CN103343266B

CN103343266B - 高导热石墨高硅铝基复合材料及其制备工艺

Info

Publication number: CN103343266B
Application number: CN201310315124.4A
Authority: CN
Inventors: 周聪; 陈哲; 王浩伟
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2013-07-24
Filing date: 2013-07-24
Publication date: 2015-07-08
Anticipated expiration: 2033-07-24
Also published as: CN103343266A

Abstract

本发明涉及一种高导热石墨高硅铝基复合材料及其制备方法，该复合材料由石墨、硅和铝或铝合金组成，所述的石墨的体积分数为10％～70％，硅的体积分数为5-30％，其余为铝或铝合金。(1)将石墨粉和硅粉混合均匀得到混合粉末；(2)将混合粉末放入热处理炉内进行真空热压烧结形成预制块；(3)将烧结成的预制块放入模具中预热，铝或铝合金在坩埚中加热至熔化；(4)将铝或铝合金熔体浇注到模具内；(5)采用液压机施加轴向压力，迫使铝或铝合金熔体浸渗进入预制块中的孔隙；(6)冷却脱模，取出复合材料。与现有技术相比，本发明所得复合材料具有低密度、低成本、同时兼具低膨胀和高导热特性等特性。

Description

高导热石墨高硅铝基复合材料及其制备工艺

技术领域

本发明属于复合材料领域，尤其是涉及一种高导热石墨高硅铝基复合材料及其制备工艺。

背景技术

高硅铝基复合材料是近年发展起来的一种具有低膨胀的新型铝基复合材料，广泛用于电子封装材料的热管理。欧洲的Osprey金属公司采用喷射沉积和热等静压的方法都制备出了高硅铝基复合材料，但是这些方法对设备要求很高，工艺复杂，成本很高。另外，随着电子器件热功率密度的不断增加，高硅增强铝基复合材料由于热导率不够高，已经不能满足高功率器件的散热要求。中国专利号200410043855.9，记载了一种“一种低膨胀超高硅铝合金及其制备方法”，该技术采用挤压铸造的方法将硅元素外加到铝合金中制成超高硅铝合金，尽管工艺比Osprey的简单，热膨胀系数低，但热导率只有100～110W/(mK)。低的热导率使高硅铝基复合材料在热管理领域的使用受到了极大的限制。如果单纯降低复合材料中硅的含量，尽管热导率略有提高，但会损失低膨胀的特性。如何在保持现有低膨胀特性的基础上同时提高热导率成为高硅铝基复合材料急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有高硅铝基复合材料热导率不足的问题，以获得综合性能优良满足电子封装材料散热要求的高导热石墨高硅铝基复合材料及其制备工艺。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高导热石墨高硅铝基复合材料，其特征在于，该复合材料由石墨、硅和铝或铝合金组成，所述的石墨的体积分数为10％～70％，硅的体积分数为5％-30％，其余为铝或铝合金。

所述的铝合金包括ZL101、ZL102或ZL104。

一种高导热石墨高硅铝基复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)将石墨粉和硅粉混合均匀得到混合粉末；

(2)将混合粉末放入热处理炉内进行真空热压烧结形成预制块；

(3)将烧结成的预制块放入模具中预热，铝或铝合金在坩埚中加热至熔化；

(4)将铝或铝合金熔体浇注到模具内；

(5)采用液压机施加轴向压力，迫使铝或铝合金熔体浸渗进入预制块中的孔隙；

(6)冷却脱模，取出复合材料。

步骤(1)中所述硅粉的直径为3～100微米，石墨粉的直径为10～600微米。

步骤(2)中所述烧结温度为1000～1200℃，烧结时间为12h。

步骤(3)中所述预热温度为400～500℃。

步骤(5)中所述轴向压力为50～100MPa。

与现有技术相比，本发明通过在高硅铝基复合材料中引入高导热的石墨粉来提高复合材料的导热性能，采用真空热压烧结形成预制块，随后进行挤压铸造制备复合材料。其中，真空热压烧结使石墨沿着垂直于热压方向的平面排布，而且使硅形成骨架结构，从而使预制块获得一定的抗压强度。这种结构在随后的压力浸渗下能够保持结构不破坏，原有的浸渗通道得以保留，从而促进了金属液的浸渗。这种新工艺不仅避免了传统的粉末压块在挤压浸渗过程中易分层和开裂的问题，还解决粉末压块局部紧实度过高而无法浸渗完全的问题。这种新型石墨高硅铝基复合材料不仅具有低密度、低成本的特点，最重要的是同时兼具低膨胀和高导热特性，极大地拓展了高硅铝基复合材料在高功率器件中的应用前景。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，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。

