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CN111306971A - 基于碳纳米材料薄膜的新型超轻薄柔性热管及其制备方法 - Google Patents

基于碳纳米材料薄膜的新型超轻薄柔性热管及其制备方法 Download PDF

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CN111306971A CN202010119659.4A CN202010119659A CN111306971A CN 111306971 A CN111306971 A CN 111306971A CN 202010119659 A CN202010119659 A CN 202010119659A CN 111306971 A CN111306971 A CN 111306971A
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Abstract

本发明属于高性能微热管领域，具体提供了一种基于碳纳米材料薄膜的新型超轻薄柔性热管及其制备方法，其中，柔性碳纳米材料及其复合材料作为吸液芯，包括碳纳米材料薄膜，或者覆盖有纳米结构表面的碳纳米材料薄膜柔性支撑面。本发明的优点在于，利用超轻薄柔性碳纳米材料薄膜及其复合材料作为微热管吸热芯，克服了传统微热管中随着尺寸减小引起的沸腾极限及毛细极限，实现了超薄超高导热的柔性微热管的设计和制备，并且可以通过调控碳纳米材料薄膜及其复合材料微观结构及表面化学来改变微热管导热效率，可以有效的贴合可折叠电子器件中的热源，起到高效散热的作用。

Description

基于碳纳米材料薄膜的新型超轻薄柔性热管及其制备方法
技术领域
本发明属于高性能微热管领域，尤其涉及一种基于碳纳米材料薄膜的新型超轻薄柔性热管及其制备方法。
背景技术
5G时代已到来，随着微电子技术的迅速发展，电子器件的微型化已经成为现代电子设备发展的主流趋势。电子器件特征尺寸不断减小，芯片的集成度、封装密度以及工作频率不断提高，这些都使芯片的热流密度迅速升高。因此，从某种意义上说，微小空间高热通量的热控技术己成为制约电子、信息、以及国防军事技术发展的重要因素之一。相关5G技术涉及的新型电子产品将具备“高热流密度、高功率、超薄、可折叠”等特性，这些对导热及散热材料提出更高的新要求。
目前，越来越多的5G手机开始使用均热板及超薄热管散热系统。手机中用到的均热板及超薄热管就是平板微热管的一种，在电子器件散热方面已被广泛应用。平板微热管技术还可适用于功耗在100W以上的电子产品，特别适用于狭小空间高热流密度电子元器件散热。因此除了手机，热管技术已广泛应用于大功率LED、CPU、GPU和高速硬盘等电子元器件的散热。目前的微热管的封装外壳主要基于铜材，关键部件是微管内的吸液芯，大部分吸液芯为铜粉末或者铜丝网，小部分也利用金属纤维、玻璃纤维、碳纤维等。通常CPU散热器及显卡散热器会使用管径6mm-10mm微热管，因为微热管直径越大，散热效果越好。但是对于智能手机而言，手机空间有限，使用的微热管通常只有0.4mm。
值得注意的是，电子设备的超轻薄、柔性化、可折叠、可穿戴已经越来越成为未来电子技术的发展趋势。5G电子设备超轻薄化、智能化和多功能化的特性对热管理技术提出了更高的要求，对应的新型微热管除了要适合更高热流密度，还需具有超轻、超薄、可折叠、超高导热等新特性。而这里的瓶颈问题就在于：传统微热管散热效率会随其体积的减小及吸液芯变薄而下降；微热管会受到毛细极限及沸腾极限的限制影响散热效率及使用寿命，并且微热管越薄，毛细极限及沸腾极限越容易出现。因此，亟待研发关键新材料作为吸液芯，并设计新型吸液芯结构以更加适合狭小空间蒸汽传输，克服毛细极限及沸腾极限，进一步设计出新一代高导热超轻薄柔性微热管。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对5G时代电子设备高效散热的瓶颈问题，提供一种基于碳纳米材料薄膜的新型超轻薄柔性热管及其制备方法。
