專利名稱：碳納米管復(fù)合熱界面材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱界面材料的制備方法，尤其涉及一種碳納米管復(fù) 合熱界面材料的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著微電子產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，電子芯片的主頻越來越高，線寬 越來越窄，導(dǎo)致芯片產(chǎn)生的熱量越來越大，因此，散熱問題逐漸成 為束縛芯片性能的一大障礙。研究發(fā)現(xiàn)，散熱元件與芯片之間以及 散熱元件之間的界面熱阻是制約散熱模組散熱效率的重要因素。目 前，通常采用熱界面材料來減小界面熱阻，以提高散熱元件的散熱 效率。
熱界面材料通常是導(dǎo)熱率相對(duì)較高，而且比較柔軟的材料，用 來填充芯片與散熱元件之間的界面。通常的熱界面材料包括導(dǎo)熱膏 和相變片，其組成通常是在有機(jī)基體中混合了高導(dǎo)熱的金屬或者陶 瓷材料，從而得到較好的填隙效果和傳熱效果。然而，自從日本科
學(xué)家Iijima于1991年發(fā)現(xiàn)碳納米管，請(qǐng)參見"Helical microtubules of graphitic carbon", S Iijima， Nature, vol.354， p56 (1991)， 由于具備 良好機(jī)械、導(dǎo)熱及導(dǎo)電特性等，碳納米管成為制備熱界面復(fù)合材料 的優(yōu)選。以碳納米管為填充物得到的熱界面復(fù)合材料，可以顯著增 強(qiáng)熱界面復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度及韌性，提高導(dǎo)熱率和導(dǎo)電率。因此， 有關(guān)碳納米管復(fù)合材料的技術(shù)成為當(dāng)前納米技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱 點(diǎn)。
目前，使用定向排列的碳納米管陣列的復(fù)合熱界面材料是作為 熱界面材料的一個(gè)優(yōu)選方案。對(duì)于計(jì)算機(jī)芯片及其散熱模組系統(tǒng)來 說，熱量主要沿著垂直于芯片表面的方向傳播，定向排列的碳納米 管可以有效利用其軸向高熱導(dǎo)率，使得相對(duì)較少的碳納米管數(shù)量可 以達(dá)到相對(duì)較高的傳熱效率。
現(xiàn)有技術(shù)中，碳納米管復(fù)合熱界面材料的制備方法包括注入法 和沉積法。注入法是將熔化的金屬直接注入到碳納米管陣列的空隙 中，冷凝后金屬便將碳納米管包裹起來得到碳納米管復(fù)合熱界面材 料。由于碳納米管之間的空氣很難在注入過程中排出去，因此，這 種方法雖然操作筒單，但是很容易在復(fù)合材料中摻雜很多空氣泡， 不利于金屬和碳納米管之間的緊密結(jié)合。
沉積法分物理沉積法和化學(xué)沉積法。物理沉積法是直接將金屬 蒸汽或者濺射出來的金屬顆粒沉積在碳納米管陣列上面，這種方法 效率比較低，而且要在真空環(huán)境中進(jìn)行，制作成本高。化學(xué)沉積法 一般利用電鍍或者化學(xué)鍍的方法，利用電化學(xué)或者還原反應(yīng)將金屬 沉積在碳納米管陣列的空隙中，化學(xué)沉積可靠性高，但必須使用金 屬鹽溶液作為電解或者化學(xué)反應(yīng)的對(duì)象，限制了用于復(fù)合的金屬的 種類，而且化學(xué)廢液的處理會(huì)帶來環(huán)保問題。
有鑒于此，有必要提供一種操作簡(jiǎn)單、成本低的碳納米管復(fù)合 材料的制備方法。

發(fā)明內(nèi)容
以下，將以實(shí)施例說明一種碳納米管復(fù)合熱界面材料的制備方法。
一種碳納米管復(fù)合熱界面材料的制備方法，其包括以下步驟 提供一基底，其上形成有碳納米管陣列；將熔化的第一填充材料填 充入碳納米管陣列的空隙中，凝固第 一填充材料與碳納米管陣列得 到第一復(fù)合材料；提供一第二填充材料，第二填充材料的熔點(diǎn)高于 第一填充材料的熔點(diǎn)，將熔化的第二填充材料注入到第一復(fù)合材料 的表面，待第一填充材料被熔化的第二填充材料完全熔化而從碳納 米管陣列的空隙中流出后，凝固第二填充材料與碳納米管陣列，從 而得到由碳納米管與第二填充材料復(fù)合的碳納米管復(fù)合熱界面材 料。
