CN104831099B - 一种铝碳复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝碳复合材料其制备方法，具体包括如下步骤：1）将纯铝粉或铝合金粉与过程控制剂混合，预球磨制备得到片状纯铝粉或铝合金粉；2）将步骤1所得的片状纯铝粉或铝合金粉与石墨片混合，再次加入过程控制剂，经球磨制备得到复合粉体；3）将复合粉体封装在金属套内，将其进行预热至400‑620℃后，经轧制得到铝碳复合材料胚料；4）剥离金属套，去除毛边，获得目标产物；其中，纯铝粉或铝合金粉与石墨片的质量比为0.25‑99，此工艺在实现连续性的同时提高碳在铝基复合材料的中定向分布，大大提高了生产效率，而且使得制备的铝碳复合材料具有高导热率、低热膨胀系数和可加工性，具有广大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料的制备工艺，特别涉及到一种铝碳复合材料的制备方法。
背景技术
铝碳复合材料是具有质量轻、较高的热导率以及低的热膨胀系数等优点，是一种可以应用于计算机、航空电子、军事通讯等高科技领域的优秀封装材料。对于复合材料来说，增强体的性能越优异，其复合材料的性能越好。其中石墨片成片层状结构，在层向的热扩散系数很低，热解石墨片甚至为负数，更为优异的是石墨片在层向的热导率很高，一般的石墨片也能达到1600-2000W/mK。研究表明石墨增强铝基复合材料的层向热导率能达到铜材料的效果，而且相比于铜的高热膨胀系数15.6×10-6/K以及高密度8.9g/cm3，铝碳复合材料在层向热膨胀系数得到了极大的降低，能更好的和半导体零件装配，降低热应力，而且其密度也仅仅为铜的三分之一，大大延长部件使用寿命。美国Metal Matrix CastComposites. LLC公司推出了AlGrpTM系列产品，其产品热导率在750W/mK，热膨胀系数在7×10-6m/K，而且质量轻密度在2.3g/cm3。因此是铝碳复合材料是热导率材料中的热门选择，受到热管理材料领域的广泛关注。
虽然理论研究表明铝碳复合材料具有优异的热学性能，但是铝碳复合材料的性能以及工业化生产却远未能达到人们所预期。其中关键因素包括：铝碳界面的结合、碳在复合材料中的特定取向以及生产工艺成本的降低等。经过对现有专利的检索：公开号为CN1570189A的专利通过碳纤维完整的包裹在热解碳层中；铝基体在热解碳层的外侧，包裹着热解碳层和碳纤维，热解碳层的厚度在1～4微米间，制得高导热-低膨胀铝碳复合材料，但是导热率仅在150W/mK。公开号为CN103014400A的专利公开了利用冲击振动和压力辅助的方式渗透制备定向铝碳复合材料。公开号为CN103343265A的专利利用石墨和硅制备预制体然后无压渗透铝液制备高导热的铝碳复合材料。上述工艺在制备铝碳复合材料，尽管制备的复合材料性能比较优异，但没有很好的实现在既能解决界面性能的同时，又能实现工艺的连续性。
发明内容
本发明提供一种铝碳复合材料的制备方法，在实现工艺连续性的同时提高碳在铝基复合材料中的定向分布，从而使得铝碳复合材具有优异的热学性能。
为实现上述发明目的 ，本发明采用了如下技术方案：一种铝碳复合材料的制备方法，具体包括如下步骤：
1）将纯铝粉或铝合金粉与过程控制剂混合，预球磨制备得到片状纯铝粉或铝合金粉；
2）将步骤1所得的片状纯铝粉或铝合金粉与石墨片混合，再次加入过程控制剂，经球磨制备得复合粉体；
3）将复合粉体封装在金属套内，将其进行预热至400℃-620℃后，经轧制得到铝碳复合材料胚料；
4）剥离金属套，去除毛边，获得目标产物；
其中，纯铝粉或铝合金粉与石墨片的质量比0.25-99。
步骤1）预球磨时球料比为1/1-40/1，转速为100-400转/分钟，球磨时间0.5-2小时，预球磨是为了得到片状铝或铝合金，进而有利于石墨片与铝基体的叠层；
步骤2）球磨时的球料比为1/1-40/1，转速为300-1500转/分钟，球磨时间0.5-6小时，其使得球磨过程中石墨片和片状铝或铝合金更充分的混合，使铝包裹在石墨外面，利于后续成型。
预球磨和球磨采用行星式球磨机或搅拌式球磨机均可。
