CN105671387A - 一种铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝基复合材料及其制备方法，所述铝基复合材料是以重量比计铝85％-99％，铁0.1％-1％，锌0.2％-1％，铜0.5％-4％，碳材料0.2％-9％经过碳材料的分散、铝基混合、退火处理等步骤制备而成。本发明所述的铝基复合材料通过分散-混合干燥-压铸成型-烧结-铸造的工艺流程在铝基材料中的掺入碳材料，得到一种导热系数高、导热性能好的铝基复合材料，室温时铝基复合材料导热系数高达285W/(m·℃)。
Description
技术领域
本发明涉及新材料及其加工技术领域，具体涉及一种铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
铝基复合材料是应现代科学发展需求而涌现出的具有强大生命力的材料，它由两种或两种以上性质不同的材料通过各种工艺手段复合而成。高导热材料在航空、军事、信息、能源等各个领域有着广阔的实际应用前景和重大意义。比如半导体及微电子行业，随着芯片制备技术日臻完善，半导体器件的集成度越来越高，功率密度越来越大，电子元件和集成电路芯片产生的大量热量，如果得不到及时有效散除会造成温升，将影响半导体器件的工作效率和使用寿命；而在传统工业中，提高换热器的导热效率对于节省能源、提高效率也具有重要的意义。目前最用的导热散热材料为铝及其合金或铜及其合金。纯铝室温下的导热系数约230W/(m〃K)，而市面上常见的铝合金导热系数均比纯铝低，比如，ADC系列的铝合金导热系数仅为85-100W/(m〃K)，传统铸铝导热系数仅为140-160W/(m〃K)。纯铜的导热系数虽然高达403W/(m〃K)，但其密度比铝大3倍多，价格是铝的2-3倍，同样大小的通散热器件，造价会比铝高出至少6倍。铜的导热性能比起铝要快的多，但铜的散热没有铝快，铜可以快速的把热量带走，但无法在短时间内把本身的热量散去，另外铜的可氧化性这是铜本身最大的弊病。当铜一旦出现氧化状态，从导热和散热方面都会大大的下降。金银虽然也有很高的导热系数，但其昂贵的价格使之在该领域没有商业价值。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种铝基复合材料；通过在铝基材料中的掺入碳材料，得到一种导热系数高、导热性能好的铝基复合材料。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种铝基复合材料，其是以重量比计的以下原料制备而成：
铝85％-99％，
铁0.1％-1％，
锌0.2％-1％，
铜0.5％-4％，
碳材料0.2％-9％。
进一步的方案中，本发明所述的铝基复合材料是以重量比计的以下原料制备而成：
铝88％-95％，
铁0.5％-1％，
锌0.5％-1％，
铜2％-4％，
碳材料2％-6％。
进一步的方案中，本发明具体采用的碳材料为碳纳米管、石墨烯或石墨粉中的一种或两种以上混合。
本发明的另一目的在于提供一种铝基复合材料的制备方法，通过控分散-混合干燥-压铸成型-烧结-铸造的工艺流程将铝基材料与碳材料复合，得到导热性能优于铝，成本与铝相近的新型高导热铝基复合材料。具体可以通过两种方法实现。
其中本发明所述的铝基复合材料的第一种制备方法包括以下步骤：
1)碳材料的分散：将碳材料加入到乙醇中，然后添加分散剂，采用超声机超声处理0.5-5h，得到均匀的碳材料分散液；
2)铝基混合：按比例在上述碳材料分散液中加入铝粉、锌粉、铁粉、铜粉，搅拌均匀后过滤，得到的滤饼转入真空干燥箱中进行干燥，得到混合粉体；
3)退火处理：将上述混合粉体铸成块体，随后转入真空退火炉，在450-700℃条件下，退火2-10h。
进一步的方案中，本发明第一种制备方法所述的步骤1)乙醇中碳材料的占乙醇重量的0.2％-20％，分散剂占乙醇重量的0.01％-0.8％。
其中，本发明所述的铝基复合材料的第二种制备方法包括以下步骤：
1)碳材料的分散：将碳材料加入到乙醇中，然后添加分散剂，采用球磨罐球磨分散0.5-5h，得到均匀的碳材料分散液；
