專利名稱：：一種高熱導(dǎo)率增強(qiáng)石墨復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及以無機(jī)材料基料為特征材料的導(dǎo)熱復(fù)合材料，還涉及納米級(jí)氮化硼的制備方法，特別是涉及一種在石墨板材中加入納米級(jí)氮化硼的生產(chǎn)方法。
背景技術(shù)：
：隨著越來越復(fù)雜的電器設(shè)備的發(fā)展，設(shè)備在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生相對(duì)極端的溫度，這些過量熱不僅能夠損害它們自己的性能，而且還能降低整個(gè)系統(tǒng)的性能和可靠性，甚至能夠引起系統(tǒng)故障。因此開發(fā)一種低成本、高效率、質(zhì)量輕的散熱產(chǎn)品已迫在眉睫。現(xiàn)在的國(guó)際電器、電子制造商大都采用金屬散熱裝置，如選用銅和鋁作散熱設(shè)備，從發(fā)熱的電器吸收熱量，然后轉(zhuǎn)移到整個(gè)結(jié)構(gòu)中，再通過增加散熱面積、空氣的強(qiáng)制對(duì)流達(dá)到散熱的目的。因?yàn)榻饘偕嵩O(shè)備具有重量大、價(jià)格高的特點(diǎn)，在金屬散熱面積顯著大于電器或電子器件的情況下，往往會(huì)導(dǎo)致因?yàn)樯嵩O(shè)備的重量太大而導(dǎo)致電器遭到破壞。因此石墨散熱產(chǎn)品的開發(fā)，成為世界各大碳素廠商重拳出擊的對(duì)象。天然鱗片石墨具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性、良好的溫度抗震性、耐腐蝕、導(dǎo)熱性能優(yōu)良、具有導(dǎo)電和自潤(rùn)滑性；但由于天然鱗片石墨是由碳原子六角網(wǎng)狀平面重疊結(jié)構(gòu)，層間的結(jié)合力較弱，容易在石墨層間插入異類原子、離子，并與碳原子形成石墨層間化合物。將鱗片石墨經(jīng)過插層、水洗、干燥后制成可膨脹石墨，經(jīng)過高溫膨化使其沿c軸方向膨脹數(shù)百倍，得到蠕蟲狀膨脹石墨，形態(tài)上具有大量的網(wǎng)絡(luò)狀孔結(jié)構(gòu)，由于它在結(jié)構(gòu)上仍然是石墨微晶組成，所以它保留了鱗片的性能，經(jīng)過壓制后還具有鱗片石墨不曾具有的柔軟性、可塑性、富有彈性等特點(diǎn)。如何在保證膨脹石墨已有性能前提下，進(jìn)一步提高膨脹石墨的導(dǎo)熱性能、物理性能，這已成為一個(gè)普遍受到關(guān)注的技術(shù)難題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對(duì)上述膨脹石墨制品存在的不足，提供一種可用于生產(chǎn)散熱器材的石墨復(fù)合材料并給出其制備方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的高熱導(dǎo)率增強(qiáng)石墨復(fù)合材料，是由膨脹石墨和納米氮化硼構(gòu)成，其中，膨脹石墨重量百分比為69.5%_89.5%，納米氮化硼重量百分比為10.5%~30.5%。本發(fā)明所提供的高熱導(dǎo)率增強(qiáng)石墨復(fù)合材料制備方法包括以下步驟和條件(1)取料取天然鱗片石墨的粒度范圍為150~300pm，純度不低于97%;(2)插層對(duì)天然鱗片石墨進(jìn)行插層，插層處理時(shí)的插層劑為硫酸(80%-98%)、硝酸(65%-90%)、高氯酸(50%-70%)的其中二者或二者以上的混合酸；氧化劑采用雙氧水(30%-50%)、高錳酸鉀、重鉻酸鉀的其中一種或多種;插層處理在30-60'C的溫度下進(jìn)行10-60分鐘；(3)水洗插層后的產(chǎn)物水洗至PH值大于4;(4)干燥水洗后在60-12(TC下干燥0.5-2小時(shí)；(5)高溫膨化高溫膨化處理在800-1IOO'C的溫度下進(jìn)行，時(shí)間不超過1分鐘；(6)布料布料系統(tǒng)包括直線振篩機(jī)、螺旋蛟龍均料設(shè)備、刺輥勻料設(shè)備等，該系統(tǒng)把從料倉中出來的蠕蟲均勻地平鋪在預(yù)壓系統(tǒng)前，保證了石墨紙密度、厚度的均勻性。