TWI856538B - 一種再結晶石墨材料的製造方法 - Google Patents

Abstract

再結晶石墨材料的製造方法，先在一碳粉中混拌至少一觸媒金屬形成一混合粉末，對該混合粉末加壓成形為一預成型材料後，在一無氧環境中對該預成型材料通電而以電阻加熱到至少2,000℃，使該觸媒金屬熔化，致該預成型材料的電阻降低，再繼續通電後升溫該預成型材料而使該預成型材料再結晶為一石墨材料。

Description

一種再結晶石墨材料的製造方法

本發明是有關於一種石墨材料的製造方法，尤指一種再結晶石墨材料的製造方法。

石墨材料早已大量用於結構産品，如鉗鍋、電極以及其他高溫應用領域之中，這些產品可耐溫至3,500℃，遠高於一般金屬的熔點。例如，用於電阻加熱的石墨加熱棒為許多真空爐的加溫方式，然而這些石墨產品通常採用熱壓燒結的方式製成，會有氣孔的產生，當加熱至400℃會逐漸氧化。

石墨粉的來源多為地下採礦取得，結晶度通常不高。而石墨晶體為六方晶系，碳原子在每一層上排列成類似蜂窩狀的六角形。在結晶學裏，石墨晶體的單晶在平行於六角形的碳層上延伸的尺度稱為La，而在垂直於六角形的碳層上延伸的尺度稱為Lc。La及Lc都可透過儀器量測，例如XRD或拉曼(Raman)光譜儀等。石墨單晶越大，其La越大，但Lc越小。由於石墨單晶為片狀，故La會遠大於Lc。但既使如此，天然石墨單晶的La多為奈米等級，而單晶較大的石墨稱為鱗片石墨，其La接近微米，所以六角層平滑黑亮而成鱗片狀。

由於石墨具有良好的熱傳導率，故近期的主要應用領域為散熱膜，例如手機、筆電、伺服器、基地台、機器人、汽車等，都已採用石墨散熱 膜。石墨單晶的導電率及導熱率隨單晶尺寸的增加而增加，進一步來說，石墨在碳層平面上的La方向的導電率及導熱率可達2,000W/mK，為銅箔的數倍，但層間的Lc方向的導熱率卻只有小於10W/mK。因此，對於石墨材料來說，散熱的效果只限制在極薄的層面上，而層間則為幾乎不導熱。

市面上所使用的石墨散熱膜多為聚醯亞胺(PI)基的石墨膜材料，石墨化程度雖高，但仍為層狀，所以在垂直於膜的方向上的低導熱率將阻擋熱流，使晶片難以有效降溫，加上聚醯亞胺的成本很高，且高溫製成的石墨膜非常薄(小於40微米)，因此，這類型的石墨膜材料的散熱效果相當有限。

本發明的主要目的在於改善習知石墨材料在層間的導熱率偏低的問題。

根據本發明的一方面，提供一種再結晶石墨材料的製造方法，先在一碳粉中混拌至少一觸媒金屬形成一混合粉末，對該混合粉末加壓成形為一預成型材料後，在一加熱爐中於一無氧環境中對該預成型材料加熱到至少2,000℃，使該觸媒金屬熔化，致該預成型材料的電阻降低，再繼續升溫該預成型材料到至少2,800℃而使該預成型材料再結晶為一石墨材料。

根據本發明的另一方面，提供一種再結晶石墨材料的製造方法，先在一碳粉中混拌至少一觸媒金屬形成一混合粉末，對該混合粉末加壓成形為一預成型材料後，在一無氧環境中對該預成型材料通電而以電阻加熱到至少2,000℃，使該觸媒金屬熔化，致該預成型材料的電阻降低，再繼續通電後升溫 該預成型材料到至少2,800℃而使該預成型材料再結晶為一石墨材料。

應當理解的是，在本文中，對各種實施例的描述中所使用的用語只是為了描述特定示例的目的，而並非旨在進行限制。除非上下文另外明確地表明，或刻意限定元件的數量，否則本文所用的單數形式「一」、「該」也包含複數形式。將進一步理解，用語「包括」及/或「包含」在本文中使用時指出了所敘述的特徵、元件及/或組件的存在，但不排除再一個或多個其他特徵、元件、組件及/或它們的群組的添加或存在。不定冠詞和定冠詞應包括複數和單數，除非從上下文中清楚地看出相反的情況。

本文中所執行的步驟，應當理解各個步驟不一定必須按照本文描述的順序來精確地執行，相反地，該些步驟可以按照倒序或同時處理來執行。同時，也可以將其他步驟添加到過程之中，或從這些過程移除某一步或數步操作。