实施例1

高导热石墨高硅铝基复合材料中石墨粉的体积分数14％，其余为高硅铝基体。其制备步骤为：(1)将石墨粉和硅粉按质量比1∶3.5在混料机中进行机械搅拌，直到两种粉末混合均匀，其中硅粉的直径为10微米，石墨粉的直径为500微米；(2)将混合粉末放入热处理炉内进行真空热压烧结形成预制块，烧结温度1000℃，烧结时间12h；(3)将烧结成的预制块放入模具中预热至400℃，铝合金ZL101在坩埚中加热至熔化；(4)将铝或铝合金熔体浇注到模具内；(5)采用液压机施加50MPa的轴向压力，迫使铝或铝合金熔体浸渗进入预制块中的孔隙；(6)冷却脱模，取出复合材料。性能测试结果：密度2.41g/cm³，热膨胀系数10ppm/K，热导率193W/(mK)。

实施例2

高导热石墨高硅铝基复合材料中石墨粉的体积分数37％，其余为高硅铝基体。其制备步骤为：(1)将石墨粉和硅粉按质量比1∶1在混料机中进行机械搅拌，直到两种粉末混合均匀，其中硅粉的直径为20微米，石墨粉的直径为300微米；(2)将混合粉末放入热处理炉内进行真空热压烧结形成预制块，烧结温度1100℃，烧结时间12h；(3)将烧结成的预制块放入模具中预热至450℃，铝合金ZL102在坩埚中加热至熔化；(4)将铝或铝合金熔体浇注到模具内；(5)采用液压机施加75MPa的轴向压力，迫使铝或铝合金熔体浸渗进入预制块中的孔隙；(6)冷却脱模，取出复合材料。性能测试结果：密度2.39g/cm³，热膨胀系数10ppm/K，热导率294W/(mK)。

实施例3

高导热石墨高硅铝基复合材料中石墨粉的体积分数66％，其余为高硅铝基体。其制备步骤为：(1)将石墨粉和硅粉按质量比1∶0.3在混料机中进行机械搅拌，直到两种粉末混合均匀，其中硅粉的直径为50微米，石墨粉的直径为200微米；(2)将混合粉末放入热处理炉内进行真空热压烧结形成预制块，烧结温度1200℃，烧结时间12h；(3)将烧结成的预制块放入模具中预热至500℃，铝合金ZL104在坩埚中加热至熔化；(4)将铝或铝合金熔体浇注到模具内；(5)采用液压机施加100MPa的轴向压力，迫使铝或铝合金熔体浸渗进入预制块中的孔隙；(6)冷却脱模，取出复合材料。性能测试结果：密度2.33g/cm³，热膨胀系数8ppm/K，热导率402W/(mK)。

实施例4

高导热石墨高硅铝基复合材料中石墨粉的体积分数10％，硅的体积分数为30％，采用的硅粉的直径为3微米，石墨粉的直径为10微米。

其余同实施例1。

实施例5

高导热石墨高硅铝基复合材料中石墨粉的体积分数70％，硅的体积分数为5％，采用的硅粉的直径为100微米，石墨粉的直径为600微米。

其余同实施例1。

Claims

1.一种高导热石墨高硅铝基复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)将石墨粉和硅粉混合均匀得到混合粉末；

(4)将铝或铝合金熔体浇注到模具内；

(6)冷却脱模，取出复合材料；

该复合材料由石墨、硅和铝或铝合金组成，所述的石墨的体积分数为10％～70％，硅的体积分数为5％-30％，其余为铝或铝合金。

2.根据权利要求1所述的高导热石墨高硅铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述硅粉的直径为3～100微米，石墨粉的直径为10～600微米。

3.根据权利要求1所述的高导热石墨高硅铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述烧结温度为1000～1200℃，烧结时间为12h。

4.根据权利要求1所述的高导热石墨高硅铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述预热温度为400～500℃。

5.根据权利要求1所述的高导热石墨高硅铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)中所述轴向压力为50～100MPa。