(7)噴灑混合利用噴涂裝置將納米氮化硼均勻噴灑到布料均勻的膨脹石墨上，納米氮化硼添加時(shí)，膨脹石墨尚未預(yù)壓，此時(shí)的膨脹石墨空隙較大，添加物容易與膨脹石墨混和均勻；采用的噴涂裝置的噴頭是長(zhǎng)扁形，長(zhǎng)度與壓輥的長(zhǎng)度一致，保證納米氮化硼均勻充分的噴灑到膨脹石墨上；(8)預(yù)壓混合經(jīng)過預(yù)壓、壓實(shí)使納米材料與石墨充分混合得到高熱導(dǎo)率增強(qiáng)石墨復(fù)合板。(9)輥壓輥壓4-6次得到高熱導(dǎo)率增強(qiáng)石墨復(fù)合材料。在上述制備方法中，配料納米氮化硼的制備步驟和條件如下(O取料選取平均粒度不大于50(^m的氮化硼原料；(2)研磨研磨球與物料的比例為530:1(重量比)，球料總量所占體積不超過研磨筒容積的70%;研磨過程通氬氣或氮?dú)饷芊獗Ｗo(hù)，夾套通自來水冷卻降溫；研磨筒和研磨球均為特種不銹鋼；研磨時(shí)間為6-120小時(shí)。利用高能研磨機(jī)研磨成納米級(jí)的粉體，研磨后的物料形狀為微球形，平均粒徑大小為50-300nm。本發(fā)明的有益效果是這種高熱導(dǎo)率增強(qiáng)石墨復(fù)合材料不僅具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，而且具有相對(duì)優(yōu)良的物理性能，如抗拉強(qiáng)度、硬度、抗折強(qiáng)度等。本發(fā)明的制備方法簡(jiǎn)單，工藝簡(jiǎn)便易行，適合工業(yè)批量生產(chǎn)。這種方法與傳統(tǒng)的單純采用膨脹石墨壓制出的板材相比具有導(dǎo)熱系數(shù)高，制品的硬度、抗拉等物理性能優(yōu)異，克服了傳統(tǒng)石墨板易折斷、易磨損、硬度低等缺點(diǎn)。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述實(shí)施例一采用化學(xué)法制備膨脹石墨，本實(shí)例所用細(xì)天然鱗片石墨，其粒度為300|im、純度為99.5%,插層劑采用濃度為98%的濃硫酸，添加比例為石墨濃硫酸=1:2.5(重量比)，氧化劑采用35%的雙氧水，添加比例為石墨雙氧水=1:0.18(重量比)。控制反應(yīng)溫度在30~60°C，插層反應(yīng)40分鐘，然后，將插層后的產(chǎn)物水洗至PH值大于4，隨后在IO(TC下烘干2小時(shí)至水分含量小于3%，在950'C的溫度下進(jìn)行高溫膨化處理，獲得膨脹容積為250ml/g的膨脹石墨。所用氮化硼的純度為99.0%，粒度為300pm。根據(jù)球料比為5:1，其中研磨球50kg，研磨物料10kg，裝入高能研磨機(jī)中，研磨機(jī)的振動(dòng)頻率24Hz，振幅5mm，研磨時(shí)間8小時(shí)，最后得到的平均粒度為100nm的氮化硼。利用布料系統(tǒng)將10kg膨脹石墨均勻平鋪在預(yù)壓輥輪前；利用噴涂裝置將2.5kg納米氮化硼均勻噴灑到布料均勻的膨脹石墨上，經(jīng)過預(yù)壓、五次輥壓制得厚度0.2mm、密度1.5g/ml的復(fù)合石墨板。作為對(duì)照，僅使用膨脹石墨采用同樣的方法制備出厚度0.2mm、密度1.5g/ml的純石墨板。