CN101191050B - 一种纳米级超高导热钛碳复合材料及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种纳米级超高导热钛碳复合材料，其特征在于它的组份和重量百分数范围为酸化膨胀石墨40-85％、鳞片石墨纳米粉5-40％、中间相纳米碳粉5-30％和钛金属纳米粉5-30％。制造时，称取上述四个组份，将它们放入高温反应炉中，在300-500℃下混合2-5小时，得到浓稠状高温混合制碳混合液；该混合液于300-500℃下，经模压、辊压或射出成型；所述的模压、辊压或射出成型的压力为120-300MPa；将成型后材料在900-1000℃下碳化1-12小时，再在2500-3000℃下石墨化1-12小时。本发明工艺简单，生产成本低廉；能使导热系数提升至700W/mK以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种热交换材料，尤其是涉及一种纳米级超高导热钛碳复合材料及其制造方法。
背景技术
随着越来越多的电子设备的发展，包括能够提高处理速度和频率、具有更小尺寸和更复杂的功率需求以及显示其它技术优点的一些电子设备，例如电子和电气组件及其它器件如高功率的光学器件中的微处理器和集成电路，可以产生相对极高的温度。然而，微处理器、集成电路和其它复杂电子组件通常仅在一定的温度，范围能有效地运行，在这些器件运行期间产生的热量不仅能够损害它们的性能，而且还能够降低整个系统的性能和可靠性，甚至能够引起系统故障。愈加宽泛的环境条件，包括电子系统如期运行的温度极限，也加剧了过量热的负效应。
随着对微型电子器件散热需求的增长，热控制变成电子产品日益重要的设计因素。电子设备性能的可靠性和预期寿命与设备组件的温度成相反关系，例如，器件如典型硅半导体运行温度的降低可以使处理速度、可靠性和预期寿命增加，因此，为了使组件的寿命和可靠性最大化，将器件运行温度控制在设计者设置的界限内极为重要。
利用几种类型的散热组件就能使热量从电子器件中消散。目前，典型的散热装置由金属构成，尤其是铜或铝，因为像铜这样的金属容易吸热，并且能够将热转移到整个结构周围。有铜的散热设备经常由散热片或其它构件增加散热设备的表面积，空气(例如风扇)被强制通过散热片使热量从电子组件中通过铜散热构件散发到空气中。
但使用铜或铝部件散热也带来一些问题，因为金属的重量尤其散热组件的散热面积显著大于电子器件的面积时，例如纯铜重8.96克(g/cm3)，纯铝重2.70g/cm3。，在许多应用中，散热部件需要设置在例如电路板上，以散发来自板上各个组件的热量。如果使用金属散热部件，板上金属的重量还能够增加板破裂的机会，并且也增加组件自身的重量，这对于便携式电子装置，尤其重要。
因石油飙涨及不可回收天然资源的短缺，找出替代铝及铜之材料是目前最重要的课题。
目前，高于铜的导热系数(380W/mK)和铝的导热系数(240W/mK)的散热材料的代表是钻石，其导热系数最高为2000W/mK，但钻石价格昂贵及取之不易是无法取代铜和铝最重要的问题，因此，目前如何增加导热系数，、容易生产及降低成本以满足不同热管理系统的需要，已成为一个急待解决的课题。
发明内容
本发明的目的是提供一种纳米级超高导热钛碳复合材料及其制造方法，它能满足现有技术的上述需求。
一种纳米级超高导热钛碳复合材料，其特征在于它的组份和重量百分数范围为酸化膨胀石墨40—85％、鳞片石墨纳米粉5—40％、中间相纳米碳粉5—30％和钛金属纳米粉5—30％。
