CN106591666B - 一种石墨烯增强铝基碳化硅复合材料及其制备方法和其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石墨烯增强铝基碳化硅复合材料及其制备方法，所述的复合材料由下述体积百分比的物质组成：40％～70％的碳化硅，0.5％～5％的石墨烯，余量为铝合金。所述复合材料采用粉末冶金方法制备，通过配料、混粉、装包套、真空脱气、热等静压成形处理制得。本发明的复合材料具有高导热率、高强度、高塑性、轻质高强、良好的散热性、各向同性等优点，成为用途广泛的第二代电子封装材料。

Description

一种石墨烯增强铝基碳化硅复合材料及其制备方法和其应用

技术领域

本发明涉及一种石墨烯增强铝基碳化硅复合材料及其制备方法和其应用。

背景技术

第一代电子封装材料包括Cu、Al、Kovar合金、Invar合金及W、Mo合金等。这些材料通常在某些方面的性能特别突出，但其综合性能多存在一些缺陷。Kovar合金具有较低的热膨胀系数和较好的加工性能，但其导热性较差。Cu/Mo合金、Cu/W合金的热膨胀系数和导热系数较为理想，但其密度较大，且其机加工性能不好。

铝碳化硅复合材料(Al/SiC复合材料)的热膨胀系数为8～12×10^-6K^-1，导热率高达170W/(m·K)，具有极高的市场潜能价值，并得到了更为广泛的应用。但是，碳化硅增强铝基复合材料的制备中需要添加较高体积分数(如60～70％)的碳化硅，而采用粉末冶金方法进行等静压成形时，高体积分数(如60％以上)的铝碳化硅导致复合材料的机械加工困难。并且，加入的碳化硅体积分数过高，使得复合材料的导电率下降，并存在硬度偏高、塑性偏差等缺陷，致使材料在使用过程中极易发生破坏。同时，铝碳化硅电子封装复合材料的高端应用要求材料的导热率达到216W/(m·K)，屈服强度达到200MPa以上等。

石墨烯是一种具有高导电率、高导热率、高模量、高强度的二维平面纳米材料，其优异的力学性能和物理性能使其具有十分广泛的高端应用。已有将石墨烯加入Al/SiC复合材料中以改善材料性能的报道。

CN 105801154 A公开了一种石墨烯增强铝基碳化硅复合材料及其制备方法，该复合材料以氧化石墨为碳源，采用水热法在还原氧化石墨烯表面包裹一层SiO₂颗粒，使得石墨烯与SiC形成良好的界面层，且分散均匀；经高温烧结，在石墨烯与SiO₂界面处通过碳热还原反应，原位生长碳化硅晶须及颗粒，提高界面强度和抗氧化能力，产生界面强化作用，增加裂纹扩展阻力，进一步改善陶瓷断裂韧性，以克服石墨烯/碳化硅复合材料制备技术中石墨烯分散性差和高温抗氧化性差等缺陷，将原位生长、裂纹自愈合及强韧化机理应用于石墨烯/碳化硅材料的制备技术中，进而获得机械性能、界面结合性能优良的石墨烯增韧碳化硅陶瓷。但该方法需经高温烧结和碳热还原反应，存在反应过程难于控制的缺陷。

CN104264000A公开了一种粉末冶金法制备石墨烯增强铝基碳化硅复合材料的方法，包括下述步骤：1)将增强体颗粒用强酸溶液浸泡，再用去离子水清洗至中性，去除表面杂质，烘干，制得活化处理的增强体颗粒；2)将活化处理的增强体颗粒加入到石墨烯分散液中，通过机械搅拌或超声分散，在其表面包覆石墨烯纳米片，制得石墨烯改性的增强体颗粒；3)将石墨烯改性的增强体颗粒与铝基体粉末混合，通过压坯和烧结，制得石墨烯改性的高导热铝基复合材料。该方法制得的复合材料表面富有光泽，具有各项同性、气孔缺陷少、增强相体积分数易于变化、易于调控复合材料的性能等优点。但需用强酸，存在安全隐患、三废多和不利于环保等问题。

CN104848748A公开了一种采用压力渗透法制备石墨烯增强铝碳化硅复合材料的方法，该方法将石墨烯与乙醇溶液混合，制得均匀分散的石墨烯乙醇分散液，再将SiC粉末加入石墨烯乙醇分散液中，球磨，混合均匀，烘干，将混合物压制成骨架，将高温铝液以压力浸渗方式加入骨架中，制得石墨烯增强铝碳化硅复合材料。该方法具有成形简单，无需后续复杂机械加工等优点，但存在增强相分布不均匀、气孔缺陷等问题，进而导致材料性能存在各向异性、表面较大、无法控制碳化硅体积加入量及其他增强相(如石墨烯)含量等缺陷。并且，该方法通过制备SiC陶瓷预制件加压浸渗的方法来制备石墨烯/碳化硅增强铝基复合材料，需将铝液加热到700～750℃，存在控制困难和安全性问题；且采用球磨方式(约10～20小时)将石墨烯乙醇分散液加入铝碳化硅复合材料中，存在混合不够均匀等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯增强铝基碳化硅复合材料，其特征在于，所述复合材料由下述体积百分比的物质组成：30％～70％的碳化硅，0.5％～5％的石墨烯，余量为铝合金。