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于碳纳米材料薄膜的新型超轻薄柔性热管，该热管由外壳，内部吸液芯以及工作液体组成；
其中，柔性碳纳米材料及其复合材料作为吸液芯，包括纤维交织网孔状碳纳米材料薄膜，或者纤维交织网孔状碳纳米材料薄膜柔性支撑面，以及覆盖于所述柔性支撑面上的纳米结构表面。该吸液芯结构有别于之前的金属规则网状吸液芯、金属粉末状吸液芯以及碳纳米管阵列森林结构吸液芯(这几种结构厚、重、毛细作用不够，难以满足超薄超轻微热管要求)。本发明吸液芯是网状交织多孔状吸液芯，可以做到微米量级厚度，但同时仍具有很强的毛细作用、超高的液体蒸发速率以及抗蒸汽腐蚀特性，更加有利于超薄结构高效散热。
所述柔性吸液芯可以是任何一种可以通过后处理形成柔性薄膜的碳纳米材料，可以是但不限于碳纳米材料薄膜、石墨烯薄膜中的一种。
所述柔性吸液芯的材料优选为由碳纳米管组成的薄膜。
所述外壳包括但不限于金属材料、高分子表面；所述工作液体为水、FC-72或丙三醇等其他无腐蚀性能够浸润碳纳米材料的有机液体。
所述覆盖于柔性支撑面上的纳米结构表面包括但不限于金属材料纳米结构表面、半导体材料纳米结构表面，只要可以通过电化学能在碳纳米材料薄膜上形成针簇状凸起的纳米结构均可；
形成纳米结构的材料的要求非常宽泛，很多常见的金属及半导体材料都可以满足要求，例如金、银、铜、镍、铝、氧化锌等均可，纳米结构可以是单一、分级(多级)、无取向或者有取向的纳米结构。
所述形成的纳米结构表面优选为铜、银、镍、金单一纳米结构、分级纳米结构或取向纳米结构中的一种。
本发明进一步提供了一种基于碳纳米材料薄膜的新型超轻薄柔性热管的制备方法，包括如下步骤：
(1)先制备纤维交织网孔状碳纳米材料薄膜，然后把薄膜热焊接在作为外壳的金属片内侧；
利用浮动催化法化学气相合成碳纳米材料薄膜；然后，对支撑衬底实施致密化后处理，使其形成具有不同孔隙度的柔性吸液芯材料；
上述致密化后处理工艺可以但不限于浸润法(不同浸润液体对致密度及取向的影响)、拉拔法(纤维及薄膜在拉拔过程中收到径向压缩力与轴向拉伸力的作用，内部空隙被压缩，致密度与取向性提高)、轧制法(纤维截面变小，致密度提高)、牵伸法(在合理变形范围内，随着牵伸变形量的增加，碳纳米管束取向性被优化、堆垛密度提高)等进行致密化处理，通过一种方法及多种方法的耦合，获得具有不同孔隙度的柔性碳纳米材料薄膜。
薄膜表面亲水化处理：将金属基底有碳纳米材料薄膜的一面向上放置入等离子体处理机器中，进行表面氧等离子体处理，使其表面亲水化。
纤维交织网孔状碳纳米材料薄膜表面还可以包括纳米结构表面，在碳纳米材料薄膜表面覆盖纳米结构的方法为：采用电化学沉积的方法或采用掠角沉积的方法在薄膜表面上制备纳米结构。
薄膜表面亲水化处理或在一半薄膜表面通过低表面能修饰，使一半表面具有超疏水特性。
(2)通过精度可以达到0.001mg的微量泵在两块焊接好碳纳米材料薄膜的金属片内部充入工作液体；
(3)抽真空，焊接成微热管；
采用高真空设备对整个系统进行抽真空，达到所需真空度后打开针阀并关闭真空阀；
采用低熔点金属作为焊料，对微热管壳体施加压力，在真空或者保护气体环境下加温熔化焊料金属，再冷却后，使得微型平板热管上下基板粘合在一起。
本发明进一步提供的另一种基于碳纳米材料薄膜的新型超轻薄柔性热管的制备方法，包括如下步骤：
