CN105848450B - 一种轻质柔性高导热碳/金属复合联接件的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种轻质柔性高导热碳/金属复合联接件的制备方法，属于联接件技术领域。发明首先对碳材料的亮度进行了表面处理，并通过化学镀或电镀的方法在其表面镀了一层或多层金属，然后再与金属复合，这将极大的增强碳/金属的复合效果，有效减少二者之间的界面热阻。本发明所制备的轻质柔性高导热碳/金属复合联接件具有比铜高导热系数，并且密度仅为铜的1/4。能够满足航空航天和便携电子装置减重、高效导热的要求，而且由于联接件是柔性的，可根据需要灵活设计并调整高功耗电子器件和热沉之间的距离和位置，可设计性强。

Description

一种轻质柔性高导热碳/金属复合联接件的制备方法

技术领域

本发明公涉及一种轻质柔性碳/金属复合高导热联接件的制备方法，属于联接件技术领域。

背景技术

随着宇航科技的快速发展和人们生活品质的不断提高，要求航空航天电子装备以及便携移动电子设备的性能越来越高，体积越来越小，功能越来越多样复杂，造成这些电子装备上集成的电子器件越来越密集，功耗也越来越高，产生的热量也越来越多。将造成器件发热升温，而温度过高则会缩短寿命，甚至烧毁。因此必须将这些热量及时的定向导出。

由于航空航天电子装备以及便携移动电子设备所处的特殊环境和便携小型化的特殊要求与地面或固定设备有很大的不同，大部分情况很难通过对流换热的方式进行热交换，而需要通过辐射和导热。由于辐射换热的换热量与温度的四次方和散热面积成正比。因此对高功率密度、高集成度的小型化电子设备来说，若单独依赖辐射换热会因为散热能力不足导致温度上升，因此要结合导热的方式维持电子设备正常的工作温度。

尽管热管的传热能力非常好，但在很多场合下不适合，例如大多为金属材料，质量较重，热管的长时间保持能力并存在传热极限失效等可靠性问题，这与航空航天器件的零维护以及减重要求相悖；另外一些电子产品为达到特殊功能要求，需要高功耗电子器件不断的不断活动，为把热量及时的传导出去，与热沉之间需要一个柔性的高导热联接件，以保证电子器件的稳定运行。这时就需要一种轻质、达到零维护、柔性的高导热固体联接件连接高功率电子器件和热沉。

目前主要采用的是用铜丝编制的柔性带状导热索或多层铜箔、铝箔叠加的导热带，其导热极限为纯铜或铝的导热性能，并且铜导热索质量较大，不符合航空航天和便携电子装置减重和提高导热率的要求。因此急需一种新型的轻质柔性高导热件替代目前的铜导热索，满足航空航天和便携电子装置高效导热的要求。

随着材料科技的快速发展，出现了一些具有高导热率的新型炭(石墨)材料，如高导热沥青基炭纤维(室温下导热系数沿轴向最高可达1100W/(m.K)，高导热炭膜(室温下面向导热率最高达1900W/(m.K)，而其最高仅为2.2g/cm³.将其作为上述联接热源和热沉之间的导热材料，能够满足高功耗电子器件与热沉之间所需要的轻质、高导热、柔性等新型联接件的要求。

由于碳材料与金属铝或铜的润湿性差，难以紧密复合在一起，并且两者的热膨胀系数也相差较多，在升降温过程中容易相互分离，从而造成其界面热阻大，严重阻碍碳材料高导热系数的发挥。

发明内容

针对上述内容，本发明提供了一种新型轻质、高导热的碳/金属复合高导热柔性联接件的制备方法。为降低碳/金属的界面热阻，本发明首先对碳材料的亮度进行了表面处理，并通过化学镀或电镀的方法在其表面镀了一层或多层金属，然后再与金属复合，这将极大的增强碳/金属的复合效果，有效减少二者之间的界面热阻。本发明所制备的轻质柔性高导热碳/金属复合联接件具有比铜高导热系数，并且密度仅为铜的1/4。能够满足航空航天和便携电子装置减重、高效导热的要求，而且由于联接件是柔性的，可根据需要灵活设计并调整高功耗电子器件和热沉之间的距离和位置，可设计性强。

为满足上述要求，本发明提供的柔性碳/金属复合高导热轻质联接件的技术方案如下。

一种轻质柔性碳/金属复合高导热联接件的制备方法，其特征在于，使用柔性高导热碳材料作为导热主体段，柔性高导热碳材料的两端进行表面金属化处理，然后两端再与高导热金属复合联接。

优选所用的柔性高导热碳材料为高导热碳或石墨纤维和高导热碳或石墨膜等柔性碳材料。

所柔性高导热碳材料主要性能为，室温导热系数≥400W.m^-1.K^-1；碳元素含量≥99％；根据ASTMD2176所述方法弯折次数在1000次及以上；单根碳纤维或石墨纤维直径≤15μm或单层碳膜或石墨膜厚度≤120μm。

