CN102400006B

CN102400006B - 泡沫碳/铜基或铝基复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102400006B
Application number: CN 201010285399
Authority: CN
Inventors: 张习敏; 郭宏; 尹法章; 褚克; 范叶明; 韩媛媛
Original assignee: Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Current assignee: GRIMN Engineering Technology Research Institute Co Ltd
Priority date: 2010-09-16
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2013-05-22
Anticipated expiration: 2030-09-16
Also published as: CN102400006A

Abstract

本发明涉及一种高导热泡沫碳/铜基或铝基复合材料及其制备方法，属于电子封装材料技术领域。该复合材料由30～50(v)％的泡沫碳，50～70(v)％的铜合金或铝合金组成；所述的泡沫碳的孔隙度为50～70％，泡沫碳的孔隙度与铜合金或铝合金的体积百分含量的数值相同。将装有泡沫碳的石墨模具放入真空压力熔渗炉中，当真空度达到0.01～1Pa，温度升至高于基体铜合金或铝合金熔点100～300℃时，将熔化的铜合金或铝合金液从中频感应炉浇注到石墨模具中压渗；炉冷，退模，得到复合材料。本发明中复合材料密度低，具有各向同性的热导性能、优异的可加工性，能够满足电子封装材料轻质、高导热、良好的尺寸稳定性等要求。

Description

泡沫碳/铜基或铝基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高导热泡沫碳/铜基或铝基复合材料及其制备方法，属于电子封装材料技术领域。

背景技术

泡沫碳是一种多孔轻质固态材料，在声学、热学、光学、电学和动力学等方面具有独特性质。泡沫碳有两种结构类型：五边形十二面体结构和球形气孔状结构的，前者为非石墨化，具有很大的开孔和柱状韧带，此结构决定它有良好的保温性，而球形气孔状结构泡沫碳为典型韧带式网状球形开口结构，石墨层面沿孔壁方向规则排列，孔泡均匀分布，因此具有各向同性的导热性能，其热导率可达50-200W/mK，热膨胀系数仅有1.15-4×10^-6/℃，有很好的尺寸稳定性，此类高导热泡沫碳应用于热交换器、催化剂载体、电极材料、航天航空等诸多领域。

由于沥青基高导热泡沫炭的独特结构和优异性能，将其孔泡填充其他材料制备出复合材料。比如USP7157109和USP6037032中均提及将相变材料，如醋酸、Ge-Si等填充到沥青基的高导热泡沫碳中，制备的复合材料用做热沉，这种热沉材料在工作过程中，利用了填充材料在相变点温度下只吸放热量而保持温度不变的特点，将工作器件的热量快速储存，同时通过泡沫碳的韧带将热量传导周边环境中。USP5770127提到在封闭的弹性袋子中置入一定形状的炭泡沫(炭泡沫包括了各种碳或石墨的泡沫体)，带子内抽真空，打开一端的阀门注入树脂，待其凝固后取出，得到泡沫碳复合材料，所用的树脂包括热固树脂和热塑树脂，与其他碳纤维复合材料相比具有各向同性的优点。

泡沫碳材料本身由于孔泡的存在整体的热导率为50-200W/mK，而韧带为层状石墨，平行于片层方向的热导率为2000W/mK，所以如果将泡沫碳的孔泡内填充导热良好的金属，在热传导过程中，形成两种连通的导热通道，大大增加了导热效率。并且复合材料的密度比基体金属低，热膨胀系数降低，易加工，与其他碳纤维复合材料相比，具有各向同性的导热性能。如果同时可以解决复合材料中存在界面润湿的问题，将大大降低由于界面带来的热阻。因此高导热泡沫碳金属基复合材料有望应用于电子封装材料领域。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提供了一种高导热泡沫碳/铜基或铝基复合材料。该复合材料的导热效率大大增加，并且复合材料的密度比基体金属低，热膨胀系数降低，易加工，与其他碳纤维复合材料相比，具有各向同性的导热性能。同时解决了复合材料中存在的界面润湿的问题，大大降低了由于界面带来的热阻。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

一种泡沫碳/铜基或铝基复合材料，其组成和体积百分含量为：30～50％的泡沫碳，50～70％的铜合金或铝合金；所述的泡沫碳的孔隙度为50～70％，泡沫碳的孔隙度(％)与铜合金或铝合金的体积百分含量的数值相同。

一种优选技术方案，其特征在于：所述的泡沫碳为石墨化的结构，具有高的热导率。泡沫碳的热导率为130-150W/mK。

一种优选的技术方案，其特征在于：所述的铜合金或铝合金为添加Cr、Ti、W、B或Mo碳化物形成元素的铜合金或铝合金。

一种优选的技术方案，其特征在于：所述的铜合金或铝合金中，Cr、Ti、W、B或Mo碳化物形成元素的添加量为0.05wt％-1wt％。

本发明的另一目的是提供一种高导热泡沫碳/铜基或铝基复合材料的制备方法。

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种泡沫碳/铜基或铝基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将泡沫碳放入石墨模具中，铜合金或铝合金放入真空压力熔渗炉的中频感应炉中，泡沫碳的体积百分含量为30～50％，铜合金或铝合金为50～70％，泡沫碳的孔隙度为50～70％，泡沫碳的孔隙度(％)与铜合金或铝合金的体积百分含量数值相同；