本技術(shù)方案的碳納米管復(fù)合熱界面材料制備方法，相對(duì)于現(xiàn)有 技術(shù)來說具有以下優(yōu)點(diǎn)首先，第一填充材料在填充碳納米管陣列的空隙過程對(duì)空隙中的空氣進(jìn)行了初步排擠，第二填充材料對(duì)第一 填充材料排擠的過程同時(shí)會(huì)對(duì)殘留的空氣進(jìn)行二次驅(qū)除，因此，最 終制得的碳納米管復(fù)合熱界面材料中基本不會(huì)存在氣泡。其次，整 個(gè)制備工藝簡(jiǎn)單、成本低，并適合大量制備碳納米管復(fù)合熱界面材 料。


圖1~圖5為本技術(shù)方案制備碳納米管復(fù)合熱界面材料的工藝流 程示意圖。
圖6為本技術(shù)方案用于制備碳納米管復(fù)合熱界面材料的制備裝 置示意圖。
圖7~圖10為利用本技術(shù)方案的制備裝置制備碳納米管復(fù)合熱 界面材料的示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本技術(shù)方案的碳納米管復(fù)合熱界面 材料的制備方法進(jìn)行詳細(xì)說明。
本技術(shù)方案的碳納米管復(fù)合材料的制備方法包括以下步驟提 供一基底，其上形成有碳納米管陣列；將熔化的第一填充材料填充 入碳納米管陣列的空隙中，凝固第 一填充材料與碳納米管陣列得到 第一復(fù)合材料；提供一第二填充材料，第二填充材料的熔點(diǎn)高于第 一填充材料的熔點(diǎn)，將熔化的第二填充材料注入到第一復(fù)合材料的 表面，待第 一填充材料被熔化的第二填充材料完全熔化而從碳納米 管陣列的空隙中流出后，凝固第二填充材料與碳納米管陣列，從而 得到由碳納米管與第二填充材料復(fù)合的碳納米管復(fù)合熱界面材料。
本技術(shù)方案第一實(shí)施例提供一種碳納米管復(fù)合熱界面材料的制 備方法。
第一步參閱圖1,提供一基底10,其上形成有碳納米管陣列 20。基底10可以是表面設(shè)置催化劑的金屬或非金屬材料，催化劑可 以為鐵、鈷、鎳等金屬薄膜或顆粒。碳納米管陣列20的制備方法可
采用化學(xué)氣相沉積法等已知技術(shù)。所制備的碳納米管陣列20是由多 個(gè)以陣列狀排布的碳納米管22形成，相鄰的碳納米管之間存在有空 隙21。
第二步參閱圖2，將熔化的液態(tài)第一填充材料30填充入碳納 米管陣列20的空隙21中，凝固第一填充材料30與碳納米管陣列 20得到第一復(fù)合材料40。所述第一填充材料30為易熔材料，所謂 易熔材料，是指在較低溫度下可以變成液體的材料。本實(shí)施例中， 第一填充材料30采用石蠟。
上述第一填充材料30填充入碳納米管陣列20的空隙21的具體 過程為將具有碳納米管陣列20的基底10浸入熔化的液態(tài)石蠟中， 靜置一段時(shí)間，待液態(tài)石蠟基本完全填充到碳納米管陣列20的空隙 21中后，對(duì)填充有液態(tài)石蠟的碳納米管陣列20進(jìn)行冷卻，待石蠟 凝固后便可得到石蠟與碳納米管陣列20復(fù)合形成的第一復(fù)合材料 40,其具有一表面41。
上述碳納米管陣列20的基底10浸入熔化的液態(tài)石蠟中的過程 中，存在于碳納米管陣列20空隙21中的空氣會(huì)被液態(tài)石蠟排擠出 去，從而液態(tài)石蠟可以較好的填充在碳納米管陣列20的空隙21中。
優(yōu)選地，所述將碳納米管陣列20的基底10浸入熔化的液態(tài)石 蠟中的過程中，可以對(duì)液態(tài)石蠟進(jìn)行適當(dāng)功率的超聲波震蕩，這樣 可以提高碳納米管陣列20空隙21中空氣的排出效率，從而有助于 液態(tài)石蠟更好的填充在碳納米管陣列20的空隙21中。
第三步參閱圖3，提供一第二填充材料50,第二填充材料50 的熔點(diǎn)高于第一填充材料30的熔點(diǎn)，將熔化的液態(tài)第二填充材料 50注入到第一復(fù)合材并牛40的表面41，待第一填充材料30被液態(tài)第 二填充材料50完全熔化而從碳納米管陣列20的空隙21中流出后， 凝固第二填充材料50與碳納米管陣列20,從而得到由碳納米管陣 列20與第二填充材料50復(fù)合得到的碳納米管復(fù)合熱界面材料60。