此外，本文所揭示之範圍包括邊界值以及邊界之間的任意值，例如在X至Y之間的範圍內意謂可取X、Y及X與Y中間的值，至少為Z意謂可取Z及大於Z之值。

本發明是關於一種石墨材料的製造方法，特別是可以使石墨材料再結晶，以亂向生長大石墨單晶的方法，該方法包括以下步驟：

步驟1：先將一碳粉與至少一種的觸媒金屬混合，而形成一混合粉末。在一例子中，該碳粉為一鱗片石墨粉，該觸媒金屬為鐵、鈷、鎳或以前述至少一種金屬為主成份的合金。在一例子中，該觸媒金屬佔該混合粉末的重量百分比介於20%至80%之間的範圍內，又在一例子中，該觸媒金屬佔該混合 粉末的重量百分比介於30%至70%之間的範圍內；或者，該觸媒金屬佔該混合粉末的重量百分比介於40%至60%之間的範圍內。舉例來說，該觸媒金屬佔該混合粉末的重量百分比可以是25%、30%、35%、70%、75%或80%。

步驟2：對該混合粉末加壓成形為一預成型材料。在一例子中，該預成型材料的成型是利用捲對卷(Roll-to-Roll)的方式。

步驟3：讓該預成型材料在一無氧環境中加熱，加熱是對該預成型材料通電，而以電阻加熱的方式加熱到至少2,000℃(在一非限制性的例子中，可介於2,000℃至3,500℃之間的範圍內的溫度)，例如直接對該預成型材料施加電流。在加熱下，該觸媒金屬熔化，使得該預成型材料的電阻降低，再繼續通電後，該預成型材料將繼續升溫至更高的溫度，讓該預成型材料再結晶，最終得到一石墨材料。在一例子中，該無氧環境為真空或一惰性氣氛，該惰性氣氛包括但不限於氮氣、氬氣、氦氣或前述的混合。

在加熱之下，石墨將結晶為單晶，且隨著持續升溫，石墨單晶將漸漸變大，即發生再結晶。在一實例中，當該預成型材料被加熱至至少2,800℃時(在一非限制性的例子中，可介於2,800℃至3,500℃之間的範圍內的溫度)，石墨單晶的La將大於1微米，且至少90wt.%的該觸媒金屬揮發，此時，該預成型材料的電阻降低，在繼續通電流下，升溫的溫度將更高，進一步促進石墨單晶的生長。而在一例子中，加熱的結束是根據該石墨材料的石墨晶體的厚度而決定，例如當石墨晶體的厚度大於1微米，結束該預成型材料的加熱。

根據本發明的方法而得到的再結晶石墨材料，適合應用在導電或導熱，例如作為一散熱裝置，可應用的對象包括但不限於天線、LED、CPU、GPU、IGBT、HEMT等等。

Claims (16)

1. 一種再結晶石墨材料的製造方法，先在一碳粉中混拌至少一觸媒金屬形成一混合粉末，對該混合粉末加壓成形為一預成型材料後，在一加熱爐中於一無氧環境中對該預成型材料加熱到至少2,000℃，使該觸媒金屬熔化，致該預成型材料的電阻降低，再繼續升溫該預成型材料到至少2,800℃而使該預成型材料再結晶為一石墨材料。
2. 一種再結晶石墨材料的製造方法，先在一碳粉中混拌至少一觸媒金屬形成一混合粉末，對該混合粉末加壓成形為一預成型材料後，在一無氧環境中對該預成型材料通電而以電阻加熱到至少2,000℃，使該觸媒金屬熔化，致該預成型材料的電阻降低，再繼續通電後升溫該預成型材料到至少2,800℃而使該預成型材料再結晶為一石墨材料。
3. 如請求項1或2的方法，其中該觸媒金屬為鐵、鈷、鎳或以前述至少一種金屬為主成份的合金。
4. 如請求項1或2的方法，其中對該成型材料再次加壓使其緻密。
5. 如請求項1或2的方法，其中該碳粉為一鱗片石墨粉。
6. 如請求項1或2的方法，其中該觸媒金屬佔該混合粉末的重量百分比介於20%至80%之間。
7. 如請求項1或2的方法，其中該無氧環境為真空或一惰性氣氛。
8. 如請求項7的方法，其中該惰性氣氛為氮氣、氬氣或氦氣。
9. 如請求項1或2的方法，其中該預成型材料被加熱直到石墨晶體的厚度大於1微米。
10. 如請求項1或2的方法，其中是利用一捲對卷的方式來加壓該預成型材料。
11. 如請求項2的方法，其中直接對該預成型材料施加電流而加熱至至少2,000℃。
12. 如請求項1或2的方法，其中該石墨材料的尺寸La大於1微米。
13. 如請求項1或2的方法，其中該預成型材料被加熱至至少2,800℃而使至少90wt.%的該觸媒金屬揮發。
14. 一種再結晶石墨材料，係由請求項1或2的方法製造得到，其中該預成型材料被加熱直到石墨晶體的厚度大於1微米，使該石墨材料的尺寸La大於1微米。
15. 如請求項14的再結晶石墨材料，其中該再結晶石墨材料應用於一散熱裝置。
16. 如請求項14的再結晶石墨材料，其中該再結晶石墨材料應用於導電或導熱。