一种高导热氧化石墨烯复合薄膜材料的制备方法
阅读：1017发布：2020-08-02
专利汇可以提供一种高导热氧化石墨烯复合薄膜材料的制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种高导热 氧 化 石墨 烯复合 薄膜 材料的制备方法，将氧化 石墨烯 悬浮液，通过 电泳 沉积的方法制备三明治结构的GO-Cu-GO复合薄膜材料的步骤，制得的复合薄膜材料在逐层沉积的过程中， 铜 粒子分布于氧化石墨烯 片层 间，由于铜离子的存在弥补了氧化石墨烯的 缺陷 ，同时又产生了协同效应，使得制备的薄膜材料具有一定的柔性和优异的导热性能。采用本发明的方法，可以快速有效制备尺寸、厚度可控的高导热氧化石墨烯薄膜，可适用于不同的 散热 设备。，下面是一种高导热氧化石墨烯复合薄膜材料的制备方法专利的具体信息内容。
1.一种高导热氧化石墨烯复合薄膜材料的制备方法，其特征在于，包括：将氧化石墨烯悬浮液，通过电泳沉积的方法制备三明治结构的GO-Cu-GO复合薄膜材料的步骤，制得的复合薄膜材料在逐层沉积的过程中，铜粒子分布于氧化石墨烯片层间。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在极距30mm、电压30V、沉积时间20-30s的条件下，进行电泳沉积。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，氧化石墨烯悬浮液的浓度为1-2mg/ml。
4.如权利要求1或3所述的方法，其特征在于，将氧化石墨置于pH值为13的氢氧化钠溶液中，在200w、50KHz的条件下超声2h，制得氧化石墨烯悬浮液。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，采用改进的Hummers方法制备氧化石墨。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，以铜箔作为电极。
一种高导热氧化石墨烯复合薄膜材料的制备方法
技术领域
背景技术
[0002] 当前电子设备与器件（如微电子芯片、光电子器件、光子器件以及大功率固体激光器等）正飞速迈向高功率、高密度组装、微小型化及高紧凑的方向发展，这势必增加电子设备系统内的热功耗密度，导致系统内温度急剧上升，进一步加大了系统的热控制难度。传统的散热材料，由于其自身的热膨胀系、密度大等问题，已难于满足目前电子设备散热的需求，因此，如何更好的解决电子器件散热问题就显得尤为重要。
[0003] 目前，石墨散热膜被广泛应用于电子芯片上。常用的石墨膜有膨胀石墨膜和热解石墨膜两种，膨胀石墨膜的制备工艺简单、成本低、且无需高温高压工艺，但膨胀石墨膜的抗拉强度较差，生产过程有一定的污染性，而热解石墨膜的晶体结构缺陷度低，碳原子有序度高，但是制备工艺复杂，能耗成本高且成本贵。现有的石墨散热膜由于石墨片层之间由范德瓦尔斯力相互连接，作用力弱，表面结构杂乱无章，因此想要获得更高的热导率依旧比较困。
[0004] 随着石墨烯的出现，引领起新一轮碳材料的制备和应用。由于石墨烯具有优异的导热性能（5000 ）、良好的力学性能而引起研究者的广泛关注。氧化石墨烯是石墨烯的一种重要衍生物，它具有与石墨烯类似的二维结构，但相对于石墨烯，在二维碳原子结构层上含有含氧官能团，正由于含氧官能团的存在，使得氧化石墨具有优异的活性，易于与其他材料复合，同时具有较强的亲水性，能够得到均匀稳定分散的氧化石墨烯溶液。近年来，研究者借助氧化石墨烯的含氧官能团对其进行功能化，主要通过共价修饰和非共价修饰的方法来提高氧化石墨烯的性能。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种高导热氧化石墨烯复合薄膜材料的制备方法，该方法制备工艺简单、成效时间段、成本低廉、导热性能好。
[0006] 实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种高导热氧化石墨烯复合薄膜材料的制备方法，包括：将氧化石墨烯悬浮液，通过电泳沉积的方法制备三明治结构的GO-Cu-GO复合薄膜材料的步骤，制得的复合薄膜材料在逐层沉积的过程中，铜粒子分布于氧化石墨烯片层间。
