一種膨脹石墨和石墨烯復合材料及制備方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種膨脹石墨和石墨烯復合材料及制備方法，具體地說是一種具有彈性的導熱碳泡沫的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，高效的導熱和散熱成為熱管理領域的關鍵問題。隨著計算機、手機、衛(wèi)星等電器裝置電子元件集成度和精密度的不斷提高，其單位面積電子器件不斷提高的發(fā)熱量使系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量驟增。這些熱量如果不能實現(xiàn)快速疏導，就會與局部材料之間形成較大的溫度差，影響器件的正常運轉(zhuǎn)。研究顯示電子元器件的穩(wěn)定性對溫度極為敏感，當工作溫度升高2°C，可靠性下降10%，當工作溫度為50°C，其性能只有溫度為25°C時的1/6。傳統(tǒng)金屬材料(如鋁、銦、銅等)雖然具有較高的導熱能力，由于受自身熔點限制、密度大、熱膨脹系數(shù)高以及易被氧化等缺點而大大限制了其在熱管理領域中的應用。有機類導熱材料(導熱膠和硅橡膠)雖然可以降低固體材料之間的接觸熱阻，但是其自身存在導熱系數(shù)低、耐高溫差、力學強度低和易老化等問題，難以實現(xiàn)大面積熱傳導的目標。碳材料具有較高的導熱系數(shù)、較低的密度以及較好的耐化學腐蝕性，是近年來最具發(fā)展前景的一類導熱材料，因而在能源、通訊、電子等領域具有廣闊的應用前景。
[0003]美國橡樹嶺國家實驗室最早通過中間相瀝青制備了碳泡沫(美國專利公告號US6387343)，因其具有低密度、高導熱、耐高溫、耐化學腐蝕等優(yōu)異性能在航空航天、衛(wèi)星、航海等領域得到巨大應用，被認為是本世紀最具潛在市場的材料之一。
[0004]目前，作為高效的熱界面材料，一系列不同種類的碳泡沫得到開發(fā)，主要包括中間相瀝青基碳泡沫、氧化石墨烯基碳泡沫、基于化學氣相沉積的石墨烯基碳泡沫。中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局公告號為CN1872677A、CN100374367C，公開號為CN1587033A等發(fā)明專利公布了基于瀝青發(fā)泡、碳化、石墨化等工藝制備碳泡沫的方法，其導熱系數(shù)基本可以達到40W/(m*K)以上，但是材料制備過程中工藝復雜并且需要3000°C的石墨化處理，所獲得的碳泡沫力學性能較差，幾乎沒有回彈性(Sizhong Li, Yongzhong Song, YanSong et al.Carbon foams with high compressive strength derived from mixturesof mesocarbon microbeads and mesophase pitch.Carbon, 45(2007):2092 - 2097)；中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局公告號為CN102826543A、CN103213978A等發(fā)明專利介紹了通過氧化石墨烯的水熱還原制備碳泡沫的方法，主要用于制備電池電極應用，并且氧化石墨烯的制備及提純過程復雜、產(chǎn)量很低，難以實現(xiàn)宏量生產(chǎn)；通過化學氣相沉積法在鎳泡沫表面生長石墨烯，經(jīng)過刻蝕后獲得三維石墨烯碳泡沫，其導熱系數(shù)為2.13ff/ (m.K)，力學性能很差一般需要聚合物進行支撐(Hengxing Ji, DanielP.Sellan,Rodney S.Ruoff et al.Enhanced thermal conductivity of phase changematerials with ultrathin—graphite foams for thermal energy storage.EnergyEnvironmental Science, 7(2014):1185 - 1192 ；Zongping Chen, Wencai Ren, Libo Gao etal.Three-dimens1nal flexible and conductive interconnected graphene networksgrown by chemical vapour deposit1n.Nature materials, 11(2011):424-428)。