本发明的优选技术方案中，所述碳化硅的含量为45-65％，优选为50-60％，更优选为55-58％。

本发明的优选技术方案中，所述碳化硅中SiC的含量不低于97％，优选含量不低于98％，更优选不低于99％。

本发明的优选技术方案中，所述碳化硅的组成为，SiC的含量为99.21％，C的含量为0.11％，Fe₂O₃的含量为0.13％。

本发明的优选技术方案中，所述碳化硅为粉状，优选其中值粒径为3～30μm，更优选为8-25μm，还优选为10-20μm。

本发明的优选技术方案中，所述石墨烯的含量为1.0-4％，优选为1.5-3％，还优选为2-2.5％。

本发明的优选技术方案中，所述石墨烯为粉状，优选其中值粒径为2～30μm，更优选为5-20μm，还优选为8-15μm。

本发明的优选技术方案中，所述石墨烯的纯度不低于90wt％，优选不低于95wt％，更优选不低于98wt％。

本发明的优选技术方案中，所述铝合金为粉状，优选其中值粒径为5～90μm，更优选为10-80μm，还优选为20-70μm，还优选为30-60μm。

本发明的优选技术方案中，所述铝合金的组成(质量分数)为Cu 3.2～4.4％，Mg1.0～1.6％，Zn≤0.1％，Fe≤0.05％，Si≤0.25％，O≤0.6％，其余元素单个含量≤0.05％，其余元素合计总含量≤0.15％。

本发明的另一目的在于提供石墨烯增强铝基碳化硅复合材料的制备方法，所述复合材料由下述体积百分比的物质组成：30％～70％的碳化硅，0.5％～5％的石墨烯，余量为铝合金，所述复合材料采用粉末冶金法，经配料、混粉、装包套、真空脱气、热等静压成形处理制得。

本发明的优选技术方案中，所述碳化硅的含量为45-65％，优选为50-60％，更优选为55-58％。

本发明的优选技术方案中，所述碳化硅中SiC的含量不低于97％，优选含量不低于98％，更优选不低于99％。

本发明的优选技术方案中，所述碳化硅的组成为，SiC的含量为99.21％，C的含量为0.11％，Fe₂O₃的含量为0.13％。

本发明的优选技术方案中，所述碳化硅为粉状，优选其中值粒径为3～30μm，更优选为8-25μm，还优选为10-20μm。

本发明的优选技术方案中，所述石墨烯的含量为1.0-4％，优选为1.5-3％，还优选为2-2.5％。

本发明的优选技术方案中，所述石墨烯为粉状，优选其中值粒径为2～30μm，更优选为5-20μm，还优选为8-15μm。

本发明的优选技术方案中，所述石墨烯的纯度不低于90wt％，优选不低于95wt％，更优选不低于98wt％。

本发明的优选技术方案中，所述铝合金为粉状，优选其中值粒径为5～90μm，更优选为10-80μm，还优选为20-70μm，还优选为30-60μm。

本发明的优选技术方案中，所述铝合金的组成(质量分数)为Cu 3.2～4.4％，Mg1.0～1.6％，Zn≤0.1％，Fe≤0.05％，Si≤0.25％，O≤0.6％，其余元素单个含量≤0.05％，其余元素合计总含量≤0.15％。

本发明的优选技术方案中，所述配料处理即分别称取或量取所需量的碳化硅、石墨烯、铝合金、无水乙醇，即得。

本发明的优选技术方案中，所述混粉处理包括下述步骤：1)将铝合金粉和碳化硅粉高速均匀混合，制得铝碳化硅混合粉；2)配置石墨烯乙醇分散液；3)将石墨烯乙醇分散液雾化喷射加入高速旋转的铝碳化硅混合粉，使其均匀混合，制得石墨烯增强铝碳化硅混合分散液；4)将石墨烯增强铝碳化硅混合分散液低温干燥处理后，再经高速均匀混合，制得石墨烯增强铝碳化硅粉体。

本发明的优选技术方案中，将铝合金粉和碳化硅粉高速均匀混合的转数为300-1200rpm，更优选为400-1000rpm，还优选为500-900rpm。

本发明的优选技术方案中，采用超声分散石墨烯乙醇分散液，使其混合均匀，优选石墨烯乙醇分散液的浓度为0.1-5g/ml，更优选为0.5-4g/ml，还优选为1-3g/ml。