[0008] 作为优选方案，氧化石墨烯悬浮液的浓度为1-2mg/ml。
[0009] 作为优选方案，将氧化石墨置于pH值为13的氢氧化钠溶液中，在200w、50KHz的条件下超声2h，制得氧化石墨烯悬浮液。
[0012] （2）本发明与其它基于颗粒填料的加工方法相比，能够沉积产生均匀的高微结构。
[0013] （3）本发明通过控制氢氧化钠溶液的pH值，获得稳定均匀的悬浮液，同时也起到了调节电泳沉积效果的作用。
[0014] （4）本发明通过控制离心速率，获得尺寸不同的氧化石墨烯悬浮液。
[0015] （5）本发明便于控制薄膜的厚度（50±2μm）、尺寸和形状，同时薄膜表面致密均匀。
[0016] （6）本发明制备的GO-Cu-GO薄膜具有高的热导率，可以广泛的应用于电子产品与器件中。
[0018] 图2 为本发明复合薄膜试样图。
[0019] 图3 为本发明复合薄膜散热效果图。其中，（a）铜箔和GO-Cu-GO复合薄膜图；（b）红外热像图；（c）红外热像图对应的温度。
[0020] 图4 为本发明试样的微观结构图，其中，（a）铜箔的微观结构；（b）GO-Cu-GO复合薄膜的微观结构图。
[0021] 具体实施方式：结合图1，本发明所述的高导热氧化石墨烯复合薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）在冰水浴的条件下，将提前干燥的天然鳞片石墨加入浓硫酸（98%）中，搅拌均匀，时间为30mim；分多次缓慢加入高锰酸钾，搅拌时间1h小时；在35℃左右的温水浴中继续搅拌
3h，再缓慢加入一定量蒸馏水，控制温度低于98℃，持续搅拌，加入适量的双氧水（5%），并趁热离心，去除上清液；使用盐酸（5%）和蒸馏水将样品洗涤接近中性，然后在60℃的真空干燥箱中充分干燥，得到氧化石墨，其中，选用粒径150μm的天然鳞片石墨；天然鳞片石墨：高锰酸钾：浓硫酸质量分数比为1:3:40；为了得到结构优异的氧化石墨，中温反应时间不少于
2h。
（1）在冰水浴的条件下，将提前干燥的天然鳞片石墨加入浓硫酸（98%）中，搅拌均匀，时间为30mim；分多次缓慢加入高锰酸钾，搅拌时间1h小时；在35℃左右的温水浴中继续搅拌
3h，再缓慢加入一定量蒸馏水，控制温度低于98℃，持续搅拌，加入适量的双氧水（5%），并趁热离心，去除上清液；使用盐酸（5%）和蒸馏水将样品洗涤接近中性，然后在60℃的真空干燥箱中充分干燥，得到氧化石墨，其中，选用粒径150μm的天然鳞片石墨；天然鳞片石墨：高锰酸钾：浓硫酸质量分数比为1:3:40；为了得到结构优异的氧化石墨，中温反应时间不少于
2h。
[0022] （2）称取一定量的氧化石墨在pH值为13的氢氧化钠溶液中，在200w、50KHz的条件下超声处理2h，600-800rpm下离心处理20min，去除未剥离的氧化石墨烯，得到不同浓度的氧化石墨烯悬浮液。
[0023] （3）对铜箔进行处理：裁剪、打磨、清洗、干燥备用。
[0024] （4）在极距30mm、电压30V、沉积时间20-30s的条件下，将不同浓度的氧化石墨烯悬浮液通过电泳沉积的方法制备GO-Cu-GO复合薄膜材料，然后在60℃的条件下，对其进行真空干燥12h。
[0025] 实施例1（1）、在冰浴条件下，将5g天然鳞片石墨加入120ml的浓硫酸中，搅拌均匀；称取15g高锰酸钾，分多次缓慢加入，搅拌均匀；在35℃左右的温水浴中继续搅拌3h，再缓慢加入一定量蒸馏水，控制温度低于98℃，持续搅拌，加入适量的双氧水（5%），并趁热离心，去除上清液；
使用盐酸（5%）和蒸馏水将样品洗涤接近中性，然后在60℃的真空干燥箱中充分干燥，得到氧化石墨，备用。
使用盐酸（5%）和蒸馏水将样品洗涤接近中性，然后在60℃的真空干燥箱中充分干燥，得到氧化石墨，备用。
[0027] （3）、称量0.1g干燥好的氧化石墨，加入100ml、pH=13的氢氧化钠水溶液中，在200W、50KHz的条件下，超声处理2h，得到浓度为1.0mg/ml 的氧化石墨烯悬浮液。