进一步柔性高导热碳材料采用多根碳纤维集束或多层石墨膜叠加而成，其石墨纤维的根数和石墨膜的叠加层数、宽度由这种碳/金属复合联接件的导热功率决定。

所述柔性碳材料的两端进行了表面金属化处理，改善了柔性碳材料与金属的界面润湿性能，相互结合紧密，界面热阻极小，能充分发挥所用柔性碳材料的导热能力。

所述柔性碳材料的两端的表面金属化处理主要是进行镀镍或镀铜处理，主要采用化学镀或/和电镀方式进行，控制镀层厚度50nm-50μm。

所述将碳材料具有金属层的两端放入模具中进行熔融金属浇注或压铸处理。

所用的浇注金属为熔融的铝或其合金、铜或其合金等高导热单金属或合金，它们的主要特征是室温热导率须大于150W.m^-1.K^-1。

所述导热碳材料两端浇注金属或合金的形状、尺寸主要由所连接热源和热沉的传热、散热速度快和方便性要求所决定。

由于碳材料与金属润湿性差，界面热阻大，严重阻碍碳材料高导热系数的发挥，因此本发明首先对碳材料两端进行了表面金属化处理，然后通过惰性气氛下熔融浇注金属的方法成型该柔性碳/金属复合高导热联接件。该方法极大改善了柔性碳材料与金属的界面润湿性能，相互结合紧密，界面热阻极小，能充分发挥所用柔性碳材料的导热能力。

上述技术方案可以看出，由于本发明采用对柔性高导热碳材料(炭纤维和碳膜)进行表面金属化处理，有效增加了碳和金属材料之间的润湿性能并缩小了它们热膨胀系数之间的差距，使碳金属间的结合更加紧密，界面热阻更小。因此制备的碳/金属复合联接件，质轻，导热率高；高功耗热源和热沉相对位置可调，设计灵活。

该方法极大改善了柔性碳材料与金属的界面润湿性能，相互结合紧密，界面热阻极小，能充分发挥所用柔性碳材料的导热能力。它的热导率在室温下是铜的2-5倍，而密度仅为铜的1/4，因此它的比热导率是铜的8-20倍，是铝的4-14倍。这种轻质柔性复合联接件导热率高，设计灵活，零维护，主要用于航空航天、高端电子工业等领域的热管理系统，例如飞行器的天线、卫星的电子盒、光学系统、低温制冷器的压缩机、通信或雷达的高功率电子系统以及机电系统等方面。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

由于碳材料与金属铝或铜的润湿性差，难以紧密复合在一起，并且两者的热膨胀系数也相差较多，在升降温过程中容易相互分离，从而造成其界面热阻大，严重阻碍碳材料高导热系数的发挥。因此本发明首先对高导热中间相沥青基碳纤维束(室温导热率为800W.m^-1.K^-1,直径为10μm，密度为2.2g/cm³)的两端(每端各2cm左右，可根据需要调整)进行了表面处理(如清理)，然后将这两端进行化学镀镍处理，控制镀镍层厚度在0.5μm左右；将碳纤维束的镀镍部分单向放置在模具中，并在惰性气体保护条件下预热模具，将850℃熔融的纯铝缓缓注入模具内部，并保持熔融状态30分钟左右，以使熔融的铝和碳纤维束充分接触并紧紧包裹住每一根纤维；模具冷却后，开模获得碳纤维两端复合铝或其合金的柔性高导热碳/金属复合联接件，本实施例中的碳纤维束的根数根据传热功率确定；最后将两端的铝块，根据设计要求机加工成所需形状，以使高功耗热源和热沉有效连接起来，从而高效传热。其导热效率是同等条件下铜导热索的2倍，而重量仅为铜的1/4。

实施例2

将实施例1中的高导热碳纤维换成高导热碳膜(厚度为25μm，导热系数为1500W.m^-1.K^-1，密度为2.2g/cm³)，首先对其两端进行了表面处理和化学镀镍处理并控制镀层厚度为0.5μm，然后放置于模具中进行纯铝的浇注处理，其他制备条件与实施例1相同，本实施例中碳膜叠层的层数和宽度由该柔性高导热联接件的传热功率所决定。其导热效率是同等条件下铜导热索的2.5倍，而重量仅为铜的1/4。

实施例3

对实施例1中的高导热碳纤维进行了表面处理后，以其为阳极，两端各2cm放置于镍盐水溶液中，并以放置于溶液中的碳板为阴极，两端连通，施加一定电压，在炭纤维表面镀上金属镍，通过调整电镀工艺条件控制镀层厚度为0.5μm，然后将处理后的碳纤维两端单向放置于模具中进行纯铝的浇注处理，其他制备条件与实施例1相同，本实施例中的碳纤维束的根数根据传热功率确定。其导热效率是同等条件下铜导热索的2倍，而重量仅为铜的1/4。