本发明的优选技术方案中，超声分散中的超声频率为30-200Hz，优选为50-150Hz，优选为80-100Hz。

本发明的优选技术方案中，超声分散中的超声时间为10-120min，优选为20-100min，更优选为30-80min。

本发明的优选技术方案中，将石墨烯乙醇分散液雾化喷射加入高速旋转的铝碳化硅混合粉中，使其均匀混合，优选高速混合转数为300-1200rpm，更优选为400-1000rpm，还优选为500-900rpm。

本发明的优选技术方案中，所述低温干燥处理温度为30-60℃，优选为40-50℃。

本发明的优选技术方案中，将石墨烯增强铝碳化硅混合溶液低温干燥处理后制得的粉体混合的转数为300-1200rpm，更优选为400-1000rpm，还优选为500-900rpm。

本发明的优选技术方案中，将制得的石墨烯增强铝碳化硅粉体装入包套，进行真空脱气处理，其中，所述的真空脱气处理包括下述步骤：1)20-40℃，抽气1-3小时；2)升温至300-500℃，抽气1-3小时；3)升温至400-600℃，抽气，直至包套真空度达到1.0-5.0×10-3Pa后，保温3-5小时；4)冷却至室温，取出包套。

本发明的优选技术方案中，所述包套为铝合金包套。

本发明的优选技术方案中，将装有石墨烯增强铝碳化硅粉体的包套焊接封口，进行热等静压成形处理，其中，所述热等静压成形处理中的处理温度为200-700℃，优选为300-580℃，更优选为400-550℃，还优选为450-500℃。

本发明的优选技术方案中，所述热等静压成形处理中的处理压力为50-200MPa，优选为100-190MPa，还优选为110-140MPa。

本发明的优选技术方案中，所述热等静压成形处理中的保温1-5h，优选为2-4h。

本发明采用粉末冶金法制备石墨烯增强铝基碳化硅复合材料，高速均匀混合碳化硅粉与铝合金粉，制得铝碳化硅混合粉；超声分散制备石墨烯乙醇分散液，实现石墨烯在乙醇溶液中的均匀分散，制得石墨烯乙醇分散液；再将石墨烯乙醇分散液雾化喷射加入高速旋转的铝碳化硅混合粉中，使得石墨烯在铝碳化硅混合粉中均匀分散，制得石墨烯铝碳化硅混合分散液；石墨烯铝碳化硅混合分散液经低温干燥后，再经高速混合、装包套、真空脱气、热等静压成形处理后，制得石墨烯增强铝碳化硅复合材料。

本发明的另一目的在于提供本发明的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料用于制备绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)基板材料或其制品中的应用。

IGBT为能源变换与传输的核心器件，俗称电力电子装置的“CPU”，广泛应用于轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域。

本发明的优选技术方案中，石墨烯增强铝基碳化硅复合材料用于制备底板封装的IGBT产品，优选用于制备高铁、地铁、新能源汽车、风力发电用的铜底板或铝底板，显著提高功率器件的可靠性。

本发明的另一目的在于提供本发明的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料用于制备微波管壳或其制品中的应用，优选用于制备气密管壳封装或其制品。

相对于传统金属、陶瓷等封装材料而言，本发明的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料具有良好的导热性，大幅减轻封装质量，并在功率电子、电力电子、功率微波、光电转换、通信基站信号放大器、混合电路等领域，具有无可比拟的性能优势。

本发明的另一目的在于提供本发明的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料用于制备热沉板、基板或其制品中的应用。

本发明的优选技术方案中，本发明的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料用于制备电子芯片(专用集成电路)或电源模块的散热片，微处理器盖板或其散热器、电脑芯片(CPU)、主芯片(MPU)的盖板或其底层散热片中的任一种。

本发明的另一目的在于提供本发明的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料用于制作结构件或其制品中的应用。

本发明的优选技术方案中，所述结构件选自抗热形变结构件、耐磨结构件、航空航天结构件、机器人结构件中的任一种，优选为轻量化航空航天结构件。

为了清楚地表述本发明的保护范围，本发明对下述术语进行如下界定。

本发明所述的石墨烯乙醇分散液采用超声分散法制备，即将石墨烯超声均匀分散至无水乙醇溶液中，使其混合均匀，进而制得石墨烯乙醇分散液，优选石墨烯乙醇分散液的浓度为0.1-5g/ml，更优选为0.5-4g/ml，还优选为1-3g/ml。

本发明所述的石墨烯铝碳化硅混合分散液是将石墨烯乙醇分散液雾化喷射加入高速旋转的铝碳化硅混合粉中，使得石墨烯在铝碳化硅混合粉中均匀分散，进而制得石墨烯铝碳化硅混合分散液。

