一种在水平与垂直方向都为高导热的薄膜及其制备方法与流程

1.本发明涉及导热膜领域，尤其涉及一种在水平与垂直方向都为高导热的薄膜及其制备方法。


背景技术：

2.随着现代科技的迅速发展，电子器件微型化急速发展，尤其突显的是电子线路板上的元器件日益密集，手机、平板电脑、电子书、笔记型电脑等电子设备向着尺寸更小，设计更薄的趋势发展，使得电子产品表面温度也在升高，而研究表明，大多数电子设备的失效形式是由温度过高引起的，因此电子器件的散热问题在电子器件的发展中有举足轻重的作用。
3.目前市场部分产品通过金属类作为导热散热材料，尤其是铜和铝得到广泛的应用，铜的导热系数为398w/mk，铝的导热系数为237w/mk，但是选择这一类金属材料进行导热存在重量大、易氧化等问题。碳材料作为目前最薄、最坚硬的纳米材料，导热系数最高可达5300w/mk，优良的性能使其得到广泛的关注。但是，目前一些高性能碳材料的生产工艺只掌握在少数公司作为技术秘密保护，价格高昂，尤其是石墨烯这种热门碳材料，价格的提升不利于在导热散热材料领域的工业化生产；另一方面生产石墨烯散热膜时需要严格控制其厚度与层数，并且生产出来的石墨烯散热膜需要薄厚均匀，目前生产工艺还很难达到完美的效果。因此，寻求一种高效和低成本的混合层散热膜制备的方法，是目前函待解决的问题。
4.现阶段一些通过石墨烯或者石墨烯/金属复合薄膜进行散热传热的产品屡见不鲜，这些薄膜的水平方向的导热率一般较高，能够达到1000～2000w/mk，但垂直方向上的导热率较差，只有10～15w/mk。但实际上垂直方向上的导热性能也非常重要，它可以使得芯片上的热量能够在垂直的方向上迅速传导到散热部件或机壳等部位，防止出现热集中现象。
5.但本技术发明人在实现本技术实施例中发明技术方案的过程中，发现现有技术至少存在如下技术问题：
6.现有技术(cn201521035204.5)公开了一种液态金属基导热膜的复合结构，包括复合在一起的导热膜层和液态金属层，金属层和导热膜层之间设有将导热膜层和液态金属层边缘固定的胶黏剂层，最下层加有保护层；其中导热膜层为石墨烯导热膜层。制备的液态金属基导热膜良好的连接性和使用寿命，并且具有良好的导热性能。但是因为其中单纯的加入了石墨烯材料，虽然水平方向上导热率较高，但其垂直方向上的导热率较差；并且为了连接效果和使用寿命，特别加入了粘结剂层和保护层，这在一定程度上会影响导热膜的导热性能。
7.因此，研发一种水平方向和垂直方向都具有良好的导热系数，并且结构和制备方法简单的导热薄膜是一项十分有意义的工作。