上述纳米级超高导热钛碳复合材料的制造方法，其特征在于称取酸化膨胀石墨、鳞片石墨纳米粉、中间相纳米碳粉和钛金属纳米粉，将它们放入高温反应炉中，在300—500℃下混合2—5小时，得到浓稠状高温混合制碳混合液；该混合液于300—500℃下，经模压、辊压或射出成型；所述的模压、辊压或射出成型的工作压力为120—300MPa；将成型后材料在900—1000℃下碳化1—12小时，再在2500—3000℃下石墨化1—12小时。
本发明与现有技术相比具有下列优点：1、工艺简单，生产成本低廉；2、本发明使用鳞片石墨纳米粉做微小气孔填充(填补)物，主要目的是把酸化膨胀石墨之所有微小气孔填充(填补)完全，使此设备的微小气孔中无空气存在达到提高导热系数之目的。3、本发明使用中间相纳米碳粉做物理结构加强物，主要目的是把酸化膨胀石墨之所有物理结构完拯坚固，达到提高导热系数及加强物理结构强度之目的。4、本发明使用中间相纳米碳粉做粘结剂，在碳化及石墨化的过程中能把松散又无连接之碳分子紧紧的粘结在一起，能使导热系数提升至700W/mK以上。
具体实施方式
本发明的纳米级超高导热钛碳复合材料由酸化膨胀石墨、鳞片石墨纳米粉、中间相纳米碳粉和钛金属纳米粉所组成，它们的重量百分数范围分别是40—85％、5—40％、5—30％和5—30％。制造时称取酸化膨胀石墨、鳞片石墨纳米粉、中间相纳米碳粉和钛金属纳米粉，将它们放入高温反应炉中，在300—500℃下混合2—5小时，得到浓稠状高温混合制碳混合液；该混合液于300—500℃下，经模压、辊压或射出成型；所述的模压、辊压或射出成型的工作压力为120—300MPa；将成型后材料在900—1000℃下碳化1—12小时，再在2500—3000℃下石墨化1—12小时。
实施例一
称取60Kg含碳量90％之酸化膨胀石墨、20Kg含碳量90％的鳞片石墨纳米粉、10Kg钛金属纳米粉及10Kg中间相纳米碳粉，将它们逐渐放入高温反应炉中，在惰性气体保护下，以350℃-500℃的温度逐渐升温混合3小时，得到浓稠状高温混合制碳混合液体，然后将浓稠状高温混合制碳混合液体进行热模压，模压温度为450℃，压力为300MPa模压成片，最后将模压材料在1000℃下进行碳化1小时，再于3000℃下石墨化1小时。所得材料的导热系数为517W/mK，密度为1.81g/cm3。
实施例二
称取65Kg含碳量92％之酸化膨胀石墨、10Kg含碳量91％鳞片石墨纳米粉、15Kg钛金属纳米粉及10Kg中间相纳米碳粉，逐渐放入高温反应炉中，在惰性气体保护下以300℃-500℃的温度中逐渐升温混合2小时，得到浓稠状高温混合制碳混合液体。然后将浓稠碳混合液体进行辊压，辊压温度为400℃，压力为180MPa压成片，最后将辊压材料在900℃下进行碳化4小时，在2500℃石墨化下4小时。所得材料的导热系数为563W/mK，密度为1.89g/cm3。
实施例三
称取70Kg含碳量90％之酸化膨胀石墨、15Kg含碳量90％鳞片石墨纳米粉、7Kg钛金属纳米粉及8Kg中间相纳米碳粉，逐渐放入高温反应炉中在惰性气体保护下，以350℃-450℃的温度逐渐升温混合3小时，得到浓状高温混合制稠碳混合液体，然后将浓稠状高温混合制碳混合液体进行热模压，模压温度为325℃，压力为230MPa模压成片，最后将模压材料于920℃下进行碳化6小时，于2900℃下石墨化6小时。所得材料的导热系数为610W/mK，密度为1.93g/cm3。
实施例四
称取45Kg含碳量90％之酸化膨胀石墨、5Kg含碳量90％的鳞片石墨纳米粉、20Kg钛金属纳米粉及30Kg中间相纳米碳粉，逐渐放入高温反应炉中，在惰性气体保护下以300℃-500℃的温度逐渐升温混合5小时，得到浓稠状高温混合制碳混合液体。然后将浓稠状高温混合制碳混合液体进行热模压，模压温度为350℃、压力为200MPa模压成片，最后将模压材料在960℃下进行碳化8小时，2800℃下石墨化8小时。所得材料的导热系数为680W/mK、密度为1.99g/cm3。
