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石墨烯复合粘合剂散热片导热性能研究

发表时间：2020/1/13 来源：《防护工程》2019年18期作者：吴萧良

[导读] 基于这些结果，可以预期使用石墨烯复合粘合剂的散热片具有优异的导热性是下一代热管理策略的最佳选择。

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　　摘要：这项研究的目的是开发一种具有优异散热特性并同时保持其粘合性的高效石墨烯复合粘合剂。为了研发优异的散热片，在粘合剂混合物中优化了石墨烯与粘合剂的比例，然后将其特性与使用常规粘合剂的散热片的特性进行了比较。结果发现优化的石墨烯复合粘合剂的厚度比常规粘合剂薄，并且使用优化的石墨烯复合粘合剂将散热片的导热率提高了约360％。
　　关键词：导热系数；石墨烯；胶粘剂；散热片；散热性
　　
　　
　　1、介绍
　　随着电子设备的高度集成，产生了更多的热量。这些热量不仅会损坏设备的功能，而且是导致设备故障和有缺陷的产品[1-2]的主要原因。为了解决该问题，使用了将散热单元或散热片安装到电子部件的表面的方法进行测试。因此有许多学者在实验和工业中添加并制造了各种接触材料，用来提高设备的散热效率。金属中，铜片的热导率最高，但在生产过程中，仍会引起热导率的意外降低。近年来，具有优异的导热性的填料已被广泛用于提高效率。
　　将诸如氧化铝（Al2O3），氮化铝（AlN）和氮化硼（BN）之类的填料添加到材料中[3]，这种填料是极好的导热体，可用于复合材料。如碳纳米管（CNT），碳纤维，石墨已经得到了更深入的研究，石墨烯具有较高的热导率和较低的密度。由于轻量化和小型化的要求，对石墨烯的研究引起了最多的关注[4]。石墨烯是具有碳原子以六边形形状连接结构的同位素。石墨烯相对于CNT存在一定优势，石墨烯的原子能级厚度和二维板状结构使其具有优异的机械性能，电导率和热导率。尤其是石墨烯具有极高的导热性。单层石墨烯的导热系数为5，000 W / mK[4]。石墨烯因其卓越的特性和应用潜力而有望应用于下一代电子设备和显示器[8-9]。在这项研究中，使用石墨烯作为导热复合材料制造了散热片。最终，这项研究可以达到减少厚度并降低生产成本，同时提高热导率的目的[5]。
　　2、实验步骤
　　首先，将石墨烯添加到现有水基中含17％石墨烯的溶液中，制成三种配比不同的溶液：17％，20％和25％的石墨烯溶液。石墨烯和粘合剂制备过程如下图所示。使三种石墨烯复合粘合剂中的石墨烯的比例在0wt％至30wt％的范围内，并且硬化剂的添加量为原始粘合剂的0.02％。将所得石墨烯复合材料真空干燥后除去任何气泡，然后将其涂覆在Cu片上至16um的厚度，并在110℃的烘箱中固化2分钟。之后，将离型纸叠放在涂层上，并在50℃下进行老化24小时。
　　所制造的样品的进行测量。使用光学显微镜和扫描电子显微镜（FE SEM-6500F）观察石墨烯的晶粒和截面。根据ASTM D5470（垂直导热率测量标准）测量散热片的导热率。
　

　
　　图1 使用SEM设备观察石墨烯颗粒
　　附着力标准为700gf，用于粘附笔记本电脑，电视LED背光源和手机IC芯片等狭窄部件，其测量方法遵循ASTM-D3330标准。首先，准备SUS 304作为被粘物，将测量样品的尺寸切成25mm的宽度和250mm的长度。然后，将样品在恒温恒湿条件下（23±2 ℃，50±10％）保存30分钟，然后以300 mm / min的速度下进行测量。测量值是从25mm处获得的平均值。
　　3、结果分析
　　由此，石墨烯缠结在粘合剂中以形成通道，并因此通过晶格振动来加速传热速率。然而，随着石墨烯热导率的增加，粘合强度降低。由于影响粘合强度的主要因素有四个：粘合厚度，粘合剂的粘合性，粘合压力和粘合面积。所以在整个实验过程中，保证粘合剂的粘合性，压力和厚度是恒定的，而粘合面积却有所不同。

