一种提高石墨烯柔性导热链传热能力的方法与流程
本发明涉及热管理，具体涉及一种提高石墨烯柔性导热链传热能力的方法
背景技术：
1、石墨烯膜因具有超高的面内热导率(横向热导率)而被广泛应用于手机、电脑等小功率电子器件的散热。石墨烯膜的优异导热性能来源于石墨烯这种二维纳米材料的特性，具有完美晶格的单层石墨烯的室温面内热导率可以达到5300w/m.k，但是面外热导率极低，因此由石墨烯纳米片组装成的石墨烯膜的面内热导率可以达到～1200w/m.k以上，但是面外热导率(纵向热导率)一般低于5w/m.k，这也限制了石墨烯膜在大功率电子器件上的应用。由于石墨烯膜具有优异的柔韧性，由多层石墨烯膜组成的柔性导热链结构作为热端和冷端的连接结构得以在一些装置上应用，由于石墨烯膜的高面内热导率，石墨烯膜柔性导热链在横向方向的传热能力强，等效热导率可以达到800w/m.k以上；但是低纵向热导率也导致了现有的石墨烯导热的纵向传热能力差，等效纵向热导率低于10w/m.k，从而导致无法将热源的热量传导到石墨烯膜上，因此无法发挥石墨烯膜高面内热导率的优势，也使得石墨烯膜柔性导热链结构的整体传热效率有限。
技术实现思路
1、针对上述石墨烯柔性导热链纵向导热差造成的整体传热能力差的难题，本发明提出了一种提高石墨烯柔性导热链传热能力的方法。
2、本发明的技术方案如下：
3、一种提高石墨烯柔性导热链传热能力的方法，所述柔性导热链的特征为中间是多层柔性石墨烯膜，每层石墨烯膜两端分别连接柔性铜箔形成柔性链结构；两端的多层铜箔分别和铜盖板焊接在一起，铜箔和石墨烯膜的叠层面积通过仿真优化得到，柔性链结构和两端盖板的交叉重叠面积通过仿真优化得到；所述的铜盖板分别和热源以及冷端散热结构连接。所述的提高石墨烯柔性导热链热端和冷端纵向传热能力的方法，特征为：通过铜箔等高纵向热导率的柔性薄膜材料将冷端/热端和石墨烯膜连接起来，即纵向热导率就是铜和钎料的热导率，从而大大提升纵向传热能力；所述冷端和热端与铜箔之间均有铜盖板，所述铜箔一端和石墨烯膜焊接在一起，另外一端直接和盖板焊接，所述铜箔与铜箔之间通过熔焊连接为整体，所述铜箔焊接后和盖板之间通过钎焊连接。
4、所述的一种提高石墨烯柔性导热链传热能力的方法特征在于：所述方法是通过石墨烯膜和铜箔的钎焊提高纵向导热能力，石墨烯膜的横向热导率可以达到1500w/m.k以上，但是其纵向热导率一般低于5w/m.k，这就导致了以石墨烯膜制备的柔性导热链的纵向传热能力差，通过和铜箔钎焊后，纵向传热变成铜和钎料的传热，由于使用agcu基钎料，热导率高，因此可以将导热链的纵向热导率提高两个数量级，进而提高了柔性导热链结构的整体传热能力。
5、进一步，所述的石墨烯膜的厚度为10～200μm，横向热导率为500～1800w/m.k；铜箔的厚度为20～100μm，热导率为300-390w/m.k。
6、一种提高石墨烯柔性导热链传热能力的方法特征在于，通过钎焊工艺实现石墨烯膜和铜箔的异质连接，降低了界面热阻，柔性石墨烯膜和铜箔的钎焊工艺为：
7、1)将柔性石墨烯膜两端和铜箔的连接区表面金属化，提高石墨烯膜和铜箔之间的润湿性，所述叠层交叉连接区的长度为5～10mm，金属化可以采用的方法包括但不限于磁控溅射、化学镀、超声浸镀等，用于金属化的钎料包括但不局限于agcuti、agcucr等，其中ti和cr作为活性元素，其含量低于20％。以保证高的热导率；
8、2)将两端金属化后的柔性石墨烯膜和铜箔涂敷agcuti或者agcucr活性钎料，根据仿真结果，选择最优的叠层交叉面积、石墨烯膜厚度、铜箔厚度等参数，将一层石墨烯膜一层铜箔铺层后，放入工装夹具中固定，借助超声波空化作用，将石墨烯膜和铜箔已经两端铜盖板钎焊在一起，钎焊层厚度在5～10μm，焊接温度为800～1100℃，为了提高连接强度，施加钎焊压力为0.5-5mpa。
9、进一步，所述的柔性石墨烯膜和铜箔之间的连接也可以用其他任意异质材料连接技术进行连接。
10、进一步，所述的铜箔也可以用铝箔或者其他高纵向热导率的柔性膜代替。