实施例五
称取80Kg含碳量92％之酸化膨胀石墨、5Kg含碳量90％鳞片石墨纳米粉、5Kg钛金属纳米粉及10Kg中间相纳米碳粉，将它们放入高温反应炉中，在惰性气体保护下，以350℃-450℃的温度逐渐升温混合4小时，得到浓稠碳混合液体，然后将浓稠碳混合液体进行热模压，模压温度为300℃，压力为120MPa模压成片，最后将模压材料进行940℃之碳化12小时，2600℃下石墨化12小时。所得材料的导热系数为720W/mK，密度为2.5g/cm3。
本发明的纳米级超高导热钛碳复合材料的导热系数在500W/mK以上的、密度为1.81—3.0g/cm3。所述的酸化膨胀石墨的粒度为30目至200目，膨胀倍数100—500倍，含碳量90％以上，含灰份少于0.1％，水份少于0.1％，含硫量300ppm以下，含铁量0.01％以下。所述的鳞片石墨纳米粉的粒度为100nm以下，含碳量90％以上，含灰份小于0.1％，水份小于0.1％，含硫量300ppm以下，含铁量0.01％以下。所述的中间相纳米碳粉的粒度为100nm以下，含碳量60％以上，软化点275—-285℃，喹啉不溶物15——30wt％，甲苯不溶物60—80wt％。所述的钛金属纳米粉的粒度为100nm以下、铝、铁、碳含量0.05％以下。所述的模压、辊压或射出成型的工作压力优选在150MPa以上、工作温度优选在350℃以上。
本发明可直接用于装有散热片的散热设备。这些散热设备能使热从热源例如发热的电子器件的表面散发到较冷的环境例如空气中。散热设备主要通过增加直接与空气或其它热传递介质接触的表面积，提高电子器件和周围空气之间的热传递效率，使更多的热被分散，因此能降低电子器件运行的温度。散热组件的主要目的是将器件温度维持在设计者/制造者指定的最大允许温度以下。
Claims (5)
1.一种纳米级超高导热钛碳复合材料的制造方法，其特征在于由组分重量分数为酸化膨胀石墨40-85％、鳞片石墨纳米粉5-40％、中间相纳米碳粉5-30％和钛金属纳米粉5-30％按以下方法制备：
(1)按重量分数比例称量酸化膨胀石墨、鳞片石墨纳米粉、中间相纳米碳粉和钛金属纳米粉；
(2)将步骤(1)得到的材料放入高温反应炉中，在惰性气体保护下以300～500℃混合2～5小时，得到浓稠状高温混合制碳混合液；
(3)将步骤(2)制得的材料在300～500℃，经模压、辊压或射出设备进行成型处理；成型工作压力为120-300MPa；
(4)将成型后的材料置于900～1000℃下碳化1～12小时，再在2500～3000℃下石墨化1～12小时。
2.如权利要求1所述的纳米级超高导热钛碳复合材料的制造方法，其特征在于所述的酸化膨胀石墨的粒度为30目至200目，膨胀倍数100-500倍，含碳量90％以上，含灰份少于0.1％，水份少于0.1％，含硫量300ppm以下，含铁量0.01％以下。
3.如权利要求1所述的纳米级高导热钛碳复合材料的制造方法，其特征在于所述的鳞片石墨纳米粉的粒度为100nm以下，含碳量90％以上，含灰份小于0.1％，水份小于0.1％，含硫量300ppm以下，含铁量0.01％以下。
4.如权利要求1所述的纳米级超高导热钛碳复合材料的制造方法，其特征在于所述的中间相纳米碳粉的粒度为100nm以下，含碳量60％以上，软化点275-285℃，喹啉不溶物15-30wt％，甲苯不溶物60-80wt％。
5.如权利要求1所述的纳米级超高导热钛碳复合材料的制造方法，其特征在于所述的钛金属纳米粉的粒度为100nm以下、铝、铁、碳含量0.05％以下。
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