數k為熱導率(w/(m·k))。因熱能是向溫度降低的方向傳輸，所以方程中有負號。a是熱傳導方向上的橫截面積。所以我們要得到很好的散熱效果，必須制備厚膜或者三維的塊體材料。但是石墨烯薄膜隨著厚度的增加，其致密性難以保證且層間的聲子散射增加，導致了其熱導率急劇下降(y.zhang,j.liuetal,improvedheatspreadingperformanceoffunctionalizedgrapheneinmicroelectronicdeviceapplication[j].advancedfunctionalmaterial,2015,25,4430–4435.)。因此，對于航空領域，石墨烯散熱材料存在的難題為無法同時實現輕質、高熱導率和大厚度(三維塊體)，即無法獲得大的熱通量。.

技術實現要素：

針對上述石墨烯薄膜隨著厚度的增加，其致密性難以保證且層間的聲子散射增加，導致了其熱導率急劇下降，無法同時實現輕質、高熱導率和大厚度(三維塊體)，即無法獲得大的熱通量等問題，本發明提供一種輕質高導熱含鋁石墨烯基散熱材料的制備方法，具體是按照以下步驟進行的：

1)配制鋁粉分散液：將鋁粉分散在去離子水中；

2)配制石墨烯分散液：將石墨烯粉末分散在去離子水中；

3)鋁粉分散液與石墨烯分散液混合；4)冷凍干燥得到納米混合粉末；

5)將混合粉末熱處理；

6)熱壓燒結：將步驟5)得到的混合粉末放入石墨模具中熱壓燒結，即得到輕質高導熱含鋁石墨烯基散熱材料；

先進行上述步驟1)后進行上述步驟2)，或先進行上述步驟2)后進行上述步驟1)。

上述具體步驟為：

1)配制鋁粉分散液：將粒徑為1～3微米的球狀鋁粉分散在去離子水中，在頻率為10khz～100khz下，進行超聲處理30min～60min，得到鋁粉分散液；

2)配制石墨烯分散液：將二維尺寸為5～10微米的少層石墨烯粉末分散在去離子水中，在頻率為10khz～100khz下，進行超聲處理30min～60min，使其形成均勻的溶液，得到石墨烯分散液；

3)鋁粉分散液與石墨烯分散液混合：將鋁粉分散液和石墨烯分散液混合，在頻率為10khz～100khz下，水浴超聲5-10min，然后在200w的功率下超聲30min，得到石墨烯/鋁粉混合分散液；

4)冷凍干燥：為了快速冷凍，防止鋁粒子沉淀，將混合分散液倒入面積較大的金

屬容器中，在金屬容器底部和上部分別加載液氮，將分散液中的水速凍成冰，形成

鋁、石墨烯和冰的混合物，將混合物放入凍干機在-100℃下干燥24h～48h，得到混

合粉末；

5)混合粉末熱處理：將上述制備的混合粉末在450℃～500℃下保溫2h去除分散劑，

再將粉末放入氫氣還原爐中在400℃下進行還原2h，以去除鋁粉表面的氧，最后得

到混合粉末；

7)熱壓燒結：將處理后的混合粉末放入石墨模具中，在真空條件下熱壓燒結，即得到輕質高導熱含鋁石墨烯基散熱材料，且可以通過加入混合粉末的多少控制散熱材料的厚度。

所述少層石墨烯為3-10層石墨烯。

優選的，上述步驟2)中所述的石墨烯粉末是通過液相剝離法制備的，所述的石墨烯分散液中，石墨烯的濃度為0.1mg/ml～5mg/ml。。

優選的，上述步驟1)中所述的鋁粉分散液中，鋁粉的濃度為1mg/ml～20mg/ml。

優選的，上述步驟3)中所述的混合分散液中石墨烯與鋁粉的質量比為1:0.1～1:0.7。

優選的，上述步驟4)中所述的冷凍干燥是用液氮從樣品上下兩面進行迅速冷凍，干燥條件是-100℃下干燥24h～48h。

優選的，上述步驟5)中所述的熱處理條件是在450℃～500℃下保溫2h,還原條件是400℃下用氫氣還原2h。

優選的，上述步驟6)中所述的熱壓燒結的條件是溫度600℃下加壓20mpa～60mpa，保溫5min～120min，繼續升溫至700℃，保溫30min～120min，真空環境。