本领域球磨时常用的过程控制剂都能适用于本发明，此过程控制剂在球磨的过程中主要起分散的作用，防止铝粉或铝合金粉在球磨过程中出现冷焊现象；步骤1）和步骤2）中过程控制剂是优选地为硬脂酸、硬脂酸锂、硬脂酸锌、石蜡、甲醇、乙醇、硅油、油酸、纤维素中任意一种；步骤1）中过程控制剂的加入量为纯铝粉或铝合金粉的0.1-2wt%，步骤2）中过程控制剂的加入量为纯铝粉与石墨片或铝合金粉与石墨片总量的0.1-2wt%。
所述纯铝粉或铝合金粉平均粒径50纳米-100微米。
所述铝合金粉选自Al-Si、Al-Mg、Al-Cu 、Al-Zn 或Al-RE系铝合金中的任意一种。
所述石墨片为天然鳞片石墨或人工石墨片，直径为500纳米-500微米，厚度100纳米-10微米。
所述金属套由铜、铝或铁制成的金属管，金属管壁厚为0.1-1.5毫米，其他尺寸不限，此尺寸的壁厚有利于进行轧制和剥套；对封装在复合粉体的金属套可采用电炉、激光、中频感应等加热方式进行加热。
步骤3）中轧制压力为100MPa-700MPa，轧制过程可根据实际需要，反复加热轧制，直至获得满意效果。
本发明较之于现有技术具有突出的有益效果，分述如下：
（1）通过预球磨中获得片状铝粉或铝合金粉，再与石墨片混合进行高能球磨，有利于石墨片与铝基体的叠层，形成均匀的复合结构。
（2）采用热轧工艺成型，能进一步使石墨片沿轧制方向取向，获得沿着取向方向高导热的铝碳复合材料，且轧制过程中高温停留时间短，能够避免石墨片与片状铝粉或铝合金粉的有害界面反应，实现对其组织结构及界面特性的调控，获得高性能铝碳复合材料。
（3）金属包套热轧工艺可实现连续成型，相对于传统的粉末冶金的工艺，避免了间歇性操着的不足，使生产工艺连续化，大大提高制备效率。
附图说明
图1是本发明制备工艺的实施流程示意图；
图2是本发明实施例1中纯铝粉预球磨后的扫描电子显微镜照片，从此电子显微镜照片可看出纯铝粉预球磨后成为片状；
图3是本发明实施例1中所得的铝碳复合材料的扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
以下实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1
一种铝碳复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
1）将粒径30微米的纯铝粉40g、过程控制剂硬脂酸0.2g两者进行混合，采行星式球磨机进行预球磨，预球磨时所采用球料比为10/1，转速200转/分钟，球磨时间1小时，制得片状纯铝粉；
2）将步骤1）所得的片状纯铝粉、过程控制剂硬脂酸0.33g和直径为300微米、厚度为5微米的天然鳞片石墨（由青岛金日来石墨有限公司提供）26.7g三者进行混合，采用行星式球磨机进行球磨，球磨时所采用的球料比为10/1，转速300转/分钟，球磨时间2小时，制得复合粉体；
3）将制得的复合粉体封装在金属套内，将其置于电炉中预热至550 ℃ ，在轧制压力为300MPa下，进行轧制得铝碳复合材料胚料；其中，本实施所述金属套由铜制成的铜管，铜管壁厚为0.5毫米；
4）去除金属套和毛边，最终获得铝碳复合材料，所得的铝碳复合材料热导率为250W/mK，热膨胀系数为10×10-6m/K。
实施例2 本实施例与实施例1的不同点在于，步骤二石墨片质量为0.40g（质量百分比为1%），过程控制剂硬脂酸0.2g，得到复合材料的热导率为150W/mK，热膨胀系数为18×10-6m/K。
实施例3 本实施例与实施例1的不同点在于，步骤2）中石墨片质量为40g，过程控制剂硬脂酸0.4g，得到复合材料的热导率为270W/mK，热膨胀系数为7×10-6m/K。
实施例4 本实施例与实施例1的不同点在于，步骤2）中石墨片质量为60g，过程控制剂硬脂酸0.5g，得到复合材料的热导率为310W/mK，热膨胀系数为6×10-6m/K。
实施例5 本实施例与实施例1的不同点在于，步骤二石墨片质量为160g，过程控制剂硬脂酸1g，得到复合材料的热导率为400W/mK，热膨胀系数为2×10-6m/K。
实施例6 本实施例与实施例1的不同点在于，步骤2）中球磨时转速300转/分钟，球磨时间为3小时，得到复合材料的热导率为260W/mK，热膨胀系数为9×10-6m/K。
