【摘 要】
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半导体器件加工精度的提升使得电子产品快速更替,不断增加的耗能和散热问题对材料导热能力提出了更高要求。超临界二氧化碳法辅助机械剥离制备的石墨烯因其质量较高,缺陷少,适合用作导热材料,但是碍于其自身导热各向异性因而无法实现三维高热通量应用。本文提出了在石墨烯层间引入纳米铜颗粒的思路,成功地弱化了石墨烯的导热各向异性。通过系统研究铜颗粒对石墨烯复合导热材料热性能的影响,确定最佳操作条件。对石墨烯复合导热
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半导体器件加工精度的提升使得电子产品快速更替,不断增加的耗能和散热问题对材料导热能力提出了更高要求。超临界二氧化碳法辅助机械剥离制备的石墨烯因其质量较高,缺陷少,适合用作导热材料,但是碍于其自身导热各向异性因而无法实现三维高热通量应用。本文提出了在石墨烯层间引入纳米铜颗粒的思路,成功地弱化了石墨烯的导热各向异性。通过系统研究铜颗粒对石墨烯复合导热材料热性能的影响,确定最佳操作条件。对石墨烯复合导热材料进行多种性能表征后分析了其导热增强机理,并在实际散热场景中检验了其散热效果,石墨烯产品的导热能力得到有效提升。首先在石墨烯和铜前驱体的混合分散液中制备了纳米铜颗粒,采用真空抽滤结合施加压力的方法使石墨烯片层定向排列。使用SEM对复合材料进行形貌表征,结果显示石墨烯层间成功引入铜颗粒,使用LFA、DSC、TG对复合材料进行热性能表征,发现当铜含量为20 wt.%时,K∥为139.42 W/（m·K）,K⊥为5.22 W/（m·K）,各向异性的数值由247降至45;借助ANSYS对改性前后的石墨烯材料进行有限元散热模拟,证实弱化各向异性可以提升材料的散热性能。随后,引入氧化石墨烯优化纳米铜颗粒在石墨烯层间的空间分布,并通过热还原法将氧化石墨烯转变为还原氧化石墨烯;分别采用抗坏血酸和乙二醇作还原剂,制备了不同粒径的纳米铜,通过SEM表征显示纳米铜颗粒粒径和空间分布得到优化;LFA测试结果表明石墨烯/还原氧化石墨烯/铜复合材料横向导热系数K∥提升至211.25 W/（m·K）;XRD、Raman、XPS结果显示经过热还原处理后复合材料的ID/IG值处在较低水平且分布均匀,碳氧比为96.51:3.06。最后将制备的几种石墨烯复合导热材料用于3W LED灯的散热评价,结果显示石墨烯复合导热材料使中心热源温度降低了 25.7℃,散热效果明显优于石墨烯和具有散热结构的铝材,具备轻量化、强散热的应用前景。
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