CN102605208B - 具有分级结构的高导热金属基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有分级结构的高导热金属基复合材料及其制备方法，其特征在于，至少一种纳米增强体与金属基体构成第一级复合材料(复合材料-I)，进而，至少一种微米增强体与复合材料-I构成第二级复合材料(复合材料-II)，其中，纳米增强体选自石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维、纳米石墨片、纳米金刚石，至少有一维方向的尺寸为1-100nm；微米增强体选自金刚石、碳化硅、硅，等效粒径为30-600μm。本发明制备的复合材料热膨胀系数低且可调控，热导率高，可用作各类热管理材料。
Description
技术领域
本发明属于高导热金属基复合材料技术领域，提供了一种具有分级结构的高导热金属基复合材料及其粉末冶金制备方法。
背景技术
近年来，为适应电子技术的发展需求，用作热管理材料的高导热、低膨胀金属基复合材料的研究取得了巨大进展。高导热增强体(如金刚石、碳化硅、硅、碳纤维以及高定向裂解石墨等)的应用，使金属基复合材料的热导率达到甚至超过纯铜(＞400W/mK)，可以满足当前电子技术对于高导热的发展要求。但是，这些高导热金属基复合材料的热膨胀系数仍较高(一般大于10×10-6/K)，未达到与电子元器件相匹配的使用要求(5-9×10-6/K)，同时材料热膨胀系数的可调范围低，严重制约了该类材料在电子技术领域的应用。有效降低金属基复合材料的热膨胀系数，是高导热金属基复合材料在电子技术领域实现产业化应用的关键。通过高导热增强体(如金刚石、碳化硅、硅、碳纤维以及高定向裂解石墨等或其二者)之间的粒度级配，提高增强体含量，可在一定程度上降低复合材料的热膨胀系数。
对现有技术的文献检索发现，文献“Thermal properties of diamond/SiC/Alcomposites with high volume fractions”(高体积含量金刚石/碳化硅/铝复合材料的热学性能)(Materials and Design.32(2011)4225-4229)首先采用45μm碳化硅与350μm金刚石按1∶2体积比进行粒度级配、混合，然后再采用气体压力浸渗制备金刚石和碳化硅混杂增强金属基复合材料，其增强体体积含量高达66％，热膨胀系数为8×10-6/K，但同时其热导率也由425W/mK降至400W/mK。可见，在微米尺度颗粒级配中，热膨胀系数的降低是通过提高增强体的体积含量来实现的，但高体积含量会导致：(1)复合材料的脆性增加、致密化难度增加，复合材料的热导率不升反降；(2)复合材料的阻尼性能下降，难以保证在复杂服役条件中(如振动、加速运动等)的工作稳定性和使用寿命。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种具有分级结构的高导热金属基复合材料及其制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明所述的具有分级结构的高导热金属基复合材料，具体为：至少一种纳米增强体与金属基体构成第一级复合材料(复合材料-I)，进而，至少一种微米增强体与复合材料-I构成第二级复合材料(复合材料-II)，其中，纳米增强体选自石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维、纳米石墨片、纳米金刚石，至少有一维方向的尺寸为1-100nm；微米增强体选自金刚石、碳化硅、硅，等效粒径为30-600μm。
本发明所述的复合材料-I中，纳米增强体所占体积分数为0.1-5％；所述的复合材料-II中，微米增强体所占体积分数为10-50％。
本发明所述的金属基体为Al或Cu。
本发明还提供了上述具有分级结构的高导热金属基复合材料的制备方法，包括以下实施步骤：
先将金属基体粉末和纳米增强体粉末均匀混合，得到构成第一级复合材料的复合粉末(复合粉末-I)；
再将复合粉末-I与微米增强体粉末均匀混合，得到构成第二级复合材料的复合粉末(复合粉末-II)；
最后将复合粉末-II压制成坯后，再进行致密化烧结，得到高导热、低膨胀金属基复合材料。