[0028] （4）将稳定的氧化石墨烯悬浮液在极距30mm、电压30V的条件下沉积30s，对其干燥，获得GO-Cu-GO薄膜。试样编号为GO-Cu-GO1。
[0029] 实施例2步骤（1）、（2）同实施例1中的步骤一和步骤二。
[0030] （3）、称量0.15g干燥好的氧化石墨，加入100ml、pH=13的氢氧化钠水溶液中，在200W、50KHz的条件下，超声处理2h，得到浓度为1.5mg/ml 的氧化石墨烯悬浮液。
[0031] （4）、将稳定的氧化石墨烯悬浮液在极距30mm、电压30V的条件下沉积30s，对其干燥，获得GO-Cu-GO薄膜。试样编号为GO-Cu-GO2。
[0032] 实施列3步骤（1）、（2）同实施例1中的步骤一和步骤二。
[0033] （3）、称量0.2g干燥好的氧化石墨，加入100ml、pH=13的氢氧化钠水溶液中，在200W、50KHz的条件下，超声处理2h，得到浓度为2.0mg/ml的氧化石墨烯悬浮液。
[0034] （4）、将稳定的氧化石墨烯悬浮液在极距30mm、电压30V 的条件下沉积30s，对其干燥，获得GO-Cu-GO薄膜。试样编号为GO-Cu-GO3。
[0035] 实施例4步骤（1）、（2）、（3）同实施例1中的步骤一和步骤二。
[0036] （4）、将稳定的氧化石墨烯悬浮液在极距30mm、电压30V的条件下沉积20s，对其干燥，获得GO-Cu-GO薄膜。试样编号为GO-Cu-GO4。
[0037] 实施例5步骤（1）、（2）、（3）同实施例1中的步骤一和步骤二。
[0038] （4）、将稳定的氧化石墨烯悬浮液在极距30mm、电压30V的条件下沉积40s，对其干燥，获得GO-Cu-GO薄膜。试样编号为GO-Cu-GO5。
[0039] 比较例1改变实施例1步骤（3），称量0.05g干燥好的氧化石墨，加入100ml、pH =13的氢氧化钠水溶液中，在200W、50KHz的条件下，超声处理2h，得到浓度为0.5mg/ml 的氧化石墨烯悬浮液，其他步骤同实施例1。试样编号为GO-Cu-GO6。
[0040] 比较例2改变实施例1步骤（3），称量0.3g干燥好的氧化石墨，加入100ml、pH =13的氢氧化钠水溶液中，在200W、50KHz的条件下，超声处理2h，得到浓度为3mg/ml 的氧化石墨烯悬浮液，其他步骤同实施例1。试样编号为GO-Cu-GO7。
[0041] 比较例3改变实施例1步骤（4），将稳定的氧化石墨烯悬浮液在极距30mm、电压30V的条件下沉积
20s，对其干燥，获得GO-Cu-GO薄膜，其他步骤同实施例1。试样编号为GO-Cu-GO8。
20s，对其干燥，获得GO-Cu-GO薄膜，其他步骤同实施例1。试样编号为GO-Cu-GO8。
[0042] 比较例4改变实施例1步骤（4），将稳定的氧化石墨烯悬浮液在极距30mm、电压30V的条件下沉积
50s，对其干燥，获得GO-Cu-GO薄膜，其他步骤同实施例1。试样编号为GO-Cu-GO9。
50s，对其干燥，获得GO-Cu-GO薄膜，其他步骤同实施例1。试样编号为GO-Cu-GO9。
[0043] 由上述实验可知，悬浮液浓度在1.0-2.0mg/ml，沉积时间在20-30s时成膜性较好。如图2所示，悬浮液浓度较低或沉积时间较短时，氧化石墨烯不能完全沉积在铜箔表面，成膜性效果不好，而悬浮液浓度较高或沉积时间较长时，又会造成氧化石墨烯沉积层的冗余，导致试样表面发生严重的褶皱。结果见表1。同时，本发明得到的GO-Cu-GO复合薄膜热导率高达521.8W·m-1·k-1，并且表现出良好的散热性能，如图3所示。
[0044] 表1 GO-Cu-GO复合薄膜的成膜性
[0045] 可见，氧化石墨烯的引入可以明显的增强铜箔的热导率，一方面是由于氧化石墨烯的二维结构，另一方面是由于在电泳沉积过程中，铜离子的存在弥补了氧化石墨烯的缺陷，同时又促进了氧化石墨烯与铜箔的结合能力。且制备方法简单，制备周期短，成本低廉、便于工业化生产。
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