CN104707975A - 一种高导热片层石墨/铝复合材料及其制备方法 - Google Patents

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尹法章
郭宏
张习敏
韩媛媛
范叶明
张永忠
徐骏
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Abstract

本发明公开了属于高导热封装材料制备技术领域的一种高导热片层石墨/铝复合材料及其制备方法。本发明的方法为将片状石墨与粘接剂混合后轧制50～100次，脱脂后得到片状石墨预制件；将上述片状石墨预制件放入耐高温金属模具模具中，采用真空压力熔渗法向预制件中渗铝；制得了具有定向导热特性的片状石墨/铝封装材料。采用本方法制备的片状石墨/铝复合材料具有热导率具有方向性，其径向热导率为400～600W/mK、轴向热导率为20～60W/mK，密度为1.98～2.43g/cm3、热膨胀系数为（5.5～10.6）×106/K，本发明的方法工艺简单、效率高、成本低。

Description

一种高导热片层石墨/铝复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于高导热封装材料制备技术领域，特别是提供了一种高导热片层石墨/铝复合材料及其制备方法，采用本方法制备的片状石墨/铝复合材料具有热导率具有方向性，热膨胀系数低。
背景技术
石墨材料具有良好的耐热性能、高导热系数、良好的化学惰性和高导电特性等优点，在热管理领域的应用越来越受到人们的关注和重视。应用于热管理领域的石墨材料主要是天然鳞片石墨、石墨泡沫、膨胀石墨和压缩后的膨胀石墨。石墨晶体结构如图1所示。层平面内晶体结构完整，碳原子之间保持牢固的键合；而层间靠很弱的范德华力结合，这也是石墨很软、有很好润滑性能的原因。不同的原子排布及键合情况，导热性能也不同。据文献报道，片状石墨在层平面热导率高达1700W/mk，层间热导率仅为5W/mk。但片状石墨不能单独直接应用，因为它很脆，杨氏模量只有Al的四分之一，抗拉强度仅为Al的五分之一，将片状石墨与铝复合成复合材料是研究开发的方向。
片状石墨/铝复合材料既具有碳材料的固有本性，又具有金属材料的导电性和导热性（热导率～1050W/mk），轻质、高热导、低膨胀且易加工，在热管理应用领域越来越受到关注和重视。它的开发应用，可实现部件的小型化、装置轻量化、结构紧凑化和运行高效化，在现代工业、国防和高技术发展中具有重要的战略意义。
国外有采用掺杂工艺，通过添加钛粉所制备的掺杂石墨的热导率可达610W/m·K。国内的中国科学院山西煤炭化学研究所在这方面也取得了很大的进步，采用热压工艺制备出了热导率为490W/m·K的掺杂石墨。关于石墨/铝复合材料制备的报道多为低体积分数（石墨的体积分数在5%左右），还没有采用具有定向分布的片状石墨预制件（体积分数30～85％）与金属熔渗相结合来制备片状石墨/铝电子封装材料的相关报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备具有各向异性的高导热、低膨胀片层石墨/铝电子封装材料的方法，本发明的特点是先制备具有定向分布的片状石墨预制件，且预制件中片状石墨的体积含量在（30～85）％可控，然后采用真空金属熔渗铝，填满预制件缝隙，得到致密的片状石墨/铝材料。该材料具定向高导热、低膨胀、低密度等特点，在定向导热方面具有广泛的用途。
一种高导热片层石墨/铝复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将片状石墨与粘接剂混合，其中片状石墨的体积含量为30～85％；在双轨轧辊下挤压轧制，得到片状的粘接剂与片状石墨的混合体，在挤压过程中让片状石墨取向，反复轧制50～100次，使片状石墨平面沿轧制平面排布，脱除粘接剂后得到具有定向排布的片状石墨预制件；
（2）将上述片状石墨预制件放入耐高温金属模具中，采用真空压力熔渗法向预制件中渗铝；制得了具有定向导热特性的片层石墨/铝复合材料，其中片状石墨的体积含量为30～85％。
片状石墨的厚度为20～80nm，直径为0.5～2mm；铝选用纯铝块。
所述粘接剂为淀粉。
所述真空压力熔渗法的过程为：即将预制件装在预热炉中预热，同时将铝块装在中频炉中加热，物料装配完毕后，抽真空至（1～9）×10-1Pa，然后以20～50℃/min的升温速度加热到500～850℃，到达设定温度后，保温10～20min；将中频炉加热至700～850℃保温10～20min；然后将铝液浇注入预制件模具中，并加压至20～40MPa后保压2～10分钟，脱出膜腔。
上述制备方法制备的高导热片层石墨/铝复合材料，片状石墨体积含量为30～85％，其径向热导率为400～600W/mK、轴向热导率为20～60W/mK，密度为1.98～2.43g/cm3、热膨胀系数为（5.5～10.6）×106/K；所述高导热片层石墨/铝复合材料各向异性，高导热低膨胀，可实现定向导热；本发明的方法且工艺简单、效率高、成本低。
附图说明
图1为石墨的晶体结构。
具体实施方式
下面将通过具体实例对本发明的方法做进一步的说明。
实施例1
原料：片状石墨直径为0.5mm，厚度为20nm，片状石墨体积分数为30%。
取上述片状石墨200g，与淀粉按体积比片状石墨：淀粉=3:7配比混合，用双轨轧机反复挤压轧制取向，轧制50道次后在脱脂炉中脱脂，脱脂后得到片状石墨预制件。将预制件装入预热炉中，将1000g铝块装入中频炉中，装配好物料后抽真空，当真空度达到1×10-1Pa，以20℃/min的升温速度加热到500℃，到达设定温度后，保温10min；将中频加热至700℃保温10min；然后将铝液浇注入预制件模具中，并加压至20MPa后保压2分钟，脱出膜腔，即制得了具有定向导热特性的片层石墨/铝封装材料，其径向热导率为400W/mK，轴向热导率为60W/mK，密度为2.42g/cm3、热膨胀系数为10.6×10-6/K。
实施例2
原料：片状石墨直径为0.8mm，厚度为30nm，片状石墨体积分数为50%。
取上述片状石墨200g，与淀粉按体积比1:1配比混合，用双轨轧机反复挤压轧制取向，轧制60道次后在脱脂炉中脱脂，脱脂后得到片状石墨预制件。将预制件装入预热炉中，将1000g铝块装入中频炉中，装配好物料后抽真空，当真空度达到1×10-1Pa，以30℃/min的升温速度加热到550℃，到达设定温度后，保温10min；将中频加热至750℃保温10min；然后将铝液浇注入预制件模具中，并加压至30MPa后后保压5分钟，脱出膜腔，即制得了具有定向导热特性的片层石墨/铝封装材料，其径向热导率为480W/mK，轴向热导率为45W/mK，密度为2.25g/cm3、热膨胀系数为8.5×10-6/K。
实施例3
原料：片状石墨直径为1mm，厚度为50nm，片状石墨体积分数为65%。
取上述片状石墨200g，与淀粉按体积比65:35配比混合，用双轨轧机反复挤压轧制取向，轧制70道次后在脱脂炉中脱脂，脱脂后得到片状石墨预制件。将预制件装入预热炉中，将1000g铝块装入中频炉中，装配好物料后抽真空，当真空度达到1×10-1Pa，以35℃/min的升温速度加热到550℃，到达设定温度后，保温10min；将中频加热至770℃保温15min；然后将铝液浇注入预制件模具中，并加压至35MPa后后保压5分钟，脱出膜腔，即制得了具有定向导热特性的片层石墨/铝封装材料，其径向热导率为530W/mK，轴向热导率为42W/mK，密度为2.11g/cm3、热膨胀系数为7.8×10-6/K。
实施例4
原料：片状石墨直径为1.2mm，厚度为70nm，片状石墨体积分数为75%。
取上述片状石墨200g，与淀粉按体积比75：25配比混合，用双轨轧机反复挤压轧制取向，轧制80道次后在脱脂炉中脱脂，脱脂后得到片状石墨预制件。将预制件装入预热炉中，将1000g铝块装入中频炉中，装配好物料后抽真空，当真空度达到1×10-1Pa，以40℃/min的升温速度加热到550℃，到达设定温度后，保温10min；将中频加热至770℃保温15min；然后将铝液浇注入预制件模具中，并加压至35MPa后后保压5分钟，脱出膜腔，即制得了具有定向导热特性的片层石墨/铝封装材料，其径向热导率为570W/mK，轴向热导率为30W/mK，密度为2.02g/cm3、热膨胀系数为6.8×10-6/K。
实施例5
原料：片状石墨直径为2mm，厚度为80nm，片状石墨体积分数为85%。
取上述片状石墨200g，与淀粉按体积比85：15配比混合，用双轨轧机反复挤压轧制取向，轧制100道次后在脱脂炉中脱脂，脱脂后得到片状石墨预制件。将预制件装入预热炉中，将1000g铝块装入中频炉中，装配好物料后抽真空，当真空度达到5×10-1Pa，以45℃/min的升温速度加热到600℃，到达设定温度后，保温15min；将中频加热至850℃保温20min；然后将铝液浇注入预制件模具中，并加压至40MPa后后保压3分钟，脱出膜腔，即制得了具有定向导热特性的片层石墨/铝封装材料，其径向热导率为600W/mK，轴向热导率为20W/mK，密度为1.93g/cm3、热膨胀系数为5.5×10-6/K。