通過粉末的加入量來控制散熱材料的厚度。

本發明的有益效果是：一、本發明方法工藝簡單，并且可以獲得高熱導率的三維片狀散熱材料，解決了高熱導率和大熱通量無法兼顧的難題；二、本發明利用石墨烯超高熱導率，以石墨烯為基本單元，以鋁粉作為粘結劑，在高于鋁粉熔點的溫度下熱壓，鋁起到粘接石墨烯片的作用，并且通過熱壓提供外力，減小了石墨烯片層之間的空隙，增加了致密性，減小了聲子散射，從而增加了材料的熱導率；三、本發明制備的輕質高導熱石墨烯/鋁納米復合材料散熱片在熱壓過程中由于氣體排出時的流體作用，使石墨烯呈定向排列，層與層互相搭接，形成熱通道，從而使散熱片獲得較高的面內熱導率；四、本發明選用鋁作為粘接劑，利用鋁本身的小密度，可以獲得輕質高導熱的石墨烯復合材料散熱片，可滿足現代對散熱材料輕質的要求，比目前用的銅和鋁等散熱材料具有更大優勢。結合上述一-四所述，本發明以石墨烯為基本單元，以輕質，熱導率相對較高的金屬鋁作為粘結劑和填充劑，外加機械壓力，從而解決致密性難題，通過粉末的加入量來控制散熱片的厚度，實現制備厚膜、三維材料的同時保證致密性，避免熱導率下降，最終同時實現高熱導率和大厚度(三維塊體)，即獲得大的熱通量。

附圖說明

圖1是實施例一熱導率測試過程；a)測試過程中樣品上功率和溫差的擬合曲線；b)樣品上的溫度場分布(紅外熱像儀拍攝)；

圖2是實施例一輕質高導熱含鋁石墨烯基散熱材料斷面的掃描電鏡照片；

圖3是實施例一輕質高導熱含鋁石墨烯基散熱材料照片；

具體實施方式

本發明技術方案不局限于以下所列舉的具體實施方式，還包括各具體實施方式之間的任意組合。

實施例一：

本實施例所述的輕質高導熱含鋁石墨烯基散熱材料的制備方法，具體是按照以下步驟進行的：

1)配制鋁粉分散液：將粒徑為1～3微米的球狀鋁粉分散在去離子水中，在頻率為100khz下，進行超聲處理30min得到鋁粉分散液；

所述的鋁粉分散液濃度為0.5mg/ml。

2)配制石墨烯分散液：將二維尺寸為5～10微米的少層石墨烯粉末分散在去離子水中，100khz下，進行超聲處理30min，得到石墨烯分散液；

所述的石墨烯分散液濃度為0.1mg/ml。

3)鋁粉分散液與石墨烯分散液混合：將鋁粉分散液和石墨烯分散液混合，在頻率為100khz下，水浴超聲5min，然后在200w的功率下超聲30min，得到石墨烯/鋁粉混合分散液；

所述的混合分散液石墨烯和鋁粉的質量比為1:0.1。

4)冷凍干燥：將混合分散液在液氮下迅速冷凍，在-100℃下干燥24h得到混合粉末；

5)混合粉末熱處理：將上述制備的混合粉末在450℃保溫2h去除分散劑，在400℃下氫氣還原2h,得到熱處理后的混合粉末；

6)熱壓燒結：將處理后的混合粉末放入石墨模具中，在真空條件下熱壓燒結，得到輕質高導熱含鋁石墨烯基散熱材料。

所述的熱壓燒結的條件是溫度600℃下加壓60mpa，保溫5min，繼續升溫至700℃，保溫30min，真空環境。

本實施例的的熱導率測試過程見圖1。

本實施例一制備的輕質高導熱含鋁石墨烯基散熱材料斷面的掃描電鏡照片如圖2所示，由圖2可知，本實施例一制備的輕質高導熱含鋁石墨烯基散熱材料的制備方法中石墨烯片層之間互相搭接，石墨烯呈層狀定向排列，界面熱阻較小，因此在面內具有高熱導率；

本實施例一制備的輕質高導熱石墨烯/鋁納米復合材料散熱片如圖3所示，其厚度為3mm；

本實施例通過測試樣品的面內熱導率，得到輕質高導熱含鋁石墨烯基散熱材料的制備方法的面內熱導率為710w/(m·k)。對于石墨烯基散熱材料，目前做到的厚度都在微米級別，且隨著厚度的增加，熱導率急劇下降，一般厚度達到50微米時，熱導率僅為800w/(m.k)。本發明制備的三維石墨烯基復合材料散熱片厚度比石墨烯薄膜高兩個數量級，但是熱導率卻接近。是純金屬鋁的熱導率237w/(m·k)的3倍，但是密度只有2.0g/cm³,比金屬銅的密度8.93g/cm³要小的多，比金屬鋁的密度2.7g/cm³還要小。因此，此方法制備的材料作為散熱材料使用比目前用的銅和鋁及其合金材料具有更大的優勢。特別適合航天器等要求輕質材料的領域。