在本发明的方法中，所述的压制成坯包括冷压、等静压或热压。
在本发明的方法中，所述的致密化烧结包括在真空或者气体保护下的热压烧结、放电等离子体烧结、微波烧结中一种。
在本发明的方法中，通过纳米、微米跨尺度、分级复合构型设计，同时发挥纳米、微米增强体各自的性能优势，实现单一尺度增强体无法企及的增强效果。其中，微米增强体比表面积小，界面热阻低，因此其主要作用是提高复合材料的热导率；纳米增强体具有高比表面积(50-500m2/g)、高热导率(1000-6000W/mK)和低膨胀系数(1-2×10-6/K)，在金属基体中引入纳米增强体，可望在提高金属基体热导率的同时有效降低其热膨胀系数。由于纳米增强体降低热膨胀的效率非常高，因此只需引入较低的体积含量(0.1-5％)即可实现降低热膨胀的设计要求。最终，在所制备的跨尺度、分级复合材料中，纳米和微米增强体的总体积含量一般低于55％，因此其热学性能的可调控性增加，同时使金属基体保持一定的塑、韧性，有利于提高金属基复合材料的阻尼性能，保证材料在复杂服役条件中(如振动、加速运动等)的使用寿命和工作稳定性。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)纳米、微米增强体跨尺度、分级混杂增强金属基体，抑制金属基体热膨胀系数的效率高，所需增强体的体积含量低；(2)增强体体积含量低，使材料热学性能的可调控性增加，材料性能可依据实际使用要求进行调控；(3)制备的材料阻尼性能好，可保证其在复杂服役条件中(如振动、加速运动等)的使用寿命和工作稳定性。
附图说明
图1具有分级结构的高导热金属基复合材料的制备工艺流程；
图2具有分级结构的高导热金属基复合材料的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施方案进一步描述：以下实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下实施例中采用的金属基体粉末为200目(约45μm)，纯度为99.9％。采用的复合粉末致密化烧结过程中真空度为0.05Pa以下，外加烧结压力30-500MPa。制备的样品尺寸为
与
两种规格，分别用于热导率与热膨胀系数的测试，并遵照图1所示的工艺流程实施。
材料的室温热导率(TC)由公式λ＝α×ρ×c计算得出，其中α为室温热扩散系数，采用德国耐驰公司LFA447设备通过激光闪射法测得，ρ为材料的密度，采用阿基米德排水法测得，c为复合材料的比热容。
材料的热膨胀系数(CTE)采用德国耐驰公司DIL402C设备在氩气气氛中测得，气体流量为50毫升/分钟，测试的温度范围为30-200℃，升温速率为5℃/分钟。
实施例1
首先将0.1％石墨烯与金属铝粉末均匀混合，获得复合粉末-I，再将复合粉末-I与50％金刚石均匀混合，得到复合粉末-II；然后采用300MPa压力冷压压制成坯，并在640℃进行真空热压烧结60分钟。获得的材料的热膨胀系数为7.6×10-6/K，基本满足使用要求，热导率为576W/mK。
实施例2
首先将5％碳纳米管与金属铝粉末均匀混合，获得复合粉末-I，再将复合粉末-I与40％金刚石均匀混合，得到复合粉末-II；然后采用300MPa压力冷压压制成坯，并在580℃进行等离子体烧结10分钟。获得的材料的热膨胀系数为7.1×10-6/K，满足使用要求，热导率为467W/mK。
实施例3
首先将5％碳纳米纤维与金属铝粉末均匀混合，获得复合粉末-I，再将复合粉末-I与10％金刚石均匀混合，得到复合粉末-II；然后采用200MPa压力等静压压制成坯，并在640℃进行真空热压烧结60分钟。获得的材料的热膨胀系数为10×10-6/K，基本满足使用要求，热导率为280W/mK。
实施例4
首先将5％碳纳米管与金属铝粉末均匀混合，获得复合粉末-I，再将复合粉末-I与20％硅均匀混合，得到复合粉末-II；然后采用200MPa压力热压压制成坯，并在580℃进行微波烧结10分钟。获得的材料的热膨胀系数为9.0×10-6/K，满足使用要求，热导率为207W/mK。
实施例5
