本發(fā)明涉及一種散熱金屬箔的制備方法與應(yīng)用，特別涉及一種高輻射率散熱金屬箔及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)散熱模式主要有熱傳導(dǎo)、對流和輻射散熱，在很多需要高效散熱的領(lǐng)域，由于受空間、尺寸及環(huán)境限制，無法采用加速強制對流的形式將熱量交換出去，而僅通過熱傳導(dǎo)又不能滿足需求的情況下，增強紅外輻射散熱是首選解決方案。目前大量使用的輻射散熱技術(shù)是將紅外輻射涂料涂敷于需要散熱的部位，由于存在大量的粘結(jié)樹脂，涂料自身的熱導(dǎo)率一般并不高，如果進一步提高散熱表面的輻射率，降低輻射材料與基底的熱阻是當(dāng)前需要重點解決的難點。

具有規(guī)則取向的碳納米管陣列是目前人類所認知材料中輻射率最高的材料，因此將其應(yīng)用于輻射散熱部件將能夠顯著提高散熱和熱交換能力。但由于碳納米管陣列制備工藝的復(fù)雜，且陣列本身結(jié)構(gòu)較脆弱，難以經(jīng)受后續(xù)的各種加工，容易從基底脫落。因此將碳納米管陣列應(yīng)用于輻射散熱的發(fā)明尚鮮有報道公開。為切實將碳納米管陣列應(yīng)用輻射散熱，必須解決碳納米管與基底牢固結(jié)合和低界面熱阻的問題。為了獲得規(guī)整的碳納米管結(jié)構(gòu)，需要避免在化學(xué)氣相沉積過程中碳源分子向基底的擴散和溶解，因此現(xiàn)有制備碳納米管陣列的方法大部分是在無機非金屬材料和高熔點惰性金屬表面，在常規(guī)銅、鋼鐵等表面生長碳納米管陣列時往往需要緩沖層避免碳源向下的擴散溶解。因此陣列的規(guī)整性和牢固性呈現(xiàn)矛盾態(tài)勢，兼顧兩者一直存在較大困難。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種高輻射率散熱金屬箔及其制備方法與應(yīng)用，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

一種高輻射率散熱金屬箔，其特征在于：由金屬箔基底和分別位于金屬箔基底兩面的碳納米管陣列與膠粘劑組成，其中，所述金屬箔基底可以是銅、鎳、鋼鐵、不銹鋼、鋁等的任意一種，厚度5-200微米，所述碳納米管陣列高度5-200微米，碳納米管直徑1-50納米，所述膠粘劑層厚度1-50微米，可以是不干膠、導(dǎo)熱膠、壓敏膠中的任意一種。

一種高輻射率散熱金屬箔的制備方法，其特征在于包括如下步驟：

（一）將金屬箔基底在保護氣氛下經(jīng)200-700度退火10分鐘-2小時，其中保護氣氛可以是氮氣、氬氣、氦氣、氫氣中的任意一種及其任意組合；

（二）在稀酸溶液下將退火之后的金屬箔基底表層氧化物去除，用去離子水和無水乙醇沖洗金屬箔基底表層后，再在常溫下用氮氣槍風(fēng)干；

（三）采用物理蒸鍍工藝在清洗之后的金屬箔基底其中一個表面依次沉積緩沖層、過渡層和催化劑層；

（四）采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)在催化劑層表面生長一層碳納米管陣列；

（五）在金屬箔基底另外一個表面涂敷膠粘劑，烘干之后在膠粘劑層表面貼覆保護膜即制得本發(fā)明的散熱金屬箔。

進一步的，所述步驟（二）中稀酸溶液可以是鹽酸、硫酸、硝酸、磷酸、醋酸中的任意一種，濃度為0.001m-0.1m。

進一步的，所述步驟（三）中緩沖層可以是氮化鈦、碳化鈦或碳氮化鈦中的任意一種，厚度為1納米-50納米。

所述過渡層可以是鈦、鉬、鉭、鈮、釩、鉻、鎢中的任意一種，厚度為0.5納米-10納米。

所述催化劑層可以是鐵、鎳中的任意一種，厚度為1納米-10納米；

所述物理蒸鍍工藝可以是電子束蒸發(fā)、磁控濺射中的任意一種。

進一步的，所述步驟（四）中化學(xué)氣相沉積工藝具體如下：

（1）將依次沉積有緩沖層、過渡層和催化劑層的金屬箔基底放置于化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)內(nèi)，在氮氣或者氬氣保護氣氛下升溫至500-550度，升溫速率為5度/分鐘-50度/分鐘；