11、本发明的有益效果是：一、大大提高了石墨烯柔性导热链在热端和冷端接触端的纵向导热能力。如果直接将石墨烯膜作为柔性导热链与热端和冷端连接，石墨烯膜纵向导热差的特点导致热端的热量无法直接纵向穿透多层薄膜达到薄膜材料上，另外薄膜上的热量也无法很好的传给冷端，从而大大缩减了柔性导热链的纵向传热能力。如图1和图2所示，本发明通过铜箔的过渡作用，将热端的导热界面转换为金属与金属之间的热传导，大大提高了纵向导热能力。在相同的条件下，本发明热端温度较纯石墨烯膜柔性导热链(无铜箔过渡层)降低25％。二、本发明通过超声辅助钎焊的工艺实现了石墨烯膜和铜箔的异质连接，大大降低了柔性导热链的纵向界面热阻。石墨烯和铜的异质连接有以下难点：1)两者之间的熔点差别很大，石墨烯的熔点在3600℃以上，铜的熔点只有1200℃以下，很难用熔融的连接方法实现连接；2)两者之间膨胀系数差别大，石墨烯和铜的热膨胀系数差一个数量级，因此热变形量差异较大，造成两者之间连接时有很大的内应力；3)石墨烯材料表面能太低，润湿性太差，连接材料选择范围很小；4)石墨烯材料是层状结构，导致层间结合力差，异质连接过程中容易造成层间剥离；针对上述难点，本发明首先研发了agcuti和agcucr活性钎料，ti等活性元素的加入，提高了钎料在石墨烯和铜表面的润湿性；通过工装的应用减弱了内应力的影响；由于超声波会在钎料与石墨烯薄膜的固液界面处诱导形成空化气泡，该气泡在爆破时会产生400km/h的微射流，微射流在石墨烯母材局部产生温度高达5000℃，压强高达5gpa的高温高压点，致使石墨烯纳米片表面可能形成非晶碳层。这种非晶碳层，会在石墨烯薄膜与铜的界面处产生过渡层，该化学键结合的过渡层有利于减小了石墨烯和铜之间的界面热阻，从而有利于提高纵向等效热导率，也时石墨烯和铜异质焊接的关键点。根据上述手实现了石墨烯膜和铜箔的异质连接。
技术特征：
1.一种提高石墨烯柔性导热链传热能力的方法，所述柔性导热链的特征为中间是多层柔性石墨烯膜，每层石墨烯膜两端分别连接柔性铜箔形成柔性链结构；两端的多层铜箔分别和铜盖板焊接在一起，铜箔和石墨烯膜的叠层面积通过仿真优化得到，柔性链结构和两端盖板的交叉重叠面积通过仿真优化得到；所述的铜盖板分别和热源以及冷端散热结构连接。所述的提高石墨烯柔性导热链传热能力的方法，特征为：通过铜箔等高纵向热导率的柔性薄膜材料将冷端/热端和石墨烯膜连接起来，即纵向热导率就是铜和钎料的热导率，从而大大提升纵向传热能力，提升了总体的导热性能；所述冷端和热端与铜箔之间均有铜盖板，所述铜箔一端和石墨烯膜焊接在一起，另外一端直接和盖板焊接，所述铜箔与铜箔之间通过熔焊连接为整体，所述铜箔焊接后和盖板之间通过钎焊连接。
2.根据权利要求1所述的一种提高石墨烯柔性导热链传热能力的方法，其特征在于：所述方法是通过石墨烯膜和铜箔的钎焊提高纵向导热能力，石墨烯膜的横向热导率可以达到1500w/m.k以上，但是其纵向热导率一般低于5w/m.k，这就导致了以石墨烯膜制备的柔性导热链的纵向传热能力差，通过和铜箔钎焊后，纵向传热变成铜和钎料的传热，由于使用agcu基钎料，热导率高，因此可以将导热链的纵向热导率提高两个数量级，从而提高整体传热能力。
3.根据权利要求1、2所述的一种提高石墨烯柔性导热链传热能力的方法，其特征在于：所述的石墨烯膜厚度为10～200μm，横向热导率为500～1800w/m.k；铜箔的厚度为20～100μm，热导率为300～390w/m.k。
4.根据权利要求1-3所述的一种提高石墨烯柔性导热链传热能力的方法，其特征在于：柔性石墨烯膜和铜箔的通过钎焊工艺进行异质连接,降低了界面热阻，具体的钎焊工艺为：
5.根据权利要求1-4所述的一种提高石墨烯柔性导热链传热能力的方法，其特征在于：所述的柔性石墨烯膜和铜箔之间的连接也可以用其他任意异质材料连接技术进行连接。
6.根据权利要求1-5所述的一种提高石墨烯柔性导热链传热能力的方法，其特征在于，所述的铜箔也可以用铝箔或者其他高纵向热导率的柔性膜代替。
7.根据权利要求1-6任一所述的方法制备的石墨烯膜/柔性金属薄膜导热结构。
技术总结
本发明涉及一种提高石墨烯柔性导热链传热能力的方法，针对石墨烯膜纵向导热差的难题，本发明通过在石墨烯膜两端焊接铜箔的方法，提高石墨烯柔性导热链的纵向导热能力，进而提高整体传热能力。具体步骤是：首先将石墨烯膜和铜箔的连接区进行表面金属化，然后将铜箔和石墨烯膜叠层组装在一起，之后利用钎焊将石墨烯膜和铜箔焊接，然后将铜箔分别和热端以及冷端的盖板焊接在一起，得到高等效热导率和纵向导热能力的石墨烯柔性导热链。本发明制备的石墨烯柔性导热链比其他石墨烯导热链的导热效能提高20％～25％，等效热导率提高40～50％，解决了传统石墨烯导热链纵向导热差的难题，拓宽了石墨烯柔性导热链在高功率电子器件上的应用范围。
技术研发人员：李宜彬,孙贤贤,郭卫兵
受保护的技术使用者：巡航（苏州）新材料技术有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23