技术实现要素：

8.为了解决上述问题，本发明第一方面提供了一种在水平与垂直方向都为高导热的
薄膜，其特征在于：薄膜由石墨片层和合金层组成。
9.在一些优选的实施方式中，所述合金层由合金金属熔融制得；合金金属包含的金属为铟、锡、铋、铝、铜中的至少两种。
10.在一些优选的实施方式中，所述石墨片层为导热率为1200～1800w/mk的石墨片层。
11.本发明中石墨片可为市售，例如佛山信士智能科技有限公司出售的ld-rg017的石墨片产品。
12.在一些优选的实施方式中，所述合金金属包含的金属为铟、锡、铋；铟、锡、铋的质量百分比为48～52％：14～18％：32～36％。
13.在一些优选的实施方式中，所述铟、锡、铋的质量百分比为50％：16％：34％。
14.采用本技术中所述合金制备的导热薄膜，具有良好导热性和使用寿命。本技术人推测为：通过铟、锡、铋质量百分比分别为50％，16％，34％制备的合金才能够具有合适熔点通过与石墨片相互熔融叠加的方式制备导热薄膜，当热源升高时候合金层粘性流动与石墨片充分接触，热源降低时合金层通过石墨片塑性，同时向石墨片层方向形成一个具有一定厚度的错峰，增加粘结性、降低界面热阻；并且当铟、锡、铋质量百分比分别为48～52％，14～18％，32～36％时，三者协同作用，具有良好的延展性和防水性。
15.本技术中的铟、锡、铋合金金属为自制，制备方法包含以下几步：(1)将单质铟、单质锡和单质铋按重量比装入反应容器内，抽至真空并密封；(2)将密封后的反应容器加热炉内进行加热，温度为铟、锡、铋三元合金固溶相温度以上，进行三元金属的融合反应，反应时间4～6小时，获得三元合金液；(3)将合金液进行急冷处理，获得铟、锡、铋合金金属块。
16.在一些优选的实施方式中，所述石墨片层与合金层的通过层层相隔的方式相互叠加。
17.本技术中的合金层和石墨片通过两者相互叠加的方式进行叠块，使得导热膜具有良好的力学性能和使用寿命。本技术人推测为：层层相隔叠加之后，经过高温作用合金表面的金属离子被石墨还原成为金属-碳合金从而将石墨片和合金层相互连接起来，降低界面的热阻，从而完全不使用粘结剂和保护层。
18.在一些优选的实施方式中，所述石墨片层和合金层的单层厚度比为16～18：15～17。
19.当石墨片层和合金层的厚度比为16～18：15～17，导热薄膜具有良好的导热性能和连接性。当厚度比为16～18：15～17时，石墨片和金属层的相互夹层作用能够更好的稳定双方的稳定形态，合金层可以让石墨片层的表面更稳定，从而解决了石墨片层掉粉的问题；此厚度比下的合金层能够为石墨层提供良好的散热协助、提升石墨层的柔韧性、导电性和耐压性，层层之间形成的错峰能够有效提升整体的力学强度但是不会影响纵向的导热系数。
20.本发明第二方面提供了一种在水平与垂直方向都为高导热的薄膜的制备方法，步骤包含以下几步：(1)采用人工刷涂的方法，首先将合金金属放置于升温至一定温度的加热台上使其熔融为液态合金，用泡沫刮板蘸取少量液态合金均匀刮涂在底座上，形成合金层；(2)在合金层上铺放一层石墨片层；(3)用泡沫刮板蘸取少量液态合金均匀刮涂在石墨片层上形成合金层，然后再叠上一层石墨片层，重复刮涂液态合金和铺放石墨片的步骤，直至叠
至所需高度，即完成叠块；(4)完成后将叠块自然冷却到室温，将制备好的叠块使用多线切割机按照一定斜切角度进行斜切，既得所制水平与垂直方向都为高导热的薄膜。
21.在一些优选的实施方式中，所述加热台的升温温度为80～100℃。
22.在一些优选的实施方式中，所述斜切角度为30～60℃。
23.本技术人经过精心研究发现当叠块的斜切角度为45
°
时，导热薄膜在水平方向和垂直方向的导热系数达到一致，极大的改善了导热薄膜的散热传热性能。本技术人推测为：当斜切角度为45
°
时，多线切割得到的薄膜在横向和纵向两个垂直的方向都具有分向。
24.本发明中多线切割机可为市售，例如烟台力凯智能科技有限公司出售的cf400t型号的多线切割机。
25.有益效果：本发明提供一种在水平与垂直方向都为高导热的薄膜及其制备方法。本发明通过石墨片层和合金层层层相隔相互叠加的方式和多线斜切的方式制备的导热薄膜，在水平方向和垂直方向上都具有相同且优异的导热性能和力学强度。
附图说明
26.图1为本发明所述叠块的示意图；
27.图2为本发明所述叠块斜切的示意图；
28.图中：
29.1-合金层、2-石墨片层、3-叠块、4-多线切割机。
具体实施方式
30.实施例1