本发明的所述粉末冶金法是指制取金属粉末或用金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)作为原料，经过成形和烧结，进而制备金属材料、复合材料或其各种类型制品的方法。

本发明所述的压力渗透法指预先制取碳化硅陶瓷预制件，再通过压力将高温铝液浸渗至碳化硅陶瓷预制件中，制得铝碳化硅复合材料的制备方法。

本发明所述的中值粒径以激光粒度仪测量粉体粒度D₅₀值来衡量，表示粉末中在中值粒径的粉末数量占粉末总量的50％。

本发明所述的Rpm(round per minute)，表示转数/分钟。

本发明所述的导热率是指定单位温度梯度(在1m长度内温度降低1K)在单位时间内经单位导热面所传递的热量。

本发明所述的热膨胀系数主要以平均线膨胀系数来衡量。线膨胀系数是指单位长度的材料在某一温度区间(25～150℃)温度每升高一度的平均伸长量。

本发明所述的各向同性是指材料在各方向上的性能相近。

本发明石墨烯增强铝基碳化硅复合材料的热导率和热膨胀系数检测参照标准GB/T 22588-2008的规定，采用激光闪射导热系数测量仪检测。

本发明石墨烯增强铝基碳化硅复合材料的抗拉强度、屈服强度、伸长率等参照GB/T 228-2002标准规定进行检测。

除非另有说明，本发明涉及液体与液体之间的百分比时，所述的百分比为体积/体积百分比；本发明涉及液体与固体之间的百分比时，所述百分比为体积/重量百分比；本发明涉及固体与液体之间的百分比时，所述百分比为重量/体积百分比；其余为重量/重量百分比。

与现有技术相比，本发明具有下述有益效果：

1、本发明采用粉末冶金法制备石墨烯增强铝基碳化硅复合材料，高速均匀混合碳化硅粉与铝合金粉，制得铝碳化硅混合粉；超声分散制备石墨烯乙醇分散液，实现石墨烯在乙醇溶液中的均匀分散，制得石墨烯乙醇分散液；再将石墨烯乙醇分散液雾化喷射加入高速旋转的铝碳化硅混合粉中，使得石墨烯在铝碳化硅混合粉中均匀分散，制得石墨烯铝碳化硅混合分散液；石墨烯铝碳化硅混合分散液经低温干燥后，再经高速混合、装包套、真空脱气、热等静压成形处理后，制得石墨烯增强铝碳化硅复合材料。该方法通过高速混合粉末及热等静压手段直接成形，不仅解决了增强相偏聚的问题，又有效解决石墨烯的团聚，使得石墨烯在混合物中得到较为均匀的分布，且简化了生产工艺，具有操作简便等优点。

2、本发明在不降低复合材料有效应用性能(如热导率和热膨胀系数等)的基础上，添加一定含量(0.5～5％)的石墨烯增强相来制备铝碳化硅复合材料，使得添加陶瓷相碳化硅的含量从60～70％降低至40～60％，既降低添加相碳化硅的体积分数，又提高复合材料的导热率(提高率10％～30％)、强度(提高率10％～30％)、塑性(提高率5％～10％)和散热性(提高率10％～15％)等，具有轻质高强、各向同性等优点，广泛用作第二代电子封装高端复合材料。

3、本发明石墨烯增强铝基碳化硅复合材料的制备方法无需进行强酸处理、球磨分散混合、高温铝液压力渗透等处理，制得的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料性能优异，且具有操作周期短、三废少、绿色环保、操作安全简便等优点，利于工业规模化生产。

具体实施方式

以下将结合实施例具体说明本发明，本发明的实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非限定本发明的实质。

实施例1 石墨烯增强相铝碳化硅电子封装复合材料的制备

石墨烯增强相铝碳化硅电子封装复合材料的组成为：

石墨烯增强相铝碳化硅电子封装复合材料的制备方法，包括下述步骤：

1、将1000g石墨烯超声(超声频率50Hz，超声40min)均匀分散至1000ml无水乙醇溶液中，制得石墨烯乙醇分散液；

2、称取1.4kg铝合金粉和1.3kg碳化硅，将其依次放入混料机中，500rpm混合30min；850rpm再混合1h后，制得铝碳化硅均匀混合粉；

3、在900rpm条件下，将30ml石墨烯乙醇分散液雾化喷射加入制得铝碳化硅均匀混合粉，900rpm再混合2h，制得石墨烯铝碳化硅均匀混合分散液；

4、收集石墨烯铝碳化硅均匀混合分散液后，于50℃干燥，再将制得的烘干混合粉置于900rpm混合1h，制得石墨烯增强铝碳化硅混合粉；

5、将制得的石墨烯增强铝碳化硅混合均匀粉装入铝合金包套(包套尺寸，Φ100×200mm)，进行真空脱气处理，其中，所述的真空脱气处理包括下述步骤：1)20℃，抽气2小时；2)升温至300℃，抽气2小时；3)升温至450℃，抽气，直至包套真空度达到2.0×10-3Pa后，保温4小时；4)冷却至室温，取出包套；