（2）切換通入氫氣和氬氣的混合氣，氫氣濃度為2-20%，并繼續(xù)升溫至600-850度，升溫速率為5度/分鐘-50度/分鐘；

（3）切換通入有機碳源和氬氣的混合氣，有機碳源濃度10-50%，保溫5分鐘-60分鐘，有機碳源可以是乙炔、乙烯、乙醇、苯、甲苯、甲烷、乙烷、丙烷、丙酮中的任意一種；

（4）切換通入氮氣或者氬氣，關(guān)閉加熱系統(tǒng)，隨爐冷卻至室溫。

進一步的，所述步驟（五）中涂敷膠粘劑工藝可以是刮涂、滾涂、噴涂中的任意一種。

一種高輻射率散熱金屬箔的應(yīng)用，其特征在于：可直接貼在需要提高散熱能力的各種物體表面，尤其是手機、平板電腦、電池外殼等電子器件需要增強散熱的部位，可顯著提升熱輻射能力。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點包括：

（1）碳納米管陣列具有超高的輻射率，是目前已知最高輻射的材料，將碳納米管陣列與金屬結(jié)合在一起，可同時結(jié)合基底金屬高熱導(dǎo)率和碳納米管陣列超高輻射率的優(yōu)勢，具有優(yōu)異的輻射散熱性能；

（2）采用氮化鈦、碳化鈦、碳氮化鈦為緩沖層，鈦、鉬、鉭、鈮、釩、鉻、鎢等為過渡層，鐵、鎳為催化劑，三層結(jié)構(gòu)高溫下具有很好的相容性，有一定的物質(zhì)擴散，且緩沖層材料具有與金屬基底優(yōu)異的結(jié)合力，可以保證碳納米管陣列在金屬基底的牢固結(jié)合，獲得低熱阻碳納米管陣列；

（3）以金屬箔的形式作為散熱貼，具有應(yīng)用簡便，適應(yīng)面廣的特點，具有廣闊的市場前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明散熱金屬箔的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

實施例1：

取50微米厚銅箔為基底，首先在氮氣氣氛下400度退火30分鐘，隨后用0.01m稀鹽酸將銅箔基底表面氧化物去除，在去離子水和無水乙醇中來回漂洗后用氮氣槍吹干。采用電子束蒸發(fā)技術(shù)在銅箔基底表面依次沉積tin緩沖層20納米、ti過渡層2納米、fe催化劑層10納米。將沉積有緩沖層、過渡層和催化劑的銅箔基底放置于cvd系統(tǒng)內(nèi)，在氬氣保護氣氛下升溫至500度，升溫速率為20度/分鐘；切換通入氫氣濃度為5%的氫氣和氬氣混合氣，并繼續(xù)升溫至700度，升溫速率為20度/分鐘；切換通入有乙烯和氬氣的混合氣，乙烯濃度30%，保溫10分鐘；切換通入氮氣，關(guān)閉加熱系統(tǒng)，隨爐冷卻至室溫。最后采用刮涂工藝將壓敏膠涂敷在銅箔基底另外一面，烘干后即得到散熱金屬箔。采用光學(xué)顯微鏡測試碳納米管陣列高度為100-150微米，牢固生長在銅箔基底上，彎折180度無脫落，循環(huán)彎折10次無脫落，采用ir-2雙波段發(fā)射率測試儀測試碳納米管陣列紅外輻射率為0.98，采用耐馳lfa467激光熱導(dǎo)儀測試散熱膜熱導(dǎo)率，其水平熱導(dǎo)率368w/m·k，垂直熱導(dǎo)率24w/m·k。采用自制的溫差模擬裝置測試生長有碳納米管陣列的銅碳箔和沒有生長碳納米管陣列的空白銅箔進行散熱性能模擬，將銅/碳箔和空白銅箔分別貼在陶瓷發(fā)熱片上，串聯(lián)后升溫，測試兩個銅箔的溫差，實測在空白銅箔70度時，銅/碳箔溫度更低，溫差25度，碳納米管陣列明顯改善銅箔散熱性能。