在德國(guó)耐馳差式掃描量熱儀DSC204F1和閃光導(dǎo)熱儀LFA447上測(cè)試5(TC溫度下的比熱、熱擴(kuò)散系數(shù)并由此得出導(dǎo)熱系數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表I所示表I<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>石墨，其粒度為178nm、純度為99.5%，插層劑采用濃度為98%的濃硫酸，添加比例為石墨濃硫酸-1:2.5(重量比)，氧化劑采用35%的雙氧水，添加比例為石墨雙氧水-i:0.20(重量比)?？刂品磻?yīng)溫度在30-60°C，插層反應(yīng)40分鐘，然后，將插層后的產(chǎn)物水洗至PH值大于4，隨后在IO(TC下烘干2小時(shí)至水分含量小于3%，在950。C的溫度下進(jìn)行高溫膨化處理，獲得膨脹容積為200ml/g的膨脹石墨。所用氮化硼的純度為99.0%，粒徑為500pm。根據(jù)球料比為5:1，其中研磨球50kg，研磨物料10kg，裝入高能研磨機(jī)中，研磨機(jī)的振動(dòng)頻率24Hz，振幅5mm，研磨時(shí)間8小時(shí)，最后得到平均粒度為100nm的氮化硼。利用布料系統(tǒng)將10kg膨脹石墨均勻平鋪在預(yù)壓輥輪前；利用噴涂裝置將3.0kg納米氮化硼均勻噴灑到布料均勻的膨脹石墨上，經(jīng)過預(yù)壓、五次輥壓制得厚度0.3mm、密度1.5g/ml的復(fù)合石墨板。作為對(duì)照，僅使用膨脹石墨采用同樣的方法制備出厚度0.3mm、密度1.5g/ml的純石墨板。在德國(guó)耐馳差式掃描量熱儀DSC204F1和閃光導(dǎo)熱儀LFA447上測(cè)試5(TC溫度下的比熱、熱擴(kuò)散系數(shù)并由此得出導(dǎo)熱系數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表IV所示表IV<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>在長(zhǎng)春市長(zhǎng)城實(shí)驗(yàn)機(jī)廠的電子萬能試驗(yàn)機(jī)WDT-5KN上測(cè)試抗拉強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表V所示:表V<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>在萊州華銀實(shí)驗(yàn)儀器有限公司HS-19A上測(cè)試肖氏硬度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表VI所示表VI<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本發(fā)明的高熱導(dǎo)率的增強(qiáng)石墨復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能明顯優(yōu)于單純石墨板材，抗拉強(qiáng)度、硬度較純石墨板也有一定程度的提高。權(quán)利要求1、一種高熱導(dǎo)率增強(qiáng)石墨復(fù)合材料，其特征在于所述高熱導(dǎo)率增強(qiáng)石墨復(fù)合材料是由膨脹石墨和納米氮化硼構(gòu)成，其中，膨脹石墨重量百分比為69.5％—89.5％，納米氮化硼重量百分比為10.5％—30.5％。