6、将装有石墨烯增强铝碳化硅混合粉的包套焊接封口，使其在460℃、120MPa、保温2.5h条件下进行热等静压成形处理，得到圆坯锭材，制得石墨烯增强铝碳化硅复合材料。

按照上述方法，制备石墨烯含量为0％(不加入石墨烯)、2％(加入60ml石墨烯乙醇分散液)和5％(加入150ml石墨烯乙醇分散液)的复合材料。

实施例2 石墨烯增强相铝碳化硅电子封装复合材料的制备

石墨烯增强相铝碳化硅电子封装复合材料的组成为：

石墨烯增强相铝碳化硅电子封装复合材料的制备方法，包括下述步骤：

1、将1000g石墨烯超声(超声频率70Hz，超声35min)均匀分散至1000ml无水乙醇溶液中，制得石墨烯乙醇分散液；

2、称取1.3kg铝合金粉和1.65kg碳化硅，将其依次放入混料机中，600rpm混合1h；950rpm混合2h后，制得铝碳化硅均匀混合粉；

3、在950rpm条件下，将45ml石墨烯乙醇分散液雾化喷射加入制得铝碳化硅均匀混合粉，再混合2h，制得石墨烯铝碳化硅均匀混合分散液；

4、收集石墨烯铝碳化硅均匀混合分散液后，于60℃干燥，再将制得的烘干混合粉置于950rpm混合1h，制得石墨烯增强铝碳化硅混合粉；

5、将制得的石墨烯增强铝碳化硅混合粉装入铝合金包套(包套尺寸，Φ100×200mm)，进行真空脱气处理，其中，所述的真空脱气处理包括下述步骤：1)25℃，抽气2小时；2)升温至350℃，抽气2小时；3)升温至500℃，抽气，直至包套真空度达到3.0×10^-3Pa后，保温4小时；4)冷却至室温，取出包套；

6、将装有石墨烯增强铝碳化硅混合粉的包套焊接封口，使其在480℃、130MPa、保温2.5h条件下进行热等静压成形处理，得到圆坯锭材，制得石墨烯增强铝碳化硅复合材料。

实施例3 石墨烯增强相铝碳化硅电子封装复合材料的制备

石墨烯增强相铝碳化硅电子封装复合材料的组成为：

石墨烯增强相铝碳化硅电子封装复合材料的制备方法，包括下述步骤：

1、将1000g石墨烯超声(超声频率80Hz，超声35min)均匀分散至1000ml无水乙醇溶液中，制得石墨烯乙醇分散液；

2、称取1kg铝合金粉和1.95kg碳化硅，将其依次放入混料机中，600rpm混合1h；1000rpm混合2h后，制得铝碳化硅均匀混合粉；

3、在1000rpm条件下，将30ml石墨烯乙醇分散液雾化喷射加入制得铝碳化硅均匀混合粉，1000rpm再混合2h，制得石墨烯铝碳化硅均匀混合分散液；

4、收集石墨烯铝碳化硅均匀混合分散液后，于40℃干燥，再将制得的烘干混合粉置于1000rpm混合1h，制得石墨烯增强铝碳化硅混合粉；

5、将制得的石墨烯增强铝碳化硅混合粉装入铝合金包套(包套尺寸，Φ100×200mm)，进行真空脱气处理，其中，所述的真空脱气处理包括下述步骤：1)30℃，抽气2小时；2)升温至380℃，抽气2小时；3)升温至560℃，抽气，直至包套真空度达到3.5×10^-3Pa后，保温4小时；4)冷却至室温，取出包套；

6、将装有石墨烯增强铝碳化硅混合粉的包套焊接封口，使其在490℃、130MPa、保温2.5h条件下进行热等静压成形处理，得到圆坯锭材，制得石墨烯增强铝碳化硅复合材料。