首先将3％纳米石墨片与金属铜粉末均匀混合，获得复合粉末-I，再将复合粉末-I与40％碳化硅均匀混合，得到复合粉末-II；然后采用300MPa压力等静压压制成坯，并在860℃进行等离子体烧结10分钟。获得的材料的热膨胀系数为8.6×10-6/K，满足使用要求，热导率为365W/mK。
实施例6
首先将2％纳米金刚石与金属铜粉末均匀混合，获得复合粉末-I，再将复合粉末-I与50％碳化硅均匀混合，得到复合粉末-II；然后采用300MPa压力等静压压制成坯，并在980℃进行真空热压烧结60分钟。获得的材料的热膨胀系数为7.3×10-6/K，满足使用要求，热导率为328W/mK。
比较实施例1
直接将50％金刚石与金属铝粉末均匀混合，然后采用200MPa压力冷压压制成坯，并在640℃进行真空热压烧结60分钟。获得的材料的热膨胀系数为12.8×10-6/K，不满足使用要求，热导率为558W/mK。
比较实施例2
将65％的粒度分别为38μm与200μm的金刚石按1∶3比例与金属铝粉均匀混合后，放入模具，在640℃进行真空热压烧结60分钟。获得的材料的热膨胀系数为8.9×10-6/K，满足使用要求，热导率为573W/mK。
如图2所示，为上述实施例得到的材料示意图，表1给出的是各实施例中的工艺参数和最终材料性能，给出的TC、CTE均为室温测试结果。
表1各实施例中的工艺参数和最终材料性能
本发明通过调控纳米、微米增强体与金属基体粉末的混合顺序与配比，设计和制备具有跨尺度分级结构的高导热金属基复合材料。除金刚石、碳化硅、硅等微米尺度增强体外，进一步引入少量石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维、纳米石墨片、纳米金刚石等纳米尺度增强体，制备高导热、低膨胀的金属基复合材料。与微米增强体相比，纳米增强体不但具有低的热膨胀系数和高热导率，还具有高比表面积，只需添加较低含量即可有效降低金属基体的热膨胀，并且不损失基体的热导率，避免了微米增强体颗粒级配因体积分数过高而带来的不足。本发明制备的复合材料热膨胀系数低且可调控，热导率高，可用作各类热管理材料。
以上为本发明的部分优选实施例，应当理解的是，本发明还有其他的实施方式，比如改变上述实施例中的材料配比以及参数取值，这对本领域的技术人员来说，是很容易实现的。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (5)
1.一种具有分级结构的高导热金属基复合材料，其特征在于，所述复合材料为由至少一种微米增强体与第一级复合材料构成的第二级复合材料；所述第一级复合材料为至少一种纳米增强体与金属基体构成；其中：
所述纳米增强体选自石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维、纳米石墨片、纳米金刚石，至少有一维方向的尺寸为1-100nm；
所述微米增强体选自金刚石、碳化硅、硅，等效粒径为30-600μm；
在所述第一级复合材料中，纳米增强体所占体积分数为0.1-5%；
在所述第二级复合材料中，微米增强体所占体积分数为10-50%。
2.根据权利要求l所述的具有分级结构的高导热金属基复合材料，其特征在于，所述的金属基体为Al或Cu。
3.根据权利要求1或2所述的具有分级结构的高导热金属基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）先将金属基体粉末和纳米增强体粉末均匀混合，得到构成第一级复合材料的复合粉末；
（2）再将（1）得到的复合粉末与微米增强体粉末均匀混合，得到构成第二级复合材料的复合粉末；
（3）最后将（2）得到的复合粉末压制成坯后，再进行致密化烧结，得到高导热、低膨胀金属基复合材料。
4.根据权利要求3所述的具有分级结构的高导热金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的压制成坯包括冷压、等静压或热压。
5.根据权利要求3所述的具有分级结构的高导热金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的致密化烧结包括在真空或者气体保护下的热压烧结、放电等离子体烧结、微波烧结中一种。
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