CN101579739A - 石墨基散热系统的制备方法 - Google Patents

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Abstract

石墨基散热系统的制备方法，它涉及一种散热系统的制备方法。本发明解决了现有石墨基散热系统抗弯强度小、导热率小的问题。本发明方法如下：一、将高纯石墨经过球磨得到球形石墨；二、将球形石墨、Cu粉和2SiO2·3Al2O3混合，然后球磨3～5h，得到混合原料；三、将混合原料放入额定功率为150W的CW Nd:YAG激光器中，通入高纯氩气保护，根据计算机预先设计的石墨基散热系统的3D图形，在激光功率为98W、扫描速度为80～150mm/s的条件下进行成型，得到石墨基散热系统。采用本发明方法得到的石墨基散热系统的导热系数为201w/(m·k)、抗弯强度25MPa、致密度≥85％。

Description

石墨基散热系统的制备方法
技术领域
本发明涉及一种散热系统的制备方法。
背景技术
当代工业中散热器多数由铜、铝材料制成，但其资源面临枯竭，且其采、选、冶过程中能耗巨大、污染严重，石墨材料沿(002)面方向的导热率超过1000W/m·K，具有比金属铜(401W/m·K)、铝(240W/m·K)更高的导热率，且质量比铜轻80％，比铝轻30％。
国内外大多数科研技术人员采用石墨成型及二次加工的方法加工石墨基散热系统，即采用质量浓度为70％以上的天然石墨与煤沥青混合，然后通过压型、高温焙烧和石墨化等过程而制成，这种方法得到的石墨基散热系统的材料本身存在20％～30％左右的孔隙率，而这种孔隙又具有开孔、闭孔、孔与孔相连接的通孔，以及内部结构容易开裂的性质，这些性质导致制得的石墨基散热系统容易破碎，压型性不好，产率低，造成了大量原材料的浪费，并且高温培烧周期长(约为一周左右)，石墨化温度为2300℃以上(耗能大)，即使对所得石墨基散热系统的材料进行不透性处理，即填塞孔隙、消除通孔程度，虽然改善其机械性能，但得到的石墨基散热系统抗弯强度小(5.3～18.3Mpa)，导热率小(小于180w/(m·k))。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为了解决现有石墨基散热系统抗弯强度小、导热率小的问题，提供了一种石墨基散热系统的制备方法。
本发明石墨基散热系统的制备方法如下：一、将高纯石墨在转速为150～200r/min的球磨机中球磨至粒度为20μm～50μm的球形石墨；二、将球形石墨、Cu粉和2SiO2·3Al2O3按照球形石墨∶Cu粉∶2SiO2·3Al2O3为8∶1.6∶0.4的质量比混合，然后在转速为150～200r/min的球磨机中球磨3～5h，得到混合原料；三、将混合原料放入额定功率为150W的CW Nd:YAG激光器中，通入高纯氩气保护，根据计算机预先设计的石墨基散热系统的3D图形，在激光输出功率为98W、扫描速度为80～150mm/s的条件下进行成型，得到石墨基散热系统；其中步骤三中的扫描方式为单道轨迹扫描或分组变向轨迹扫描两种方式。
本发明方法步骤一中所述的高纯石墨中碳的质量浓度≥99.9％；步骤一中所述的球磨机所用磨球的材质为玛瑙，磨球的直径为1cm；步骤一中所述的球磨机中高纯石墨与磨球的质量比为1∶10；步骤二中所述的球磨机中球形石墨、Cu粉和2SiO2·3Al2O3的总质量与磨球的质量比为1∶10；步骤三中所述的高纯氩气的体积浓度为99.99％。
本发明方法中的Cu粉在Nd:YAG激光器所发射的激光束的热作用下完全熔化，采用的分组变向扫描能使Cu熔化均匀，然后填充于球形石墨间的空隙、粘结球形石墨，金属Cu掺杂于球形石墨中，增加了所得石墨基散热系统的导热率和抗弯强度，并且在成型过程中通入高纯氩气避免了原料在成型过程中被氧化的问题，采用本发明方法得到的石墨基散热系统的导热系数为201w/(m·k)、抗弯强度25Mpa、致密度≥85％。本发明的方法能耗小，不产生污染物，并且本发明方法用计算机控制扫描速度、扫描轨迹等参数，根据三维扫描可以得到任何复杂工件的模型，从而制备出具有复杂形状的石墨基散热系统。本方法属于快速熔化方法无需冷却时间，节省时间的同时能够根据计算机预先设计的石墨基散热系统的3D图形制备出所要的各种复杂外形的石墨基散热系统。
附图说明
图1是具体实施方式二十六所得石墨基散热系统的断口的形貌图。图2是具体实施方式二十六所得的石墨基散热系统断口的EDX图。图3是具体实施方式二十六分组变向扫描中第n层扫描方向示意图，图4是具体实施方式二十六分组变向扫描中第n+1层扫描方向示意图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式中石墨基散热系统的制备方法如下：一、将高纯石墨在转速为150～200r/min的球磨机中球磨至粒度为20μm～50μm的球形石墨；二、将球形石墨、Cu粉和2SiO2·3Al2O3按照球形石墨∶Cu粉∶2SiO2·3Al2O3为8∶1.6∶0.4的质量比混合，然后在转速为150～200r/min的球磨机中球磨3～5h，得到混合原料；三、将混合原料放入额定功率为150W的CW Nd:YAG激光器中，通入高纯氩气保护，根据计算机预先设计的石墨基散热系统的3D图形，在激光输出功率为98W、扫描速度为80～150mm/s的条件下进行成型，得到石墨基散热系统；其中步骤三中的扫描方式为单道轨迹扫描或分组变向轨迹扫描两种方式。