[0005]綜上所述，現(xiàn)有碳泡沫存在以下缺點:1、力學性能差，沒有回彈性，石墨烯和中間相瀝青基碳泡沫通常需要在聚合物的填充下才能使用，限制了其應用范圍；2、生產(chǎn)工藝復雜、生產(chǎn)成本高，石墨烯屬于納米材料，仍處于研發(fā)階段，產(chǎn)量低成本高，而瀝青的石墨化過程需要3000°C左右的高溫，對設備的要求非?？量獭Ｒ虼?，為了滿足熱管理領域?qū)Σ牧蠈崮芰θ找嬖鲩L的要求，開發(fā)一種制備方法簡單、同時具有較高導熱系數(shù)和彈性的碳泡沫材料顯得尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]膨脹石墨是由天然鱗片石墨經(jīng)過插層、膨脹得到的一種疏松多孔的蠕蟲狀物質(zhì)，價格低廉，同時由于具有規(guī)整大塊的石墨化壁層，聲子傳導的阻礙較少，導熱效率很高；氧化石墨烯是鱗片石墨經(jīng)氧化、剝離、提純而獲得的一種納米材料，由于富含大量帶負電性的含氧官能團而能夠均勻分散在水溶液中，經(jīng)過還原獲得的石墨烯具有較高的導熱系數(shù)；本發(fā)明將膨脹石墨分散在氧化石墨烯水溶液中，經(jīng)過水熱還原過程，氧化石墨烯被還原成石墨烯而在膨脹石墨的表面和空隙中團聚，進而和膨脹石墨形成三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，獲得膨脹石墨/石墨烯基碳泡沫，是一種膨脹石墨和石墨烯復合材料，如圖1所示。碳泡沫的導熱系數(shù)^ 50W/(m.K)，在70%的壓縮率下壓縮100次，回彈率蘭90%。
[0007]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0008]—種膨脹石墨和石墨稀復合材料；膨脹石墨被石墨稀片層連接共同形成三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)；導熱系數(shù)蘭50W/(m*K)，回彈率蘭90%。
[0009]本發(fā)明的一種膨脹石墨和石墨烯復合材料的制備方法，步驟如下:
[0010](I)配制質(zhì)量分數(shù)0.1?10%的氧化石墨烯水分散液；
[0011](2)將膨脹率為100?300的膨脹石墨與上述氧化石墨烯水分散液按質(zhì)量比0.01?0.1:1攪拌混合均勻，獲得均勻分散的膨脹石墨/氧化石墨烯水分散液；
[0012](3)將上述膨脹石墨/氧化石墨烯水分散液置于密閉容器中，置于馬弗爐中進行熱處理，熱處理溫度控制在120?260°C，熱處理時間控制在I?24h，降溫后取出樣品，干燥后獲得膨脹石墨/石墨烯基碳泡沫，如圖2所示。
[0013]所述步驟(I)中，質(zhì)量分數(shù)0.1?10%的氧化石墨烯水分散液可通過氧化石墨烯水分散液調(diào)配，也可通過氧化石墨烯粉末與水進行配制；
[0014]所述步驟(I)中，質(zhì)量分數(shù)0.1?10%的氧化石墨烯水分散液的配制過程可采用超聲波輔助，有利于氧化石墨烯的快速分散；
[0015]所述步驟(2)中，膨脹石墨/氧化石墨烯水分散液可在負壓環(huán)境下處理，有利于膨脹石墨空隙中氣體的排出，有利于快速獲得均勻分散的膨脹石墨/氧化石墨烯水分散液。
[0016]具體說明如下:
[0017](I)膨脹石墨的膨脹率是指可膨脹石墨膨脹后與膨脹前體積比；可以直接采用市售產(chǎn)品；
[0018](2)氧化石墨烯片層表面含有大量的羥基、羧基等含氧官能團，由于其帶負電而相互排斥，氧化石墨烯在水中可以形成穩(wěn)定的分散液；可以直接采用市售產(chǎn)品；
[0019](3)在高溫作用下，隨著氧化石墨烯含氧官能團的大量減少和碳骨架結(jié)構(gòu)的不斷修復，氧化石墨烯被還原成石墨烯，由于含氧集團負電排斥作用的減弱及碳骨架JT-JT共軛作用的增強，石墨烯片層之間不斷堆