　　
　　图2 使用光学显微镜根据石墨烯和粘合剂的比例观察散热片表面（a）10wt％的石墨烯表面图像，（b）30wt％的石墨烯表面图像，
　　（c）70wt％的石墨烯表面图像。
　　图2为散热片表面的光学图像，观察该图像以确认具有石墨烯含量的粘附区域。对于图2（a），发现散热片表面在石墨烯含量为10wt％时分散良好，导热系数为1.07 W / mK，高于常规粘合剂的导热系数（0.35 W / mK），但粘合力下降从2270gf到2215gf。对于图2（b）和图2（c），当石墨烯的含量分别为30wt％和70wt％时观察到的表面。由于石墨烯含量高，记录的热导率分别为1.33 W / mK和1.73 W / mK。由于石墨烯的聚集，几乎没有导致粘合力的面积变小。热导率和粘合力被确定为相互交织的关系，为了优化传热路径的形成和保持粘合力，通过优化石墨烯与粘合剂的比例来制备散热片。

　　
　　图3 不同重量百分比的17％，20％和25％石墨烯复合胶粘剂导热系数的比较。
　　图3随着石墨烯含量的增加，热导率增加。图中还可以看出，在30 wt％的比例下，当添加25％的石墨烯时获得最大的热导率1.63W / mK。随着粘合剂中石墨烯的比例增加，大量的石墨烯颗粒形成了传热路径，从而增加了传热速率。

　　
　　图4 不同wt％的17％，20％和25％石墨烯复合胶粘剂粘合强度的比较。
　　图4将700gf设置为用于实验的粘合力的标准。随着石墨烯含量的增加，石墨烯复合粘合剂的粘合面积和强度（2270gf）降低。图中显示出，石墨烯复合材料石墨烯含量为40wt％或更高的胶粘剂尽管具有很高的导热性，但其粘合强度却低于700gf。石墨烯含量25％的溶液在30wt％时的粘合强度为1411gf，该混合物被确定为最合适的石墨烯复合粘合剂类型，因为它的粘合强度仍远高于700gf，同时具有相对较高的导热性。
　　表1总结了具有三种不同石墨烯溶液的30wt％石墨烯复合粘合剂的两个特性的值。这三种类型均具有高导热率和30wt％的粘合强度，当石墨烯溶液中的石墨烯含量为25％时，导热率最高，因此，由石墨烯含量为25％时比例为30wt％的粘合剂制成的散热片是最优化的散热片。另外，1.63W / mK的导热率高于散热片的0.49W / mK的导热率，因此将该散热片商业化是可行的。
　　表1 导热系数和附着力（按类型）

　　
　　将使用优化的石墨烯复合粘合剂的测试产品与现有的商用板材进行了比较。使用激光闪光法测量热导率。使用常规粘合剂的常规商业产品的导热率为672.97 W / mK，而使用石墨烯复合粘合剂的商业产品的导热率为719.06 W / mK。而且，具有石墨烯的散热片的热扩散率高于常规片的散热率，从而证实了其优异的散热效果。这些结果表明该产品实际上是可用的，并且可以应用于所有发热的产品。
　　4、结论
　　在这项研究中，提出了通过优化石墨烯与粘合剂的比例来使用石墨烯复合粘合剂来制造高效散热片的方法。如今，尽管铜或石墨片材的导热系数很高，但由于粘合剂的厚度较厚，因此散热片材的效率很低。为了解决这些问题，制备了石墨烯复合粘合剂。粘合剂中的石墨烯用作传热填充剂，为增强传热提供了通道。新的散热片比传统的片薄20um。另外，由石墨烯复合物制成的散热片的导热率（1.63W / mK）高于使用常规粘合剂制成的散热片（0.49W / mK）。制备的粘合强度高于700gf的散热片被认为适合上述大多数实际应用。该研究还确定，优化的散热片已准备就绪，可以商业化。石墨烯片的热导率为719.06 W / mK，高于商用散热片（672.97 W / mK），基于这些结果，可以预期使用石墨烯复合粘合剂的散热片具有优异的导热性是下一代热管理策略的最佳选择。
　　
　　参考文献：
　　[1]W. Kim，J. Zide，A. Gossard，D. Klenov，S. Stemmer，A. Shakouri and A Majumdar，（2006）. Phys. Rev. Lett. 96，045901.
　　[2]W. Zhou，D. Yu，C. Min，Y. Fu and X. Guo，（2009）. J. Appl. Polym. Sci. 112，1695.
　　[3]Bin-Huan Xie，Xiao Huang，Guo-Jun Zhang，（2013）. composites science an technology 85，98–103
　　[4]J. Hong1，S. Yoon，T. Hwang，J. Oh，Y. Lee，and J. Nam，（2011）. 18THINTERNATIONAL CONFERENCE ON COMPOSITE MATERIALS.
　　[5]Yim，S.-W.，Lee，J.-H.，Lee，Y.-G.，Lee，S.-G.，and Kim，S.-R.，（2009）. J. Adhes. Interface，10（1），30–34.