本实施方式中所用球磨机型号为PMQW2L。本实施方式中通过计算机控制扫描速度和扫描轨迹。本实施方式中所用的额定功率为150W的CW Nd:YAG激光器为美国TTG公司生产。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中所述的高纯石墨中碳的质量浓度≥99.9％。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤一中所述的球磨机所用磨球的材质为玛瑙，磨球的直径为1cm。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是步骤一中所述的球磨机转速为180r/min。其它与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一、二或四不同的是步骤一中所述的球形石墨的粒度为35μm。其它与具体实施方式一、二或四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是步骤一中所述的球磨机中高纯石墨与磨球的质量比为1∶10。其它与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一、二、四或六不同的是步骤二中所述的球磨机转速为180r/min。其它与具体实施方式一、二、四或六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是步骤二中所述的球磨机中球形石墨、Cu粉和2SiO2·3Al2O3的总质量与磨球的质量比为1∶10。其它与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一、二、四、六或八不同的是步骤三中所述的高纯氩气的体积浓度为99.99％。其它与具体实施方式一、二、四、六或八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是步骤三中所述的扫描速度为90mm/s，扫描方式为分组变向扫描。其它与具体实施方式九相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中球磨机的转速为160～190r/min。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中球磨机的转速为165～185r/min。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中所述的球形石墨的粒度为25μm～45μm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中所述的球形石墨的粒度为30μm～40μm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤二中球磨机的转速为160～190r/min。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤二中球磨机的转速为165～185r/min。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤二中球磨时间为4h。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤三中扫描速度为85～145mm/s。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十九：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤三中扫描速度为91～140mm/s。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式二十：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤三中扫描速度为95～135mm/s。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式二十一：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤三中扫描速度为100～130mm/s。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式二十二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤三中扫描速度为105～125mm/s。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式二十三：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤三中扫描速度为110～120mm/s。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式二十四：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤三中扫描速度为115mm/s。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式二十五：本实施方式中石墨基散热系统的制备方法如下：一、将高纯石墨在转速为180r/min的球磨机中球磨至高纯石墨的粒度为25μm，然后停止球磨，得到球形石墨；二、将球形石墨、Cu粉和2SiO2·3Al2O3按照球形石墨∶Cu粉∶2SiO2·3Al2O3为8∶1.6∶0.4的质量比混合，然后在转速为180r/min的球磨机中球磨4h，得到混合原料；三、将混合原料放入额定输出功率为150W的CW Nd:YAG激光器中，然后通入高纯氩气保护预防原料在成型过程中氧化，根据计算机预先设计的石墨基散热系统的3D图形，在激光输出功率为98W、扫描速度为90mm/s、扫描方式采用单道轨迹扫描条件下进行成型，得到石墨基散热系统。
具体实施方式二十六：本实施方式与具体实施方式二十五不同的是扫描方式为分组变向扫描。其它与具体实施方式二十五相同。
本实施方式分组变向扫描中，第n层扫描方向参见图3，第n+1层扫描方向参见图4；其中n为正整数。
本实施方式所得的石墨基散热系统的导热系数为201w/(m·k)、抗弯强度25Mpa、致密度≥85％。
图1是本实施方式所得石墨基散热系统的断口的形貌图，由图1看出采用本实施方式得到的石墨基散热系统的空隙率较小，从而提高了石墨基散热系统的抗压性能和导热性能。由图2(本实施方式所得的石墨基散热系统断口的EDX图)得到表1，表1如下：
表1
Figure A20091007231300071
由表1看出本实施方式所得石墨基散热系统中元素以C为主，其中含有少量的Cu及微量的Al、Si元素，由于石墨基散热系统中Cu、Al、Si元素的存在，所以使所得的石墨基散热系统的空隙率较低，从而提高了其导电性及抗弯强度。