实施例4

对实施例1中的高导热碳纤维(室温导热率为1100W.m^-1.K^-1,直径为10μm，密度为2.2g/cm³)进行了表面处理后，在炭纤维表面化学镀铜处理，通过调整电镀工艺条件控制镀层厚度为0.5μm，然后将处理后的碳纤维两端单向放置于模具中进行纯铝的浇注处理，其他制备条件与实施例1相同，本实施例中的碳纤维束的根数根据传热功率确定。其导热效率是同等条件下铜导热索的3倍，而重量仅为铜的1/4。

实施例5

对实施例1中的高导热碳纤维(室温导热率为1100W.m^-1.K^-1,直径为10μm，密度为2.2g/cm³)进行了表面处理后，在炭纤维表面化学镀镍处理，通过调整化学镀工艺条件控制镀层厚度为0.5μm，然后将将处理后的碳纤维两端单向放置于模具中，并在惰性气体保护条件下预热模具，将1150℃熔融的铜液缓缓注入模具内部，并保持熔融状态30分钟左右，其他制备条件与实施例1相同，本实施例中的碳纤维束的根数根据传热功率确定。其导热效率是同等条件下铜导热索的3.5倍，而重量为铜的1/2。

实施例6

首先对高导热中间相沥青基碳纤维束的两端(每端各2cm左右，可根据需要调整)进行了表面处理，然后将这两端进行化学镀镍处理，通过调整化学镀工艺条件控制镀镍层厚度在0.5μm左右，然后再将其两端进行化学镀铜处理，通过调整化学镀铜工艺条件控制铜层厚度为0.5μm左右。然后将处理后具有符合镀层的碳纤维两端单向放置于模具中，并在惰性气体保护条件下预热模具，将1150℃熔融的铜液缓缓注入模具内部，并保持熔融状态30分钟左右，其他制备条件与实施例1相同，本实施例中的碳纤维束的根数根据传热功率确定。其导热效率是同等条件下铜导热索的3倍，而重量为铜的1/2。

实施例7

首先对高导热碳膜(厚度为13μm，导热系数为1800W.m^-1.K^-1，密度为2.2g/cm³)的两端进行了表面处理，然后将这两端进行化学镀镍处理，通过调整化学镀工艺条件控制镀镍层厚度在0.5μm左右，然后再将其两端进行化学镀铜处理，通过调整化学镀铜工艺条件控制铜层厚度为0.5μm左右。然后将处理后具有符合镀层的碳膜两端放置于模具中，并在惰性气体保护条件下预热模具，将850℃熔融的铝液缓缓注入模具内部，并保持熔融状态30分钟左右，其他制备条件与实施例1相同，本实施例中碳膜叠层的层数和宽度由该柔性高导热联接件的传热功率所决定。其导热效率是同等条件下铜导热索的4倍，而重量为铜的1/4。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种轻质柔性碳/金属复合高导热联接件的制备方法，其特征在于，使用柔性高导热碳材料作为导热主体段，柔性高导热碳材料的两端进行表面金属化处理，然后两端再与高导热金属复合联接；所述柔性碳材料的两端的表面金属化处理是进行镀镍或镀铜处理，采用化学镀或/和电镀方式进行，控制镀层厚度50nm-50μm；将碳材料具有金属层的两端放入模具中进行熔融金属浇注或压铸处理进行复合连接；浇注金属为高导热单金属或合金，高导热单金属或合金的室温热导率须大于150W.m^-1.K^-1。

2.按照权利要求1所述的一种轻质柔性碳/金属复合高导热联接件的制备方法，其特征在于，所用的柔性高导热碳材料为高导热碳纤维或石墨纤维、高导热碳膜或石墨膜的柔性碳材料中的一种。

3.按照权利要求2所述的一种轻质柔性碳/金属复合高导热联接件的制备方法，其特征在于，单根碳纤维或石墨纤维直径≤15μm或单层碳膜或石墨膜厚度≤120μm。

4.按照权利要求2所述的一种轻质柔性碳/金属复合高导热联接件的制备方法，其特征在于，柔性高导热碳材料采用多根碳纤维集束或多层石墨膜叠加而成，其石墨纤维的根数和石墨膜的叠加层数、宽度由碳/金属复合联接件的导热功率决定。

5.按照权利要求1所述的一种轻质柔性碳/金属复合高导热联接件的制备方法，其特征在于，所述柔性高导热碳材料主要性能：室温导热系数≥400W.m^-1.K^-1；碳元素含量≥99％；根据ASTMD2176方法弯折次数在1000次及以上。

6.按照权利要求1所述的一种轻质柔性碳/金属复合高导热联接件的制备方法，其特征在于，高导热单金属或合金选自铝或其合金、铜或其合金。