(1)直接在作为外壳的金属片上制备纤维交织网孔状碳纳米材料薄膜；再通过精度可以达到0.001mg的微量泵在两块原位生长碳纳米材料薄膜的金属片内部充入工作液体；
在金属片上制备纤维交织网孔状碳纳米材料薄膜：对金属基体进行氩气等离子体预处理，配制Co催化剂溶液，将金属基体在Co催化剂溶液中浸渍、真空干燥，然后将浸渍后的金属基体置于反应炉中通入乙炔、氩气和氢气的混合气体，进行催化裂解反应，在金属基体表面得到一层纤维交织网状碳纳米材料薄膜；
薄膜表面亲水化处理：将金属基底有碳纳米材料薄膜的一面向上放置入等离子体处理机器中，进行表面氧等离子体处理，使其表面亲水化。
纤维交织网孔状碳纳米材料薄膜表面还包括纳米结构表面，在碳纳米材料薄膜表面覆盖纳米结构的方法为：采用电化学沉积的方法或采用掠角沉积的方法在薄膜表面上制备纳米结构。
(2)抽真空，焊接成微热管。
上述采用电化学沉积的方法在衬底上制备纳米结构表面，具体方法如下：
(1)溶液配制(配制能形成纳米结构表面的溶液，比如金属或半导体材料溶液)；
(2)将处理好的柔性表面放入烧杯中，并用夹子固定；
(3)将合适大小的转子用去离子水洗净放入烧杯中；
(4)将洗好的pt电极和Ag/AgCl参比电极放入烧杯中合适位置；
(5)将配置好的溶液倒入搭建的装置中，并将整个装置置于75℃水浴中，调节转速为20r/s，预热5分钟；
(6)将三种电极分别与电化学工作站相连，启动软件，首先进行硬件测试，显示ok后，设置参数，当开路电压稳定后即可开始反应，纳米结构开始在柔性衬底上生长。然后通过低表面能修饰，表面具有超疏水特性。
采用掠角沉积的方法在衬底上制备纳米结构表面，具体的方法：
(1)将致密化处理的柔性表面贴在玻璃片上；
(2)将玻璃片放置在特殊夹具上，一并放入掠角沉积反应室内，调整角度；
(3)安装金属靶料；
(4)开始将金属溅射沉积到柔性表面，倾斜纳米结构形成；然后通过低表面能修饰，表面具有超疏水特性。
通过控制碳纳米管的长度、管径等因素，可制备出具有理想三维网络结构的柔性碳纳米材料薄膜，值得指出的是，各国学者开发了多种制备方法来制备碳纳米管纤维和薄膜，其中化学气相反应法具有工艺简单、成本低廉的突出优势，可实现制备过程的连续化与稳定化，采用此方法制备的碳纳米材料薄膜具有非常良好的应用前景。通过后期致密化处理，碳纳米材料薄膜可具有固态自支撑特性，加之其优异的物理化学特性，可以将其作为柔性复合材料基底。
大量研究已证实，表面纳米结构通过修饰低表面能物质后，可以形成优良的超疏水表面(接触角大于150°)，在冷凝条件下，表面生成的冷凝微滴会在纳米表面上融合，由于超疏水纳米表面低的粘附特性微滴自身融合释放的表面能可以驱动微滴定向弹跳离开表面，带走潜热，实现高效热传导。
有益效果：
通过利用自支撑碳纳米材料薄膜的柔性特性，在其上沉积纳米结构表面，从新的技术角度实现了柔性冷凝面的构筑。利用后处理工艺控制碳纳米材料薄膜的柔性，利用电化学工艺参数或者掠角沉积工艺参数来控制纳米结构的几何参数，调控冷凝微滴自驱离效率，实现对冷凝传热效率的控制；其制备方法简单，成本低。
本发明的吸液芯具有轻质超薄、抗湿气腐蚀、高比表面积、孔隙度可调，且更容易通过电镀的方式在其表面形成具有多种形式(单一结构的针簇，分级结构的针簇，取向结构的针簇)的纳米结构。相比传统基于金属、玻璃、陶瓷材料的吸液芯，因为碳材料的比密度较低，同时又能具有较好的比强度，因此，适合航空航天轻量化要求。
下面结合附图和具体实施方式对本发明基于碳纳米材料薄膜的高性能柔性冷凝面及其制备方法做详细说明。
附图说明
图1-图5是本发明的具体结构示意图。其中，图1是实施例1的具体结构，图2是实施例2的具体结构，图3是实施例3的具体结构，图4是实施例4的具体结构，图5是实施例5的具体结构。
具体实施方式
实施例1