实施例4 石墨烯增强相铝碳化硅电子封装复合材料的制备

石墨烯增强相铝碳化硅电子封装复合材料的组成为：

石墨烯增强相铝碳化硅电子封装复合材料的制备方法，包括下述步骤：

1、将1000g石墨烯超声(超声频率100Hz，超声25min)均匀分散至1000ml无水乙醇溶液中，制得石墨烯乙醇分散液；

2、称取1kg铝合金粉和1.95kg碳化硅，将其依次放入混料机中，600rpm混合1h；1100rpm混合2h后，制得铝碳化硅均匀混合粉；

3、在1100rpm条件下，将50ml石墨烯乙醇分散液雾化喷射加入制得铝碳化硅均匀混合粉，1000rpm再混合2h，制得石墨烯铝碳化硅均匀混合分散液；

4、收集石墨烯铝碳化硅均匀混合分散液后，于55℃干燥，再将制得的烘干混合粉置于1100rpm混合1h，制得石墨烯增强铝碳化硅混合粉；

5、将制得的石墨烯增强铝碳化硅混合粉装入铝合金包套(包套尺寸，Φ100×200mm)，进行真空脱气处理，其中，所述的真空脱气处理包括下述步骤：1)25℃，抽气2小时；2)升温至400℃，抽气2小时；3)升温至520℃，抽气，直至包套真空度达到4.5×10^-3Pa后，保温4小时；4)冷却至室温，取出包套；

6、将装有石墨烯增强铝碳化硅混合粉的包套焊接封口，使其在470℃、160MPa、保温2.5h条件下进行热等静压成形处理，得到圆坯锭材，制得石墨烯增强铝碳化硅复合材料。

按照本发明所述的检测方法检测，实施例1-4制得的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料的性能参数见表1。

表1

由表1可见，本发明相对于现有技术具有下述有益技术效果：

1、本发明采用粉末冶金法制备石墨烯增强铝基碳化硅复合材料，高速均匀混合碳化硅粉与铝合金粉，制得铝碳化硅混合粉；超声分散制备石墨烯乙醇分散液，实现石墨烯在乙醇溶液中的均匀分散，制得石墨烯乙醇分散液；再将石墨烯乙醇分散液雾化喷射加入高速旋转的铝碳化硅混合粉中，使得石墨烯在铝碳化硅混合粉中均匀分散，制得石墨烯铝碳化硅混合分散液；石墨烯铝碳化硅混合分散液经低温干燥后，再经高速混合、装包套、真空脱气、热等静压成形处理后，制得石墨烯增强铝碳化硅的干燥粉体。该方法通过高速混合粉末及热等静压手段直接成形，不仅解决了增强相偏聚的问题，又有效解决石墨烯的团聚，使得石墨烯在混合物中得到较为均匀的分布，且简化了生产工艺，具有操作简便等优点。

2、由实施例1可见，本发明加入石墨烯显著提高复合材料的性能。当石墨烯加入量在2％时，复合材料性能提升相对更优。

3、比较分析实施例1～3可见，相同情况下，碳化硅的粒径越小，制得的复合材料综合性能越好，且添加的碳化硅体积分数与复合材料热膨胀系数呈现正相关。

4、比较分析实施例3、4可见，铝合金的粒径对复合材料性能存在影响，且铝合金粉末粒度与复合材料的力学性能呈现负相关。

5、本发明在不降低复合材料有效应用性能(如热导率和热膨胀系数等)的基础上，添加一定含量(0.5～5％)的石墨烯增强相来制备铝碳化硅复合材料，使得添加陶瓷相碳化硅的含量从60～70％降低至40～60％，既降低添加相碳化硅的体积分数，又提高复合材料的导热率(提高率10％～30％)、强度(提高率10％～30％)、塑性(提高率5％～10％)和散热性(提高率10％～15％)等，具有轻质高强、各向同性等优点，广泛用作第二代电子封装高端复合材料。

6、本发明石墨烯增强铝基碳化硅复合材料的制备方法无需进行强酸处理、球磨分散混合、高温铝液压力渗透等处理，制得的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料性能优异，且具有操作周期短、三废少、绿色环保、操作安全简便等优点，利于工业规模化生产。

以上为本发明的优选实例，但本发明的实施并不限于上述实例。本领域人员阅读了上述内容后，任何对于本发明的修改和替代，都可被认为处于本发明的权利要求限定范围内。

Claims (66)

1.一种石墨烯增强铝基碳化硅复合材料，其特征在于，所述复合材料由下述体积百分比的物质组成：40％～70％的碳化硅，0.5％～5％的石墨烯，余量为铝合金；

所述碳化硅的中值粒径为3～30μm；

所述石墨烯的中值粒径为2～30μm；

所述铝合金的中值粒径为5～90μm；

所述铝合金的组成(质量分数)为Cu3.2～4.4％，Mg 1.0～1.6％，Zn≤0.1％，Fe≤0.05％，Si≤0.25％，O≤0.6％，其余元素单个含量≤0.05％，其余元素合计总含量≤0.15％；