Claims (5)

1.一种高导热片层石墨/铝复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将片状石墨与粘接剂混合，其中片状石墨的体积含量为30～85％；在双轨轧辊下挤压轧制，得到片状的粘接剂与片状石墨的混合体，在挤压过程中让片状石墨取向，反复轧制50～100次，使片状石墨平面沿轧制平面排布，脱除粘接剂后得到具有定向排布的片状石墨预制件；
（2）将上述片状石墨预制件放入耐高温金属模具中，采用真空压力熔渗法向预制件中渗铝；制得了具有定向导热特性的片层石墨/铝复合材料，其中片状石墨的体积含量为30～85％。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，片状石墨的厚度为20～80nm，直径为0.5～2mm；铝选用纯铝块。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述粘接剂为淀粉。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述真空压力熔渗法的过程为：即将预制件装在预热炉中预热，同时将铝块装在中频炉中加热，物料装配完毕后，抽真空至（1～9）×10-1Pa，然后以20～50℃/min的升温速度加热到500～850℃，到达设定温度后，保温10～20min；将中频炉加热至700～850℃保温10～20min；然后将铝液浇注入预制件模具中，并加压至20～40MPa后保压2～10分钟，脱出膜腔。
5.权利要求1-4任一所述制备方法制备的高导热片层石墨/铝复合材料。
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