實施例2：

取50微米厚不銹鋼箔為基底，首先在氮氣氣氛下400度退火30分鐘，隨后用0.01m稀鹽酸將不銹鋼箔基底表面氧化物去除，在去離子水和無水乙醇中來回漂洗后用氮氣槍吹干。采用磁控濺射技術(shù)在不銹鋼箔基底表面依次沉積tin緩沖層20納米、ti過渡層2納米、fe催化劑層10納米。將沉積有緩沖層、過渡層和催化劑的金屬箔放置于cvd系統(tǒng)內(nèi)，在氬氣保護氣氛下升溫至500度，升溫速率為20度/分鐘；切換通入氫氣濃度為5%的氫氣和氬氣混合氣，并繼續(xù)升溫至800度，升溫速率為20度/分鐘；切換通入有乙炔和氬氣的混合氣，乙炔濃度30%，保溫10分鐘；切換通入氮氣，關(guān)閉加熱系統(tǒng)，隨爐冷卻至室溫。最后采用刮涂工藝將壓敏膠涂敷在不銹鋼箔另外一面，烘干后即得到散熱金屬箔。采用光學(xué)顯微鏡測試碳納米管陣列高度為200-250微米，牢固生長在不銹鋼箔基底上，彎折180度無脫落，循環(huán)彎折10次無脫落。采用ir-2雙波段發(fā)射率測試儀測試碳納米管陣列紅外輻射率為0.98，采用耐馳lfa467激光熱導(dǎo)儀測試散熱膜熱導(dǎo)率，其水平熱導(dǎo)率15w/m·k，垂直熱導(dǎo)率8.5w/m·k。采用自制的溫差模擬裝置測試生長有碳納米管陣列的不銹鋼/碳箔和沒有生長碳納米管陣列的空白不銹鋼箔進行散熱性能模擬，將不銹鋼/碳箔和空白不銹鋼箔分別貼在陶瓷發(fā)熱片上，串聯(lián)后升溫，測試兩個不銹鋼箔的溫差，實測在空白不銹鋼箔70度時，不銹鋼/碳箔溫度更低，溫差18度，碳納米管陣列明顯改善不銹鋼箔散熱性能。

實施例3：

取50微米厚鋁箔為基底，首先在氮氣氣氛下350度退火30分鐘，隨后用0.01m稀鹽酸將鋁箔表面氧化物去除，在去離子水和無水乙醇中來回漂洗后用氮氣槍吹干。采用電子束蒸發(fā)技術(shù)在鋁箔表面依次沉積20納米的tin緩沖層、ti過渡層2納米、催化劑層10納米。將沉積有緩沖層、過渡層和催化劑的金屬箔放置于cvd系統(tǒng)內(nèi)，在氬氣保護氣氛下升溫至500度，升溫速率20為度/分鐘；切換通入氫氣濃度為5%的氫氣和氬氣混合氣，并繼續(xù)升溫至800度，升溫速率為20度/分鐘；切換通入有乙炔和氬氣的混合氣，乙炔濃度30%，保溫10分鐘；切換通入氮氣，關(guān)閉加熱系統(tǒng)，隨爐冷卻至室溫。最后采用刮涂工藝將壓敏膠涂敷在鋁箔另外一面，烘干后即得到散熱金屬箔。采用光學(xué)顯微鏡測試碳納米管陣列高度為200-250微米，牢固生長在鋁箔基底上，彎折180度無脫落，循環(huán)彎折10次無脫落。采用ir-2雙波段發(fā)射率測試儀測試碳納米管陣列紅外輻射率為0.98，采用耐馳lfa467激光熱導(dǎo)儀測試散熱膜熱導(dǎo)率，其水平熱導(dǎo)率224w/m·k，垂直熱導(dǎo)率16.5w/m·k。采用自制的溫差模擬裝置測試生長有碳納米管陣列的鋁/碳箔和沒有生長碳納米管陣列的空白鋁箔進行散熱性能模擬，將鋁/碳箔和空白鋁箔分別貼在陶瓷發(fā)熱片上，串聯(lián)后升溫，測試兩個鋁箔的溫差，實測在空白鋁箔70度時，鋁/碳箔溫度更低，溫差12度，碳納米管陣列明顯改善鋁箔散熱性能。