步骤一，参考附图1A，采用浮动催化法化学气相制备柔性碳纳米管薄膜100，将25g作为碳源的乙醇和0.25g作为催化剂的二茂铁随含氢的气流注入1000℃以上的CVD反应腔室，在反应管腔后部聚集成连续的长筒袜状的碳纳米管筒膜，反应管腔中形成的碳纳米管筒膜从高温区流出，机械拉出到电机驱动纺轴，纺轴转速为75-120r/min，收集即可获得连续的碳纳米管薄膜(薄膜厚度3微米)。
步骤二，参考附图1B，采用导热焊料将碳纳米管薄膜100焊接在铜板101一侧，并对碳纳米管薄膜进行等离子体处理3min，实现亲水化。
步骤三，参考附图1C，将步骤二中的两块铜板+碳纳米管薄膜对接，然后，通过精度可以达到0.001mg的微量泵充入工作液体(水)102，采用高真空设备对整个系统进行抽真空，达到所需真空度(10-3Pa)后打开针阀并关闭真空阀；采用低熔点金属作为焊料，对微热管壳体施加压力，在真空环境下加温熔化焊料金属，再冷却后，使得微型平板热管上下基板粘合在一起。
上述步骤实施完毕所获得结构包括一碳纳米材料薄膜吸液芯，以及覆盖于吸液芯外的金属外壳；内部真空腔以及工作液体。
实施例2
步骤一及步骤二，同实施例1。
步骤三，参考附图2C，利用电化学沉积方法在薄膜100上制备纳米针簇状凸起纳米分级(多级)结构。
(1)溶液配制(配制铜溶液)；
(2)将致密化处理好的柔性表面放入烧杯中，并用夹子固定；
(3)将合适大小的转子用去离子水洗净放入烧杯中；
(4)将洗好的pt电极和Ag/AgCl参比电极放入烧杯中合适位置；
(5)将配置好的溶液倒入搭建的装置中，并将整个装置置于75℃水浴中，调节转速为20r/s，预热5分钟；
(6)将三种电极分别与电化学工作站相连，启动软件，首先进行硬件测试，显示ok后，设置参数，当开路电压稳定后即可开始反应，纳米结构开始在柔性衬底上生长(120min)。然后通过低表面能修饰(热蒸镀氟硅烷)，表面具有超疏水特性。
步骤四，同实施例1中步骤三。
上述步骤实施完毕所获得结构包括一覆盖有纳米结构表面的碳纳米材料薄膜吸液芯，以及覆盖于吸液芯外的金属外壳；内部真空腔以及工作液体。
实施例3
步骤一，参考附图3A，采用浮动催化法化学气相法在铜板101上原位制备柔性碳纳米管薄膜100，并对碳纳米管薄膜进行等离子体处理3min，实现亲水化。
对铜板进行氩气等离子体预处理5min，配制Co催化剂溶液(将CeO2浸渍于CoNO3水溶液中，室温下磁力搅拌12h后，在60℃下干燥12h，最后在450℃下煅烧4h，制备出5％Co/CeO2催化剂，然后在酒精中溶解得到Co催化剂溶液)，将铜基体在Co催化剂溶液中浸渍5min、真空干燥，然后将浸渍后的铜基体置于反应炉中通入乙炔、氩气和氢气的混合气体(乙炔、氩气和氢气体积比3:2:1)，进行催化裂解反应，在金属基体表面得到一层纤维交织网状碳纳米材料薄膜(薄膜厚度3微米)；
步骤二，同实施例1中步骤三。
上述步骤实施完毕所获得结构包括一碳纳米材料薄膜吸液芯，以及覆盖于吸液芯外的金属外壳；内部真空腔以及工作液体。
实施例4
步骤一，同实施例3。
步骤二，步骤三，同实施例2步骤三，步骤四。
上述步骤实施完毕所获得结构包括一覆盖有纳米结构表面的碳纳米材料薄膜吸液芯，以及覆盖于吸液芯外的金属外壳；内部真空腔以及工作液体。
本发明实施例1-4所得吸液芯结构是网状交织多孔状吸液芯，可以做到微米量级厚度，但同时仍具有很强的毛细作用、超高的液体蒸发法速率以及抗蒸汽腐蚀特性，更加有利于超薄结构高效散热。
实施例5
步骤一和步骤二，同实施例4。
步骤三，在薄膜100上制备金属纳米针簇状凸起纳米分级(多级)结构。
步骤四，通过低表面能修饰，表面具有超疏水特性纳米结构104。
步骤五，同实施例2，步骤四。