(2)将装有泡沫碳的石墨模具放入真空压力熔渗炉中，抽真空，同时升温；

(3)当真空压力熔渗炉真空度达到0.01～1Pa，温度升至高于基体合金熔点100～300℃时，开始将熔化的金属液从中频感应炉浇注到石墨模具中压渗；

(4)炉冷，退模，得到泡沫碳/铜基或铝基复合材料。

一种优选技术方案，其特征在于：步骤(1)所述泡沫碳为石墨化的结构，具有高的热导率。泡沫碳的热导率为130-150W/mK。

一种优选技术方案，其特征在于：步骤(1)所述的铜合金或铝合金为添加Cr、Ti、W、B或Mo碳化物形成元素的铜合金或铝合金。

一种优选技术方案，其特征在于：所述的铜合金或铝合金中，Cr、Ti、W、B或Mo碳化物形成元素的添加量为0.05wt％-1wt％。

本发明的优势在于：

(1)本发明中的泡沫碳为石墨化泡沫碳，具有高的比热导率，石墨层面沿孔壁方向规则排列，孔泡均匀分布，内联立体石墨化网状结构使其具有各向同性的导热性能，远远超过一维或二维方向传热的各向异性的碳纤维和炭/炭复合材料，此外泡沫碳的热膨胀系数低，只有(1.15-4)×10^-6/℃，具有很好的尺寸稳定性。拥有70～90％的孔隙度，是一种轻质的高导热材料，同时独特的孔泡结构使其具有微波吸收性能。

(2)本发明将高导热的金属渗入石墨化的泡沫碳孔隙中，制备出组织致密的复合材料，在热传导过程中，使得泡沫碳和高导热金属的导热性能均得到发挥，并且整体复合材料的导热性能得到提高。

(3)本发明通过在金属基体中添加Cr、Ti、W、B或Mo等合金元素有效的改善了金属基体与泡沫碳的界面结合，降低界面热阻。

本发明的复合材料密度低，具有各向同性的热导性能、优异的可加工性，能够满足电子封装材料轻质、高导热、良好的尺寸稳定性等要求。

下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

附图说明

图1为本发明的泡沫碳/铜基或铝基复合材料制备方法的流程图。

具体实施方式

实施例1

原料：孔隙度为50％的泡沫碳，泡沫碳为石墨化的结构，热导率为150W/mK左右(铜和铝的比导热率分别为45W/mK和54W/mK)；Cu-0.5Cr合金。

将孔隙度为50％的泡沫碳放入石墨模具中，Cu-0.5Cr合金放入真空压力熔渗炉的中频感应炉中，泡沫碳的体积百分含量为50％，铜铬合金为50％；将装有泡沫碳的石墨模具放入真空压力熔渗炉中，抽真空，同时升温，当真空压力熔渗炉真空度达到0.05Pa，温度升高至1200℃(铜铬合金的熔点为1080℃)时开始将熔化的铜铬合金液从中频感应炉浇注到石墨模具中压渗，炉冷，退模，制备的泡沫碳/铜基复合材料的密度为5.45g/cm³，热导率为220W/mK，热膨胀系数为10.3×10^-6/K。

实施例2

原料：孔隙度为60％的泡沫碳，泡沫碳为石墨化的结构，热导率为140W/mK左右；Cu-0.1Ti合金。

将孔隙度为60％的泡沫碳放入石墨模具中，Cu-0.1Ti合金放入真空压力熔渗炉的中频感应炉中，泡沫碳的体积百分含量为40％，铜钛合金为60％；将装有泡沫碳的石墨模具放入真空压力熔渗炉中，抽真空，同时升温，当真空压力熔渗炉真空度达到0.01Pa，温度升高至1200℃(铜钛合金的熔点为1080℃)时开始将熔化的铜钛合金液从中频感应炉浇注到石墨模具中压渗，炉冷，退模，制备的泡沫碳/铜基复合材料的密度为5.42g/cm³，热导率为210W/mK，热膨胀系数为9.9×10^-6/K。

实施例3

原料：孔隙度为70％的泡沫碳，泡沫碳为石墨化的结构，热导率为130W/mK左右；Al-0.2B合金。

将孔隙度为70％的泡沫碳放入石墨模具中，Al-0.2B合金放入真空压力熔渗炉的中频感应炉中，泡沫碳的体积百分含量为30％，铝硼合金为70％；将装有泡沫碳的石墨模具放入真空压力熔渗炉中，抽真空，同时升温，当真空压力熔渗炉真空度达到1Pa，温度升高至850℃(铝硼合金的熔点为660℃)时开始将熔化的铝硼合金液从中频感应炉浇注到石墨模具中压渗，炉冷，退模，制备的泡沫碳/铝基复合材料的密度为2.54g/cm³，热导率为150W/mK，热膨胀系数为12.5×10^-6/K。