2)铝基混合：按比例在上述碳材料分散液中加入铝粉、锌粉、铁粉、铜粉，搅拌均匀后过滤，得到的滤饼转入真空干燥箱中进行干燥，得到混合粉体；
3)退火处理：将上述混合粉体铸成块体，随后转入真空退火炉，在450-700℃条件下，退火2-10h。
进一步的方案中，本发明所述的铝基复合材料的第二种制备方中，步骤1)乙醇中碳材料的占乙醇重量的0.2％-20％，分散剂占乙醇重量的0.01％-0.8％。
进一步的方案中，本发明所述的步骤1)中球磨罐的转速为100-300r/min。
进一步的方案中，本发明上述两种制备方法中，所述分散剂为聚乙二醇、十二烷基磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、乙二胺四乙酸和乙基纤维素中的一种或两种以上混合。
进一步的方案中，本发明上述两种制备方法中，真空干燥箱过程中，干燥温度为60-85℃，干燥时间为8-15h。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的铝基复合材料通过在铝基材料中的掺入碳材料，得到一种导热系数高、导热性能好的铝基复合材料，室温时铝基复合材料导热系数高达285W/(m〃℃)；
2.本发明所述的铝基复合材料的制备方法通过分散-混合干燥-压铸成型-烧结-铸造的工艺流程，将碳材料与铝基材料进行复合，得到导热性能优于铝，价格同铝相近的新型高导热系数复合材料。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明所述的铝基复合材料在不同温度下的导热系数图。
具体实施方式
本发明所述的一种铝基复合材料，其是以重量比计的以下原料制备而成：
铝85％-99％，
铁0.1％-1％，
锌0.2％-1％，
铜0.5％-4％，
碳材料0.2％-9％。
进一步的方案中，本发明所述的铝基复合材料是以重量比计的以下原料制备而成：
铝88％-95％，
铁0.5％-1％，
锌0.5％-1％，
铜2％-4％，
碳材料2％-6％。
进一步的方案中，本发明具体采用的碳材料为碳纳米管、石墨烯或石墨粉中的一种或两种以上混合。在碳纳米管、石墨烯或石墨粉这几种碳的同素异形体中，碳纳米管的导热系数高达1800-5000W/(m〃K)，石墨烯平面方向导热系数高达5300W/(m〃K)，导热石墨片水平方向的导热系数为1500W/(m〃K)。因此在本发明中通过在铝基材料中掺入碳材料可以明显提高铝基复合材料的导热系数，从而实现提高其导热性能的目的。
本发明的另一目的在于提供一种铝基复合材料的制备方法，通过控分散-混合干燥-压铸成型-烧结-铸造的工艺流程将铝基材料与碳材料复合，得到导热性能优于铝，成本与铝相近的新型高导热铝基复合材料。具体可以通过两种方法实现。
其中本发明所述的铝基复合材料的第一种制备方法包括以下步骤：
1)碳材料的分散：将碳材料加入到乙醇中，然后添加分散剂，采用超声机超声处理0.5-5h，得到均匀的碳材料分散液；
2)铝基混合：按比例在上述碳材料分散液中加入铝粉、锌粉、铁粉、铜粉，搅拌均匀后过滤，得到的滤饼转入真空干燥箱中进行干燥，得到混合粉体；
3)退火处理：将上述混合粉体铸成块体，随后转入真空退火炉，在450-700℃条件下，退火2-10h。
进一步的方案中，本发明第一种制备方法所述的步骤1)乙醇中碳材料的占乙醇重量的0.2％-20％，分散剂占乙醇重量的0.01％-0.8％。
其中，本发明所述的铝基复合材料的第二种制备方法包括以下步骤：
1)碳材料的分散：将碳材料加入到乙醇中，然后添加分散剂，采用球磨罐球磨分散0.5-5h，得到均匀的碳材料分散液；
2)铝基混合：按比例在上述碳材料分散液中加入铝粉、锌粉、铁粉、铜粉，搅拌均匀后过滤，得到的滤饼转入真空干燥箱中进行干燥，得到混合粉体；
3)退火处理：将上述混合粉体铸成块体，随后转入真空退火炉，在450-700℃条件下，退火2-10h。
在上述方法中，发明人研究发现，退火的温度及退火时间对复合材料的导热性能影响较大，由于铜与其他几种金属之间的热膨胀系数相差较大而产生内应内导致晶格发生畸变，会消弱晶格振动而产生的声子导热机制。在本发明中，通过退火处理，并控制退火的温度及时间，使材料的内应力大部分被消除，从而达到提高导热系数的目的。而当退火温度在450-700℃条件下，经检测得到的复合材料的导热系数处于较佳的范围之内；优选的退火温度为560-680℃。退货时间优选的为5-8h。