上述步骤实施完毕所获得结构包括一碳纳米材料薄膜吸液芯，以及覆盖于吸液芯外的金属外壳；内部真空腔以及工作液体。该吸液芯结构是网状交织多孔状吸液芯，可以做到微米量级厚度，但同时扔具有很强的毛细作用、超高的液体蒸发法速率以及抗蒸汽腐蚀特性，此外冷凝端和蒸发端吸液芯表面化学不同，利用冷凝端超疏水吸液芯的冷凝微滴自弹离作用来辅助毛细作用，进一步强化散热，更加有利于超薄结构高效散热。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于碳纳米材料薄膜的新型超轻薄柔性热管，其特征在于：所述热管由外壳，内部吸液芯以及工作液体组成；其中，吸液芯为纤维交织网孔状碳纳米材料薄膜或者覆盖有纳米结构表面的纤维交织网孔状碳纳米材料薄膜柔性支撑面。
2.根据权利要求1所述的基于碳纳米材料薄膜的新型超轻薄柔性热管，其特征在于：所述外壳包括但不限于金属材料、高分子表面；所述工作液体为水、FC-72或丙三醇。
3.根据权利要求1所述的基于碳纳米材料薄膜的新型超轻薄柔性热管，其特征在于：所述碳纳米材料薄膜包括碳纳米材料薄膜、石墨烯薄膜。
4.根据权利要求1所述的基于碳纳米材料薄膜的新型超轻薄柔性热管，其特征在于：所述纳米结构表面选自于铜、银、镍、金单一纳米结构、分级纳米结构或取向纳米结构中的一种。
5.一种根据权利要求1所述的基于碳纳米材料薄膜的新型超轻薄柔性热管的制备方法，其特征在于：所述制备方法步骤如下：
(1)先制备纤维交织网孔状碳纳米材料薄膜，然后把薄膜热焊接在作为外壳的金属片内侧；
(2)通过精度可以达到0.001mg的微量泵在两块焊接好碳纳米材料薄膜的金属片内部充入工作液体；
(3)抽真空，焊接成微热管；
或
(1)直接在作为外壳的金属片上制备纤维交织网孔状碳纳米材料薄膜；
(2)通过精度可以达到0.001mg的微量泵在两块原位生长碳纳米材料薄膜的金属片内部充入工作液体；
(3)抽真空，焊接成微热管。
6.根据权利要求5所述的基于碳纳米材料薄膜的新型超轻薄柔性热管的制备方法，其特征在于：所述纤维交织网孔状碳纳米材料薄膜的制备方法为：采用浮动催化法化学气相合成碳纳米材料薄膜。
7.根据权利要求5所述的基于碳纳米材料薄膜的新型超轻薄柔性热管的制备方法，其特征在于：所述直接在金属片上制备纤维交织网孔状碳纳米材料薄膜的方法如下：
(1)在金属片上制备纤维交织网孔状碳纳米材料薄膜：对金属基体进行氩气等离子体预处理，配制Co催化剂溶液，将金属基体在Co催化剂溶液中浸渍、真空干燥，然后将浸渍后的金属基体置于反应炉中通入乙炔、氩气和氢气的混合气体，进行催化裂解反应，在金属基体表面得到一层纤维交织网状碳纳米材料薄膜；
(2)薄膜表面亲水化处理：将金属基底有碳纳米材料薄膜的一面向上放置入等离子体处理机器中，进行表面氧等离子体处理，使其表面亲水化。
8.根据权利要求5所述的基于碳纳米材料薄膜的新型超轻薄柔性热管的制备方法，其特征在于：所述抽真空，焊接成微热管的具体方法如下：
(1)抽真空：采用高真空设备对整个系统进行抽真空，达到所需真空度后打开针阀并关闭真空阀；
(2)焊接组装成微热管：采用低熔点金属作为焊料，对微热管壳体施加压力，在真空或者保护气体环境下加温熔化焊料金属，再冷却后，使得微型平板热管上下基板粘合在一起。
9.根据权利要求5所述的基于碳纳米材料薄膜的新型超轻薄柔性热管的制备方法，其特征在于：纤维交织网孔状碳纳米材料薄膜表面还包括纳米结构表面，在碳纳米材料薄膜表面覆盖纳米结构表面的方法如下：
(1)采用电化学沉积的方法或掠角沉积的方法在薄膜表面上制备纳米结构；
(2)薄膜表面亲水化处理或在一半薄膜表面通过低表面能修饰，使一半表面具有超疏水特性。
10.一种根据权利要求1所述的基于碳纳米材料薄膜的新型超轻薄柔性热管的应用，其特征在于：所述微热管用于高效散热领域，包括但不限于贴合在手机、平板电脑内部。
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