实施例4

孔隙度为70％的泡沫碳，泡沫碳为石墨化的结构，热导率为130W/mK；Al-0.2Ti合金。

将孔隙度为70％的泡沫碳放入石墨模具中，Al-0.2Ti合金放入真空压力熔渗炉的中频感应炉中，泡沫碳的体积百分含量为30％，铝合金为70％；将装有泡沫碳的石墨模具放入真空压力熔渗炉中，抽真空，同时升温，真空压力熔渗炉真空度达到0.01Pa，温度升高至700℃时(铝合金的熔点为650℃)开始将熔化的铝合金液从中频感应炉浇注到石墨模具中压渗，炉冷，退模，制备的泡沫碳/铝基复合材料的密度为2.52g/cm³，热导率为146W/mK，热膨胀系数为13×10^-6/K。

实施例5

原料：孔隙度为50％的泡沫碳，泡沫碳为石墨化的结构，热导率为150W/mK左右；Al-0.6Cr合金。

将孔隙度为50％的泡沫碳放入石墨模具中，Al-0.6Cr合金放入真空压力熔渗炉的中频感应炉中，泡沫碳的体积百分含量为50％，铝合金为50％；将装有泡沫碳的石墨模具放入真空压力熔渗炉中，抽真空，同时升温，当真空压力熔渗炉真空度达到0.05Pa，温度升高至750℃(铝合金的熔点为650℃)时开始将熔化的铝合金从中频感应炉浇注到石墨模具中压渗，炉冷，退模，制备的泡沫碳/铝基复合材料的密度为2.40g/cm³，热导率为120W/mK，热膨胀系数为11.18×10^-6/K。

实施例6

原料：孔隙度为60％的泡沫碳，泡沫碳为石墨化的结构，热导率为140W/mK左右；Cu-0.02Mo合金。

将孔隙度为60％的泡沫碳放入石墨模具中，Cu-0.02Mo合金放入真空压力熔渗炉的中频感应炉中，泡沫碳的体积百分含量为40％，铜合金为60％；将装有泡沫碳的石墨模具放入真空压力熔渗炉中，抽真空，同时升温，当真空压力熔渗炉真空度达到1Pa，温度升高至1200℃(铜合金的熔点为1080℃)时开始将熔化的铜合金液从中频感应炉浇注到石墨模具中压渗，炉冷，退模，制备的泡沫碳/铜基复合材料的密度为6.17g/cm³，热导率为215W/mK，热膨胀系数为9.7×10^-6/K。

本发明制备的复合材料由泡沫碳和铜合金或铝合金组成，将金属基体熔化后浇注在泡沫碳上，经压力浸渗工艺制成高导热泡沫碳金属基复合材料。本发明中复合材料密度低，热导率高，尺寸稳定性好。采用添加Cr、Ti、W、B或Mo等碳化物形成元素的铜合金或铝合金，还可以有效的改善金属基体与泡沫碳的界面结合，降低界面热阻。

在熔渗金属的过程中基体合金中添加的Cr、Ti、W、Mo等合金元素与泡沫碳反应生成其碳化物，生成的碳化物层有效地连接基体与泡沫碳，改善基体合金与泡沫碳的界面结合，避免界面之间的间隙缺陷带来的界面热阻。

Claims

1.一种泡沫碳/铜基或铝基复合材料，其组成和体积百分含量为：30～50％的泡沫碳，5O～70％的铜合金或铝合金；所述的泡沫碳的孔隙度为50～70％，泡沫碳的孔隙度与铜合金或铝合金的体积百分含量的数值相同。

2.根据权利要求1所述的泡沫碳/铜基或铝基复合材料，其特征在于：所述的泡沫碳为石墨化的结构。

3.根据权利要求2所述的泡沫碳/铜基或铝基复合材料，其特征在于：所述的铜合金或铝合金为添加Cr、Ti、W、B或Mo碳化物形成元素的铜合金或铝合金。

4.根据权利要求3所述的泡沫碳/铜基或铝基复合材料，其特征在于：所述的铜合金或铝合金中，Cr、Ti、W、B或Mo碳化物形成元素的添加量为0.05wt％-1wt％。

5.一种泡沫碳/铜基或铝基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将泡沫碳放入石墨模具中，铜合金或铝合金放入真空压力熔渗炉的中频感应炉中，泡沫碳的体积百分含量为30～50％，铜合金或铝合金为50～70％，泡沫碳的孔隙度为50～70％，泡沫碳的孔隙度与铜合金或铝合金的体积百分含量数值相同；

(4)炉冷，退模，得到泡沫碳/铜基或铝基复合材料。

6.根据权利要求5所述的泡沫碳/铜基或铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述泡沫碳为石墨化的结构。

7.根据权利要求5所述的泡沫碳/铜基或铝基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述的铜合金或铝合金为添加Cr、Ti、W、B或Mo碳化物形成元素的铜合金或铝合金。

8.根据权利要求7所述的泡沫碳/铜基或铝基复合材料的制备方法，所述的铜合金或铝合金中，Cr、Ti、W、B或Mo碳化物形成元素的添加量为0.05wt％-1wt％。