31.实施例1提供了一种在水平与垂直方向都为高导热的薄膜，由多层铟、锡、铋合金层和多层导热系数1600w/mk的石墨片组成。其中合金层的厚度为16微米，石墨片层的厚度为17微米。
32.本实施例中石墨片为佛山信士智能科技有限公司出售的ld-rg017的石墨片产品。
33.本实施例中，铟、锡、铋合金金属为自制，步骤包含以下几步(以重量份计)：(1)将50份单质铟、16份单质锡和34份单质铋装入反应容器内，抽至真空并密封；(2)将密封后的反应容器加热炉内进行加热，温度300℃，进行三元金属的融合反应，反应时间5小时，获得三元合金液；(3)将合金液进行急冷处理，获得铟、锡、铋合金金属块。
34.本实施例还提供了一种在水平与垂直方向都为高导热的薄膜的制备方法，步骤包含以下几步：(1)采用人工刷涂的方法，首先将合金金属层放置于100℃的加热台上使其熔融为液态合金，用泡沫刮板蘸取少量液态合金均匀刮涂在底座上，形成16微米的合金层；(2)在金属液态层上铺放一层17微米厚的石墨片层；(3)用泡沫刮板蘸取少量的液态合金均匀刮涂在石墨片层上形成16微米厚的合金金属层，然后再叠上一层17微米厚的石墨片层，重复刮涂液态金属和石墨片的步骤，直至叠至10cm高度，即完成叠块；(4)完成后将叠块自然冷却到室温，将制备好的叠块使用多线切割机按照45
°
斜切角度进行斜切，既得所制水平与垂直方向都为高导热的薄膜。
35.本实施例中多线切割机为烟台力凯智能科技有限公司出售的cf400t型号的多线切割机。
36.本实施例中所得斜切薄膜的厚度为0.1cm。
37.将本实施例制得的导热薄膜记为r1。
38.实施例2
39.本实施例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：合金层的厚度为17微米。
40.将本实施例制得的导热薄膜记为r2。
41.实施例3
42.本实施例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：单质铟为48份，单质锡为18份。
43.将本实施例制得的导热薄膜记为r3。
44.对比例1
45.本对比例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：合金层的厚度为10微米。
46.将本对比例制得的导热薄膜记为d1。
47.对比例2
48.本对比例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：单质量铟为65份，单质锡为1份。
49.将本对比例制得的导热薄膜记为d2。
50.对比例3
51.本对比例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：合金层和石墨片层的叠加方式为每两层相互叠加。
52.将本对比例制得的导热薄膜记为d3。
53.对比例4
54.本对比例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：斜切角度为20
°
。
55.将本对比例制得的导热薄膜记为d4。
56.性能评价
57.1.水平导热系数：参照astmd5470-2006标准对导热膜的水平导热系数进行测试，每个实施例对比例测试5个试样，测得的数值取平均值，记入表1。
58.2.垂直导热系数：参照astmd5470-2006标准对导热膜的垂直导热系数进行测试，每个实施例对比例测试5个试样，测得的数值取平均值，记入表1。
59.3.拉伸强度：采用万能拉伸仪对导热膜试样进行拉伸强度测试，每个实施例对比例测试5个试样，测得的数值取平均值，记入表1。
60.表1
61.实施例水平导热系数(w/mk)垂直导热系数(w/mk)拉伸强度(mpa) r160060022r260058022r360055021d175030015d280043014d3123018017d4142011011
62.通过实施例1～3和对比例1～4可以得知，本发明提供的一种在水平与垂直方向都为高导热的薄膜及其制备方法，制得后的导热薄膜在水平方向和垂直方向都具有相同的优异的导热性能、力学性能，适宜在导热膜领域推广，具有广阔的发展前景。其中实施例1在具有最佳的原料重量比、制备工艺等因素下获得了最佳性能指数。
63.最后指出，以上所述实施例仅为本发明较佳的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。