CN102400006B - 泡沫碳/铜基或铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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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
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 (8)
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;
(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。
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%。
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