进一步的方案中，本发明所述的铝基复合材料的第二种制备方中，步骤1)乙醇中碳材料的占乙醇重量的0.2％-20％，分散剂占乙醇重量的0.01％-0.8％。
进一步的方案中，本发明所述的步骤1)中球磨罐的转速为100-300r/min。
进一步的方案中，本发明上述两种制备方法中，所述分散剂为聚乙二醇、十二烷基磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、乙二胺四乙酸和乙基纤维素中的一种或两种以上混合。
进一步的方案中，本发明上述两种制备方法中，真空干燥箱过程中，干燥温度为60-85℃，干燥时间为8-15h。
以下是本发明具体的实施例，在下述实施例中所采用的原料、试剂及设备可以通过购买方式获得。
实施例1
一种铝基复合材料，其是以重量比计的以下原料制备而成：
铝85％，
铁1％，
锌1％，
铜4％，
碳材料9％；
具体制备方法如下：
1)碳材料的分散：将碳材料加入到乙醇中，然后添加分散剂，其中碳材料的占乙醇重量的0.2％，分散剂占乙醇重量的0.01％；采用超声机超声处理0.5h，得到均匀的碳材料分散液；
2)铝基混合：按比例在上述碳材料分散液中加入铝粉、锌粉、铁粉、铜粉，搅拌均匀后过滤，得到的滤饼转入真空干燥箱中于85℃干燥8h，得到混合粉体；
3)退火处理：将上述混合粉体铸成块体，随后转入真空退火炉，在450℃条件下，退火10h。
实施例2
一种铝基复合材料，其是以重量比计的以下原料制备而成：
铝99％，
铁0.1％，
锌0.2％，
铜0.5％，
碳材料0.2％；
具体制备方法如下：
1)碳材料的分散：将碳材料加入到乙醇中，然后添加分散剂，其中碳材料的占乙醇重量的20％，分散剂占乙醇重量的0.8％；采用超声机超声处理5h，得到均匀的碳材料分散液；
2)铝基混合：按比例在上述碳材料分散液中加入铝粉、锌粉、铁粉、铜粉，搅拌均匀后过滤，得到的滤饼转入真空干燥箱中于60℃干燥15h，得到混合粉体；
3)退火处理：将上述混合粉体铸成块体，随后转入真空退火炉，在700℃条件下，退火2h。
实施例3
一种铝基复合材料，其是以重量比计的以下原料制备而成：
铝85％，
铁1％，
锌1％，
铜4％，
碳材料9％；
具体制备方法如下：
1)碳材料的分散：将碳材料加入到乙醇中，然后添加分散剂，其中碳材料的占乙醇重量的0.2％，分散剂占乙醇重量的0.01％；采用球磨罐以100r/min的转速球磨分散5h，得到均匀的碳材料分散液；
2)铝基混合：按比例在上述碳材料分散液中加入铝粉、锌粉、铁粉、铜粉，搅拌均匀后过滤，得到的滤饼转入真空干燥箱中于60℃干燥15h，得到混合粉体；
3)退火处理：将上述混合粉体铸成块体，随后转入真空退火炉，在560℃条件下，退火8h。
实施例4
一种铝基复合材料，其是以重量比计的以下原料制备而成：
铝99％，
铁0.1％，
锌0.2％，
铜0.5％，
碳材料0.2％；
具体制备方法如下：
1)碳材料的分散：将碳材料加入到乙醇中，然后添加分散剂，其中碳材料的占乙醇重量的20％，分散剂占乙醇重量的0.8％；采用球磨罐以300r/min的转速球磨分散0.5，得到均匀的碳材料分散液；
2)铝基混合：按比例在上述碳材料分散液中加入铝粉、锌粉、铁粉、铜粉，搅拌均匀后过滤，得到的滤饼转入真空干燥箱中于85℃干燥8h，得到混合粉体；
3)退火处理：将上述混合粉体铸成块体，随后转入真空退火炉，在680℃条件下，退火5h。
性能检测
1.对实施例1-4所得到的铝基复合材料的导热系数进行测试测试，测试过程中采用的仪器包括美国TA公司的FL4010激光导热仪和德国耐驰公司的DSC200F3，测试温度为室温。检测结果参见表1。
表1
| 项目 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 |
| 导热系数W/(m〃℃) | 285 | 279 | 292 | 281 |