实施例7 本实施例与实施例1的不同点在于，步骤2）中球磨时转速300转/分钟，球磨时间为4小时，得到复合材料的热导率为270W/mK，热膨胀系数为8×10-6m/K。
实施例8本实施例与实施例1的不同点在于，步骤2）中球料比为40/1，球磨时转速1500转/分钟，球磨时间为0.5小时，得到复合材料的热导率为230W/mK，热膨胀系数为9×10-6m/K。
实施例9本实施例与实施例1的不同点在于，步骤2）中球料比为1/1，球磨时转速600转/分钟，球磨时间为6小时，得到复合材料的热导率为220W/mK，热膨胀系数为8×10-6m/K。
实施例10 本实施例与实施例1的不同点在于，步骤三中预热温度为400℃，得到复合材料的热导率为220W/mK，热膨胀系数为 10×10-6m/K。
实施例11本实施例与实施例1的不同点在于，步骤3）中预热温度为450℃，得到复合材料的热导率为230W/mK，热膨胀系数为10×10-6m/K。
实施例12本实施例与实施例1的不同点在于，步骤3）中预热温度为500℃，得到复合材料的热导率为240W/mK，热膨胀系数为9×10-6m/K。
实施例13 本实施例与实施例1的不同点在于，步骤3）中预热温度为600℃，得到复合材料的热导率为230W/mK，热膨胀系数为10×10-6m/K。
实施例14 本实施例与实施例1的不同点在于，利用粒径为5微米Al-Si铝合金代替纯铝粉，直径为300微米、厚度为5微米的人工石墨片（由青岛金日来石墨有限公司提供）代替天然鳞片石墨，得到复合材料的热导率为230W/mK，热膨胀系数为10×10-6m/K。
以上说明以及所示的实施例，不可解析为限定本发明的设计思想。在本发明的技术领域里持有相同知识者可以将本发明的技术性思想以多样的形态改良变更，这样的改良及变更应理解为属于本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种铝碳复合材料的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1)将纯铝粉或铝合金粉与过程控制剂混合，预球磨制备得到片状纯铝粉或铝合金粉；
2)将步骤1)所得的片状纯铝粉或铝合金粉与石墨片混合后，再次加入过程控制剂，经球磨制备得到复合粉体；
3)将复合粉体封装在金属套内，将其预热至400℃-620℃后，经轧制得到铝碳复合材料胚料；
4)剥离金属套，去除毛边，获得目标产物；
其中，纯铝粉或铝合金粉与石墨片的质量比0.25-99；
步骤1)预球磨时球料比为1/1-40/1，转速为100-400转/分钟，球磨时间0.5-2小时；
步骤2)球磨时的球料比为1/1-40/1，转速为300-1500转/分钟，球磨时间0.5-6小时。
2.根据权利要求1所述的铝碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)和步骤2)中所述过程控制剂为硬脂酸、硬脂酸锂、硬脂酸锌、石蜡、甲醇、乙醇、硅油、油酸、纤维素中任意一种，步骤1)中过程控制剂的加入量为纯铝粉或铝合金粉0.1-2wt％，步骤2)中过程控制剂的加入量为纯铝粉与石墨片或铝合金粉与石墨片总量的0.1-2wt％。
3.根据权利要求1所述的铝碳复合材料的制备方法，其特征在于：所述纯铝粉或铝合金粉平均粒径50纳米-100微米。
4.根据权利要求1所述的铝碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述铝合金粉选自Al-Si、Al-Mg、Al-Cu、Al-Zn或Al-RE系铝合金中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的铝碳复合材料的制备方法，其特征在于：所述石墨片为天然鳞片石墨或人工石墨片，直径为500纳米-500微米，厚度为100纳米-10微米。
6.根据权利要求1所述的铝碳复合材料的制备方法，其特征在于：所述金属套为由铜、铝或铁制成的金属管，金属管壁厚为0.1-1.5毫米。
7.根据权利要求1所述的铝碳复合材料的制备方法，其特征在于：轧制压力为100MPa-700Mpa。
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