第二填充材料50可以為低熔點(diǎn)金屬材料，如銦、汞、或者此類 金屬所形成的合金。也可以為高熔點(diǎn)金屬材料，如銅、鈦、或者此 類金屬所形成的合金。本實(shí)施例中，第二填充材料50為銦。
由于第二填充材料50的熔點(diǎn)高于第一填充材料30的熔點(diǎn)，因 此，當(dāng)熔化的液態(tài)第二填充材料50注入到第一復(fù)合材料40的表面 41上時(shí)，第二填充材料50的溫度可以使得第一復(fù)合材料40中的固 態(tài)第一填充材料30熔化為液態(tài)而從碳納米管陣列20的空隙21中流 出，這樣液態(tài)第二填充材料50便會(huì)占據(jù)第一填充材料30的空間填 充到碳納米管陣列20的空隙21中。
當(dāng)?shù)谝粡?fù)合材料40中的第一填充材料30被第二填充材料50 完全熔化并從碳納米管陣列20的空隙21中流出后，第二填充材料 50便完全占據(jù)第一填充材料30的空間，即碳納米管陣列20的空隙 21完全凈皮第二填充材料50所填充，此時(shí)，冷卻第二填充材料50使 其凝固，從而得到待制備的碳納米管陣列20與第二填充材料50的 碳納米管復(fù)合熱界面材料60，如圖4所示。
上述制備的碳納米管復(fù)合熱界面材料60在實(shí)際應(yīng)用中通常與 發(fā)熱元件(如芯片)、散熱器(如集成熱擴(kuò)散器)等相結(jié)合，為了使得所 制備的碳納米管復(fù)合熱界面材料60與發(fā)熱元件和散熱器的表面充 分結(jié)合，提高熱傳遞效果，可以將碳納米管復(fù)合熱界面材料60的表 面進(jìn)行處理，使得其中的碳納米管20的端部從第二填充材料50伸 出，如圖5所示。使得碳納米管20的端部從第二填充材料50中露 出的方法包括機(jī)械拋光法、化學(xué)-才幾械拋光法、濕化學(xué)蝕刻法、電化 學(xué)蝕刻法、電漿蝕刻法等現(xiàn)有技術(shù)。
由于發(fā)熱元件或散熱器的表面并非理想的平面，在納米尺度的 基礎(chǔ)上，發(fā)熱元件或散熱器的表面會(huì)存在凹凸不平，從第二填充材 料50伸出的碳納米管20的端部可以伸入到發(fā)熱元件或散熱器表面 的凹面中，從而使得碳納米管復(fù)合熱界面材料60比較充分的和發(fā)熱 元件或散熱器結(jié)合，以提高散熱效果。
本技術(shù)方案提供一種碳納米管復(fù)合熱界面材料的制備裝置。
參閱圖6所示，本技術(shù)方案提供一種碳納米管復(fù)合熱界面材料 的制備裝置100,其包括一容器110，該容器110的靠近底部的側(cè)壁 開設(shè)至少一個(gè)開口 111。開口 111處最好設(shè)置有開關(guān)閥(圖未標(biāo)示)。 該容器110為一筒狀體，其橫截面形狀可為圓、橢圓、多邊形等，開口 111的形狀不限。本實(shí)施例中容器110的橫截面為圓形的筒體。
圖7至圖10為利用裝置100制備碳納米管復(fù)合熱界面材料60 的示意圖。首先，如圖7所示，將具有碳納米管陣列20的基底10 與裝置100的容器110進(jìn)行裝配，可以將基底10放置在容器110 中；也可以將容器110設(shè)置在基底IO上并使得碳納米管陣列20容 納在容器110中，本實(shí)施例中釆用后者。
然后，如圖8所示，使容器110的開口 111關(guān)閉，將熔化的液 態(tài)第一填充材料30注入容器110中，待第一填充材料30充分填充 到碳納米管陣列20的空隙21中，冷卻凝固第一填充材料30得到由 第一填充材料30與碳納米管陣列20所復(fù)合的第一復(fù)合材料40,該 固態(tài)第 一復(fù)合材料40具有表面41。
其次，如圖9所示，使容器110的開口 111敞開，將熔化的液 態(tài)第二填充材料50注入到容器110中并形成在第一復(fù)合材料40的 表面41，且第二填充材料50的熔點(diǎn)高于第一填充材料30。此時(shí)， 固態(tài)第 一填充材料3(^皮液態(tài)第二填充材料50所加熱熔化成為液態(tài)， 逐漸從碳納米管陣列20的空隙21中流出，并進(jìn)一步從容器110的 開口 111流出容器110，待容器110中的第一填充材料30全部變?yōu)?液態(tài)從開口 111流出容器110后，將容器110的開口 111關(guān)閉，冷 卻凝固第二填充材料50，從而得到由第二填充材料50與碳納米管 陣列20所復(fù)合的碳納米管復(fù)合熱界面材料60。