2、一種高熱導(dǎo)率增強(qiáng)石墨復(fù)合材料制備方法，其特征在于所述制備方法包括以下步驟和條件，(1)插層對(duì)天然鱗片石墨進(jìn)行插層，插層處理時(shí)的插層劑為硫酸(80%-98%)、硝酸(65%-90%)和高氯酸(50%-70%)的其中二者或二者以上的混合酸；氧化劑采用雙氧水(30%-50%)、高錳酸鉀或重鉻酸鉀的其中一種或多種；插層處理在30-6(TC的溫度下進(jìn)行10-60分鐘；(2)水洗插層后的產(chǎn)物水洗至PH值大于4;(3)干燥水洗后的產(chǎn)物在60-120'C下干燥0.5-2小時(shí)；(4)高溫膨脹化高溫膨化處理在800-1100t:的溫度下進(jìn)行，時(shí)間不超過1分鐘；(5)布料布料系統(tǒng)把從料倉中出來的膨脹石墨均勻地平鋪在預(yù)壓系統(tǒng)前，保證了石墨紙密度、厚度的均勻性；(6)噴灑混合利用噴霧裝置將納米氮化硼均勻噴灑到己經(jīng)均勻的膨脹石墨上，納米氮化硼添加時(shí)，膨脹石墨尚未預(yù)壓，此時(shí)的膨脹石墨空隙較大，添加物容易與膨脹石墨混和均勻；(7)預(yù)壓、輥壓經(jīng)過預(yù)壓、4-6次輥壓得到高熱導(dǎo)率增強(qiáng)石墨復(fù)合材料。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高熱導(dǎo)率增強(qiáng)石墨復(fù)合材料制備方法，其特征在于天然鱗片石墨的粒度范圍為150-30(Him，純度不低于97%。4、根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高熱導(dǎo)率增強(qiáng)石墨復(fù)合材料制備方法，其特征在于所述的納米氮化硼的制備包括以下步驟和條件，(1)取料選取平均粒度不大于500^的氮化硼原料；(2)研磨研磨球與物料的比例為5~30:1(重量比)，球料總量所占體積不超過研磨筒容積的70%;研磨過程通氬氣或氮?dú)饷芊獗Ｗo(hù)，夾套通自來水冷卻降溫；研磨筒和研磨球均為特種不銹鋼；研磨時(shí)間為6-120小時(shí)。利用高能研磨機(jī)研磨成納米級(jí)的粉體，研磨后的物料形狀為微球形，平均粒徑大小為50-300nm。5、根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高熱導(dǎo)率增強(qiáng)石墨復(fù)合材料制備方法，其特征在于所述的布料系統(tǒng)包括有直線振篩機(jī)、螺旋蛟龍均料設(shè)備、刺輥勻料設(shè)備。6、根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高熱導(dǎo)率增強(qiáng)石墨復(fù)合材料制備方法，其特征在于所述噴霧裝置的噴頭是長(zhǎng)扁形，長(zhǎng)度與壓輥的長(zhǎng)度一致，保證納米氮化硼均勻充分的噴灑到膨脹石墨上。全文摘要本發(fā)明涉及一種高熱導(dǎo)率增強(qiáng)石墨復(fù)合材料及其制備方法，該高熱導(dǎo)率增強(qiáng)石墨復(fù)合材料是由重量百分比為69.5％～89.5％的膨脹石墨和重量百分比為10.5％～30.5％的納米氮化硼構(gòu)成。本發(fā)明高熱導(dǎo)率增強(qiáng)石墨復(fù)合材料的制備方法為(1)對(duì)天然鱗片石墨進(jìn)行插層；(2)對(duì)插層后的產(chǎn)物水洗至pH值大于4；(3)對(duì)水洗后產(chǎn)物在60～120℃下干燥0.5-2小時(shí)；(4)在800-1100℃的溫度下進(jìn)行高溫膨化處理，時(shí)間不超過1分鐘；(5)對(duì)膨脹石墨進(jìn)行均勻布料；(6)將納米氮化硼均勻噴灑到布料均勻的膨脹石墨上；(7)經(jīng)預(yù)壓、4-6次輥壓即得到高熱導(dǎo)率增強(qiáng)石墨復(fù)合材料。文檔編號(hào)C04B35/626GK101391894SQ20071013266公開日2009年3月25日申請(qǐng)日期2007年9月18日優(yōu)先權(quán)日2007年9月18日發(fā)明者尹順慶,鑫張,李保伍,楊圣闖,楊金鳳,潘月秋,王京芹,耿世達(dá),陳宣甫申請(qǐng)人:晟茂(青島)先進(jìn)材料有限公司