Claims (10)

1、石墨基散热系统的制备方法，其特征在于石墨基散热系统的制备方法如下：一、将高纯石墨在转速为150～200r/min的球磨机中球磨至粒度为20μm～50μm的球形石墨；二、将球形石墨、Cu粉和2SiO2·3Al2O3按照球形石墨∶Cu粉∶2SiO2·3Al2O3为8∶1.6∶0.4的质量比混合，然后在转速为150～200r/min的球磨机中球磨3～5h，得到混合原料；三、将混合原料放入额定功率为150W的CWNd:YAG激光器中，通入高纯氩气保护，根据计算机预先设计的石墨基散热系统的3D图形，在激光输出功率为98W、扫描速度为80～150mm/s的条件下进行成型，得到石墨基散热系统；其中步骤三中的扫描方式为单道轨迹扫描或分组变向轨迹扫描两种方式。
2、根据权利要求1所述的石墨基散热系统的制备方法，其特征在于步骤一中所述的高纯石墨中碳的质量浓度≥99.9％。
3、根据权利要求1或2所述的石墨基散热系统的制备方法，其特征在于步骤一中所述的球磨机所用磨球的材质为玛瑙，磨球的直径为1cm。
4、根据权利要求3所述的石墨基散热系统的制备方法，其特征在于步骤一中所述的球磨机转速为180r/min。
5、根据权利要求1、2或4所述的石墨基散热系统的制备方法，其特征在于步骤一中所述的球形石墨的粒度为35μm。
6、根据权利要求5所述的石墨基散热系统的制备方法，其特征在于步骤一中所述的球磨机中高纯石墨与磨球的质量比为1∶10。
7、根据权利要求1、2、4或6所述的石墨基散热系统的制备方法，其特征在于步骤二中所述的球磨机转速为180r/min。
8、根据权利要求7所述的石墨基散热系统的制备方法，其特征在于步骤二中所述的球磨机中球形石墨、Cu粉和2SiO2·3Al2O3的总质量与磨球的质量比为1∶10。
9、根据权利要求1、2、4、6或8所述的石墨基散热系统的制备方法，其特征在于步骤三中所述的高纯氩气的体积浓度为99.99％。
10、根据权利要求9所述的石墨基散热系统的制备方法，其特征在于步骤三中所述的扫描速度为90mm/s，扫描方式为分组变向扫描。
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