本技術(shù)方案的碳納米管復(fù)合熱界面材料制備方法，相對(duì)于現(xiàn)有 技術(shù)來說具有以下優(yōu)點(diǎn)首先，第一填充材料在填充碳納米管陣列 的空隙過程對(duì)空隙中的空氣進(jìn)行了初步排擠，第二填充材料對(duì)第一 填充材料排擠的過程同時(shí)會(huì)對(duì)殘留的空氣進(jìn)行二次驅(qū)除，因此，最 終制得的碳納米管復(fù)合熱界面材料中基本不會(huì)存在氣泡。其次，整 個(gè)制備工藝筒單、成本低，并適合大量制備碳納米管復(fù)合熱界面材 料。
可以理解的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)本 發(fā)明的技術(shù)方案和技術(shù)構(gòu)思做出其他各種相應(yīng)的改變和變形，而所 有這些改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種碳納米管復(fù)合熱界面材料的制備方法，其包括以下步驟提供一基底，其上形成有碳納米管陣列；將熔化的第一填充材料填充入碳納米管陣列的空隙中，凝固第一填充材料與碳納米管陣列得到第一復(fù)合材料；提供一第二填充材料，第二填充材料的熔點(diǎn)高于第一填充材料的熔點(diǎn)，將熔化的第二填充材料注入到第一復(fù)合材料的表面，待第一填充材料被熔化的第二填充材料完全熔化而從碳納米管陣列的空隙中流出后，凝固第二填充材料與碳納米管陣列，從而得到由碳納米管與第二填充材料復(fù)合的碳納米管復(fù)合熱界面材料。
2. 如權(quán)利要求l所述的碳納米管復(fù)合熱界面材料的制備方法，其特 征在于，所述第一填充材料為石蠟。
3. 如權(quán)利要求2所述的碳納米管復(fù)合熱界面材料的制備方法，其特 征在于，所述第二填充材料為銦、汞、銅或鈦。
4. 如權(quán)利要求l所述的碳納米管復(fù)合熱界面材料的制備方法，其特 征在于，在將熔化的第一填充材料填充入碳納米管陣列的空隙過程 中，利用超聲波對(duì)熔化的第一填充材料進(jìn)行震蕩。
5. 如權(quán)利要求l所述的碳納米管復(fù)合熱界面材料的制備方法，其特 征在于，進(jìn)一步包括對(duì)所得到的碳納米管復(fù)合熱界面材料進(jìn)行表面 處理使得其中的碳納米管陣列至少一端伸出第二填充材料。
6. 如權(quán)利要求5所述的碳納米管復(fù)合熱界面材料的制備方法，其特 征在于，所述表面處理方法包括機(jī)械拋光法、化學(xué)-機(jī)械拋光法、濕 化學(xué)蝕刻法、電化學(xué)蝕刻法或電漿蝕刻法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種碳納米管復(fù)合熱界面材料的制備方法，其包括以下步驟提供一基底，其上形成有碳納米管陣列；將熔化的第一填充材料填充入碳納米管陣列的空隙中，凝固第一填充材料與碳納米管陣列得到第一復(fù)合材料；提供一第二填充材料，第二填充材料的熔點(diǎn)高于第一填充材料的熔點(diǎn)，將熔化的第二填充材料注入到第一復(fù)合材料的表面，待第一填充材料被熔化的第二填充材料完全熔化而從碳納米管陣列的空隙中流出后，凝固第二填充材料與碳納米管陣列，從而得到由碳納米管與第二填充材料復(fù)合的碳納米管復(fù)合熱界面材料。
文檔編號(hào)C09K5/14GK101343532SQ20071007604
公開日2009年1月14日 申請(qǐng)日期2007年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月13日
發(fā)明者劉長(zhǎng)洪, 湲 姚 申請(qǐng)人:清華大學(xué);鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司