所述复合材料采用粉末冶金法，经配料、混粉、装包套、真空脱气、热等静压成形处理制得；

所述配料处理即称取或量取所需量的碳化硅、石墨烯、铝合金、无水乙醇，即得；

所述混粉处理包括下述步骤：

1)将铝合金粉和碳化硅粉高速均匀混合，制得铝碳化硅混合粉；

2)配置均匀混和的石墨烯乙醇分散液；

3)将石墨烯乙醇分散液雾化喷射加入高速旋转的铝碳化硅混合粉，使其均匀混合，制得石墨烯增强铝碳化硅混合分散液；

4)将石墨烯增强铝碳化硅混合分散液低温干燥处理后，再经高速旋转均匀混合，制得石墨烯增强铝碳化硅粉体；

所述装包套为，将制得的石墨烯增强铝碳化硅粉体装入包套，进行真空脱气处理，所述包套为铝合金包套；

所述真空脱气处理包括下述步骤：

1)20-40℃，抽气1-3小时；

2)升温至300-500℃，抽气1-3小时；

3)升温至400-600℃，抽气，直至包套真空度达到1.0-5.0×10-3Pa后，保温3-5小时；

4)冷却至室温，取出包套；

所述热等静压成形处理为，将装有石墨烯增强铝碳化硅粉体的包套焊接封口，进行热等静压成形处理，其中，所述热等静压成形处理中的处理温度为300-580℃。

2.根据权利要求1所述的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料，所述复合材料中碳化硅的含量为45-65％。

3.根据权利要求2所述的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料，所述复合材料中碳化硅的含量50-60％。

4.根据权利要求3所述的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料，所述复合材料中碳化硅的含量为55-58％。

5.根据权利要求1所述的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料，所述碳化硅中SiC的含量不低于97％。

6.根据权利要求5所述的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料，所述碳化硅中SiC的含量不低于98％。

7.根据权利要求6所述的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料，所述碳化硅中SiC的含量不低于99％。

8.根据权利要求1所述的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料，所述碳化硅的组成为，SiC的含量为99.21％，C的含量为0.11％，Fe₂O₃的含量为0.13％。

9.根据权利要求1所述的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料，所述碳化硅为粉状。

10.根据权利要求1所述的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料，所述碳化硅的中值粒径为8-25μm。

11.根据权利要求10所述的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料，所述碳化硅的中值粒径为10-20μm。

12.根据权利要求1所述的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料，所述复合材料中石墨烯的含量为1.0-4％。

13.根据权利要求12所述的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料，所述复合材料中石墨烯的含量为1.5-3％。

14.根据权利要求13所述的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料，所述复合材料中石墨烯的含量为2-2.5％。

15.根据权利要求1所述的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料，所述石墨烯为粉状。

16.根据权利要求1所述的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料，所述石墨烯的中值粒径为5-20μm。

17.根据权利要求16所述的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料，所述石墨烯的中值粒径为8-15μm。

18.根据权利要求1所述的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料，所述石墨烯的纯度不低于90wt％。

19.根据权利要求18所述的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料，所述石墨烯的纯度不低于95wt％。

20.根据权利要求19所述的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料，所述石墨烯的纯度不低于98wt％。

21.根据权利要求1所述的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料，所述铝合金为粉状。

22.根据权利要求1所述的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料，所述铝合金的中值粒径为10-80μm。

23.根据权利要求22所述的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料，所述铝合金的中值粒径为20-70μm。

24.根据权利要求23所述的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料，所述铝合金的中值粒径为30-60μm。

25.如权利要求1-24任一项所述的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料的制备方法，所述复合材料由下述体积百分比的物质组成：