實施例4：

取50微米厚鎳箔為基底，首先在氮氣氣氛下400度退火30分鐘，隨后用0.01m稀鹽酸將表面氧化物去處，在去離子水和無水乙醇中來回漂洗，用氮氣槍吹干。采用電子束蒸發(fā)技術(shù)在鎳箔表面依次沉積tin緩沖層20納米、ti過渡層2納米、fe催化劑層10納米。將沉積有緩沖層、過渡層和催化劑的金屬箔放置于cvd系統(tǒng)內(nèi)，在氬氣保護氣氛下升溫至500度，升溫速率20度/分鐘；切換通入氫氣濃度為5%的氫氣和氬氣混合氣，并繼續(xù)升溫至850度，升溫速率20度/分鐘；切換通入有甲烷和氬氣的混合氣，甲烷濃度30%，保溫10分鐘；切換通入氮氣，關(guān)閉加熱系統(tǒng)，隨爐冷卻至室溫。最后采用刮涂工藝將壓敏膠涂敷在鎳箔基底另外一面，烘干后即得到散熱金屬箔。采用光學(xué)顯微鏡測試碳納米管陣列高度為100-150微米，牢固生長在鎳箔基底上，彎折180度無脫落，循環(huán)彎折10次無脫落。采用ir-2雙波段發(fā)射率測試儀測試碳納米管陣列紅外輻射率為0.98，采用耐馳lfa467激光熱導(dǎo)儀測試散熱膜熱導(dǎo)率，其水平熱導(dǎo)率54w/m·k，垂直熱導(dǎo)率12.6w/m·k。采用自制的溫差模擬裝置測試生長有碳納米管陣列的鎳碳箔和沒有生長碳納米管陣列的空白鎳箔進行散熱性能模擬，將鎳/碳箔和空白鎳箔分別貼在陶瓷發(fā)熱片上，串聯(lián)后升溫，測試兩個鎳箔的溫差，實測在空白鎳箔70度時，鎳/碳箔溫度更低，溫差17度，碳納米管陣列明顯改善鎳箔散熱性能。

實施例5：

取50微米厚45號碳鋼箔為基底，首先在氮氣氣氛下400度退火30分鐘，隨后用0.01m稀鹽酸將45號碳鋼箔表面氧化物去除，在去離子水和無水乙醇中來回漂洗，用氮氣槍吹干。采用電子束蒸發(fā)技術(shù)在銅箔表面依次沉積tin緩沖層20納米、ti過渡層2納米、fe催化劑層10納米。將沉積有緩沖層、過渡層和催化劑的金屬箔放置于cvd系統(tǒng)內(nèi)，在氬氣保護氣氛下升溫至500度，升溫速率為20度/分鐘；切換通入氫氣濃度為5%的氫氣和氬氣混合氣，并繼續(xù)升溫至750度，升溫速率為20度/分鐘；切換通入有乙烷和氬氣的混合氣，乙烷濃度30%，保溫10分鐘；切換通入氮氣，關(guān)閉加熱系統(tǒng)，隨爐冷卻至室溫。最后采用刮涂工藝將壓敏膠涂敷在45號碳鋼基底另外一面，烘干后即得到散熱金屬箔。采用光學(xué)顯微鏡測試碳納米管陣列高度為300-350微米，牢固生長在45號碳鋼基底上，彎折180度無脫落，循環(huán)彎折10次無脫落。采用ir-2雙波段發(fā)射率測試儀測試碳納米管陣列紅外輻射率為0.98，采用耐馳lfa467激光熱導(dǎo)儀測試散熱膜熱導(dǎo)率，其水平熱導(dǎo)率40w/m·k，垂直熱導(dǎo)率9.2w/m·k。采用自制的溫差模擬裝置測試生長有碳納米管陣列的銅碳箔和沒有生長碳納米管陣列的空白銅箔進行散熱性能模擬，將銅/碳箔和空白銅箔分別貼在陶瓷發(fā)熱片上，串聯(lián)后升溫，測試兩個銅箔的溫差，實測在空白45號碳鋼箔70度時，45號碳鋼/碳箔溫度更低，溫差16度，碳納米管陣列明顯改善銅箔散熱性能。

以上說明，及在圖紙上所示的實施例，不可解析為限定本發(fā)明的設(shè)計思想。在本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域里持有相同知識者可以將本發(fā)明的技術(shù)性思想以多樣的形態(tài)改良變更，這樣的改良及變更應(yīng)理解為屬于本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。