2.测试实施例1所得到的铝基复合材料在不同温度下的导热系数，测试用的仪器为美国TA公司的FL4010激光导热仪和德国耐驰公司的DSC200F3。测试结果参见图1。
图1的结果显示：室温时复合材料导热系数高达285W/(m〃℃)，而同温度下纯铝的导热系数仅为230W/(m〃℃)左右，随着温度升高，复合材料的导热系数也逐渐升高，达到302W/(m〃℃)，远远优于铝及其常见的铝合金。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种铝基复合材料，其特征在于，其是以重量比计的以下原料制备而成：
铝85％-99％，
铁0.1％-1％，
锌0.2％-1％，
铜0.5％-4％，
碳材料0.2％-9％。
2.根据权利要求1所述的铝基复合材料，其特征在于，其是以重量比计的以下原料制备而成：
铝88％-95％，
铁0.5％-1％，
锌0.5％-1％，
铜2％-4％，
碳材料2％-6％。
3.根据权利要求1或2所述的铝基复合材料，其特征在于，所述碳材料为碳纳米管、石墨烯或石墨粉中的一种或两种以上混合。
4.一种如权利要求1所述的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
1)碳材料的分散：将碳材料加入到乙醇中，然后添加分散剂，采用超声机超声处理0.5-5h，得到均匀的碳材料分散液；
2)铝基混合：按比例在上述碳材料分散液中加入铝粉、锌粉、铁粉、铜粉，搅拌均匀后过滤，得到的滤饼转入真空干燥箱中进行干燥，得到混合粉体；
3)退火处理：将上述混合粉体铸成块体，随后转入真空退火炉，在450-700℃条件下，退火2-10h。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤1)乙醇中碳材料的占乙醇重量的0.2％-20％，分散剂占乙醇重量的0.01％-0.8％。
6.一种如权利要求1所述的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
1)碳材料的分散：将碳材料加入到乙醇中，然后添加分散剂，采用球磨罐球磨分散0.5-5h，得到均匀的碳材料分散液；
2)铝基混合：按比例在上述碳材料分散液中加入铝粉、锌粉、铁粉、铜粉，搅拌均匀后过滤，得到的滤饼转入真空干燥箱中进行干燥，得到混合粉体；
3)退火处理：将上述混合粉体铸成块体，随后转入真空退火炉，在450-700℃条件下，退火2-10h。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤1)乙醇中碳材料的占乙醇重量的0.2％-20％，分散剂占乙醇重量的0.01％-0.8％。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中球磨罐的转速为100-300r/min。
9.根据权利要求4或6所述的制备方法，其特征在于，所述分散剂为聚乙二醇、十二烷基磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、乙二胺四乙酸和乙基纤维素中的一种或两种以上混合。
10.根据权利要求4或6所述的制备方法，其特征在于，真空干燥箱过程中，干燥温度为60-85℃，干燥时间为8-15h。
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Denomination of invention: A kind of aluminum matrix composite material and preparation method thereof Effective date of registration: 20220920 Granted publication date: 20180302 Pledgee: Bank of China Limited Guangzhou Development Zone Branch Pledgor: GUANGZHOU LEIZIG ELECTRICAL MACHINERY Co.,Ltd. Registration number: Y2022980015577 |