40％～70％的碳化硅；

0.5％～5％的石墨烯；

余量为2009系铝合金；

所述复合材料采用粉末冶金法，经配料、混粉、装包套、真空脱气、热等静压成形处理制得。

26.根据权利要求25所述的制备方法，所述配料处理即称取或量取所需量的碳化硅、石墨烯、铝合金、无水乙醇，即得。

27.根据权利要求26所述的制备方法，所述混粉处理包括下述步骤：

1)将铝合金粉和碳化硅粉高速均匀混合，制得铝碳化硅混合粉；

2)配置均匀混和的石墨烯乙醇分散液；

3)将石墨烯乙醇分散液雾化喷射加入高速旋转的铝碳化硅混合粉，使其均匀混合，制得石墨烯增强铝碳化硅混合分散液；

4)将石墨烯增强铝碳化硅混合分散液低温干燥处理后，再经高速旋转均匀混合，制得石墨烯增强铝碳化硅粉体。

28.根据权利要求27所述的制备方法，所述混粉处理中，将铝合金粉和碳化硅粉高速混合的转数为300-1200rpm。

29.根据权利要求28所述的制备方法，所述混粉处理中，将铝合金粉和碳化硅粉高速混合的转数为400-1000rpm。

30.根据权利要求29所述的制备方法，所述混粉处理中，将铝合金粉和碳化硅粉高速混合的转数为500-900rpm。

31.根据权利要求27所述的制备方法，采用超声分散石墨烯乙醇分散液，使其混合均匀。

32.根据权利要求31所述的制备方法，所述石墨烯乙醇分散液的浓度为0.1-5g/ml。

33.根据权利要求32所述的制备方法，所述石墨烯乙醇分散液的浓度为0.5-4g/ml。

34.根据权利要求33所述的制备方法，所述石墨烯乙醇分散液的浓度为1-3g/ml。

35.根据权利要求31所述的制备方法，超声分散中的超声频率为30-200Hz。

36.根据权利要求35所述的制备方法，超声分散中的超声频率为50-150Hz。

37.根据权利要求36所述的制备方法，超声分散中的超声频率为80-100Hz。

38.根据权利要求31所述的制备方法，超声分散中的超声时间为10-120min。

39.根据权利要求38所述的制备方法，超声分散中的超声时间为20-100min。

40.根据权利要求39所述的制备方法，超声分散中的超声时间为30-80min。

41.根据权利要求27所述的制备方法，将石墨烯乙醇分散液雾化喷射入高速旋转的铝碳化硅混合粉中，使其均匀混合，所述高速旋转的转数为300-1200rpm。

42.根据权利要求41所述的制备方法，所述高速旋转的转数为400-1000rpm。

43.根据权利要求42所述的制备方法，所述高速旋转的转数为500-900rpm。

44.根据权利要求27所述的制备方法，所述低温干燥处理温度为30-60℃。

45.根据权利要求44所述的制备方法，所述低温干燥处理温度为40-50℃。

46.根据权利要求27所述的制备方法，将石墨烯增强铝碳化硅混合分散液低温干燥处理后制得的粉体混合的转数为300-1200rpm。

47.根据权利要求46所述的制备方法，将石墨烯增强铝碳化硅混合分散液低温干燥处理后制得的粉体混合的转数为400-1000rpm。

48.根据权利要求47所述的制备方法，将石墨烯增强铝碳化硅混合分散液低温干燥处理后制得的粉体混合的转数为500-900rpm。

49.根据权利要求27所述的制备方法，将制得的石墨烯增强铝碳化硅粉体装入包套，进行真空脱气处理，其中，所述真空脱气处理包括下述步骤：

1)20-40℃，抽气1-3小时；

2)升温至300-500℃，抽气1-3小时；

3)升温至400-600℃，抽气，直至包套真空度达到1.0-5.0×10^-3Pa后，保温3-5小时；

4)冷却至室温，取出包套。

50.根据权利要求27所述的制备方法，所述包套为铝合金包套。

51.根据权利要求27所述的制备方法，将装有石墨烯增强铝碳化硅粉体的包套焊接封口，进行热等静压成形处理，其中，所述热等静压成形处理中的处理温度为300-580℃。

52.根据权利要求51所述的制备方法，所述热等静压成形处理中的处理温度为400-550℃。

53.根据权利要求52所述的制备方法，所述热等静压成形处理中的处理温度为450-500℃。

54.根据权利要求27所述的制备方法，所述热等静压成形处理中的处理压力为50-200MPa。

55.根据权利要求54所述的制备方法，所述处理压力为100-190MPa。

56.根据权利要求55所述的制备方法，所述处理压力为110-140MPa。

57.根据权利要求27所述的制备方法，所述热等静压成形处理中的保温1-5h。

58.根据权利要求57所述的制备方法，所述热等静压成形处理中的保温2-4h。

59.如权利要求1-24任一项所述的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料或者如权利要求25-58任一所述方法所制得的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料在制备绝缘栅双极型晶体管基板材料或其制品中的应用。

60.根据权利要求59所述的应用，所述的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料用于制备底板封装的IGBT产品、高铁、地铁、新能源汽车、风力发电、轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车、新能源装备中的铜底板或铝底板。

61.如权利要求1-24任一项所述的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料或者如权利要求25-58任一所述方法所制得的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料在制备微波管壳或其制品中的应用。

62.如权利要求1-24任一项所述的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料或者如权利要求25-58任一所述方法所制得的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料在制备热沉板、基板或其制品中的应用。

63.根据权利要求62所述的应用，所述的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料用于制备电子芯片、专用集成电路或电源模块的散热片，微处理器盖板或其散热器、电脑芯片、主芯片的盖板或其底层散热片中的任一种。

64.如权利要求1-24任一项所述的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料或者如权利要求25-58任一所述方法所制得的石墨烯增强铝基碳化硅复合材料在制作结构件或其制品中的应用。

65.如权利要求64所述的应用，所述结构件选自抗热形变结构件、耐磨结构件、航空航天结构件、机器人结构件中的任一种。

66.如权利要求65所述的应用，所述航空航天结构件为轻量化航空航天结构件。