實施例二：

本實施例所述的輕質高導熱含鋁石墨烯基散熱材料的制備方法，具體是按照以下步驟進行的：

1)配制鋁粉分散液：將粒徑為1～3微米的球狀鋁粉分散在去離子水中，在頻率為10khz下，進行超聲處理60min得到鋁粉分散液；

所述的鋁粉分散液濃度為15mg/ml。

2)配制石墨烯分散液：將二維尺寸5～10微米的少層石墨烯粉末分散在去離子水中，10khz下，進行超聲處理60min，得到石墨烯分散液；

所述的石墨烯分散液濃度為5mg/ml。

3)理論鋁粉分散液與石墨烯分散液混合：將鋁粉分散液和石墨烯分散液混合，在頻率為10khz下，水浴超聲10min，然后在200w的功率下超聲30min，得到石墨烯/鋁粉混合分散液；

所述的混合分散液石墨烯和鋁粉的質量比為1:0.7。

4)冷凍干燥：將混合分散液在液氮下迅速冷凍，在-100℃下干燥48h得到混合粉末；

5)混合粉末熱處理：將上述制備的混合粉末在500℃保溫2h去除分散劑，在400℃下氫氣還原2h,得到熱處理后的混合粉末；

6)熱壓燒結：將處理后的混合粉末放入石墨模具中，在真空條件下熱壓燒結，得到輕質高導熱含鋁石墨烯基散熱材料。

所述的熱壓燒結的條件是溫度600℃下加壓20mpa，保溫120min，繼續升溫至700℃，保溫120min，真空環境。

本實施例制備的輕質高導熱含鋁石墨烯基散熱材料的厚度為7mm，面內熱導率為876w/(m·k)。對于石墨烯基散熱材料，目前做到的厚度都在微米級別，且隨著厚度的增加，熱導率急劇下降，一般厚度達到50微米時，熱導率僅為800w/(m.k)。本發明制備的三維石墨烯基復合材料散熱片厚度比石墨烯薄膜高兩個數量級，熱導率卻可以達到相同的水平。是純金屬鋁的熱導率237w/(m·k)的4倍左右，但是密度只有2.2g/cm³,比金屬銅的密度8.93g/cm³要小的多，比金屬鋁的密度2.7g/cm³還要小。

實施例三：

本實施例所述的輕質高導熱含鋁石墨烯基散熱材料的制備方法，具體是按照以下步驟進行的：

1)配制鋁粉分散液：將粒徑為1～3微米的球狀鋁粉分散在去離子水中，在頻率為50khz下，進行超聲處理45min得到鋁粉分散液；

所述的鋁粉分散液濃度為10mg/ml。

2)配制石墨烯分散液：將二維尺寸為5～10微米的少層石墨烯粉末分散在去離子水中，50khz下，進行超聲處理45min，得到石墨烯分散液；

所述的石墨烯分散液濃度為3mg/ml。

3)鋁粉分散液與石墨烯分散液混合：將鋁粉分散液和石墨烯分散液混合，在頻率為50khz下，水浴超聲8min，然后在200w的功率下超聲30min，得到石墨烯/鋁粉混合分散液；

所述的混合分散液石墨烯和鋁粉的質量比為1:0.4。

4)冷凍干燥：將混合分散液在液氮下迅速冷凍，在-100℃下干燥36h得到混合粉末；

5)混合粉末熱處理：將上述制備的混合粉末在480℃保溫2h去除分散劑，在400℃下氫氣還原2h,得到熱處理后的混合粉末；

6)熱壓燒結：將處理后的混合粉末放入石墨模具中，在真空條件下熱壓燒結，得到輕質高導熱含鋁石墨烯基散熱材料。

所述的熱壓燒結的條件是溫度600℃下加壓40mpa，保壓60min,繼續升溫至700℃，保溫60min，真空環境。

本實施例制備的輕質高導熱含鋁石墨烯基散熱材料的厚度為5mm,面內熱導率為1134w/(m·k)。對于石墨烯基散熱材料，目前做到的厚度都在微米級別，且隨著厚度的增加，熱導率急劇下降，一般厚度達到50微米時，熱導率僅為800w/(m.k)。本發明制備的三維石墨烯基復合材料散熱片厚度比石墨烯薄膜高兩個數，但是熱導率卻提高了30％多。大大提高了散熱效率。是純金屬鋁的熱導率237w/(m·k)的近5倍，但是密度只有2.1g/cm³。從以上實施例可以看出本發明制備的輕質高導熱含鋁石墨烯基散熱材料不但實現了輕質，并且熱導率可控，在航空航天領域及電子信息系統等要求輕質散熱材料的領域應用廣泛，并能有效的促進散熱材料的更新換代。