石墨烯微片水性散热涂料的性能研究

摘要

采用溶剂剥离法制备了石墨烯微片,方法简单成本低且环保,适合大规模工业化生产.以制得的石墨烯微片为导热填料,水性环氧树脂和水性聚氨酯为成膜物质制备水性散热涂料,利用红外成像仪和导热系数仪分析其导热散热性能,并测试了散热涂层的机械性能.结果表明,当散热涂层中的石墨烯微片质量分数为15%时,其导热系数可达到0.97 W·m-1·K-1,在55℃和85℃的热源下涂层分别降温7℃和9℃.通过SEM形貌断面图发现随着石墨烯微片的加入使得散热涂层形成了一种有利于热量传递的“岛”—“岛”网络,当含量达到20%时因为团聚现象显著而导致散热效果下降.此外,该散热涂层具有良好的机械性能和应用价值。

散热铝材

在电子元器件的高速发展的今天,随着系统的集成度越来越高,高热密度成为一种发展趋势,由散热不良导致的电子设备的故障也越来越多.调查发现,约40%以上的电子产品可靠性故障是由温度问题引起的,电子零件的温度每上升10 ℃,寿命减少一半.如何有效地解决电子元器件的散热问题已经成为整个信息产业发展中亟待解决的关键技术。

目前常用的散热方法包括风冷和液冷等方式,其中风冷系统的散热极限为40 W·cm-2,要进一步提升散热量必须扩大散热空间,这并不符合当前电子器件微型化、小型化和精密化的趋势;而液冷系统的散热能力比风冷系统高1～2个数量级,但这种冷却系统比较复杂,体积、重量较大,设备和维修费用高.散热涂料是一种提高物体表面的散热效率,降低体系温度的特种涂料,其制备方法简单且经济,通过散热涂料来解决电子产品的散热问题成为一个重要方向。

华为某手机使用的液冷散热技术

目前，大多散热涂料存在生产成本较高,原料制备方法不够经济环保,且制备的涂层综合性能比较差的问题。

石墨烯导热

石墨烯微片是指片层大于10层、厚度在5～100 nm范围内的超薄石墨烯层状堆积体,即为多层石墨烯结构,但石墨烯的特性,比如导电、导热、机械性能等得到很好保持,并且纳米级的片层尺寸及厚度使它更接近于二维结构,可以作为一种工业原材料广泛地添加到现有的各种基础材料中,对现有材料的性能进行改进。

由于石墨烯微片在平面内具有极高的导热率从而可以将热源处的温度能快速导出,并且制备方法简单方便,制备成本低,适合大规模工业化生产,因此石墨烯微片在散热领域的应用具有重要的研究价值,但目前石墨烯微片应用于散热涂料领域的报道很少。

为解决电子元件的散热问题,本实验以水性环氧树脂和水性聚氨酯为成膜物质,使填料很好地分散于基体内,并且形成的涂层具有良好的机械性能和广泛的施工性能,经济且环保;采用石墨烯微片为导热填料制备散热涂料,提高了涂层的散热效果.通过红外成像仪和导热系数仪对材料的导热散热性能进行表征,并测试了散热涂层的机械性能.运用扫描电镜(SEM)对散热涂层进行形貌观察,同时结合涂层导热系数的测定结果、散热....