CN107502767B - 一种定向超高导热、高强度石墨-铜复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种定向超高导热、高强度石墨-铜复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种定向超高导热且具有高强度的石墨‑铜复合材料及其制备方法和应用。具体地，所述复合材料由定向平行排列的石墨片层和铜层经热压烧结而成，且所述复合材料沿平行于X‑Y方向的热导率与所述复合材料沿垂直于X‑Y方向的热导率的比值≥4，且所述复合材料沿平行于X‑Y方向的热导率≥500W/m·K，其中X‑Y方向为同时平行于所述石墨片层和所述铜层的方向。本发明还公开了所述复合材料的制备方法。所述复合材料由于其中石墨片层高度定向排列且所述铜层均匀分布在所述石墨片层之间，因此，所述复合材料具有非常高的热导率和较低的热膨胀系数。所述制备方法简单、成本低、非常适宜大规模推广。

Description

一种定向超高导热、高强度石墨-铜复合材料及其制备方法和 应用
技术领域
本发明涉及导热材料领域，具体地涉及一种定向超高导热、高强度石墨- 铜复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着半导体元器件的大功率、轻质、小型化的飞速发展，单位面积所产生 的热量越来越高，而有效散热面积日趋减少，散热已成为阻碍大功率电子器件、 大功率固体照明器件、超大规模和超高速集成电路，乃至整个信息产业发展的 瓶颈问题。这些大功率元件和系统迫切需要导热材料有更好的导热性能、与半 导体芯片材料(Si或GaAs)相匹配的热膨胀系数、足够的刚度和强度，以及更低 的成本等。
铜基复合材料充分发挥了金属铜的高强度、高导热、高导电、低热膨胀系 数等优点，其中应用较为广泛的主要有Cu-Mo、Cu-W合金、Cu/Mo/Cu平面复 合型、金刚石-铜复合材料、碳纤维-铜复合材料等。这些传统的铜基封装材料 虽然在一定程度上解决了散热器件材料性能的不足，但由于Cu-Mo等铜合金和 层叠式Cu/Mo/Cu平面复合型复合材料的低热导率和高密度、金刚石及其复合材 料的难加工性、高导热碳纤维的难获得以及价格高等各方面的局限性，已经不 能满足大功率电子器件快速发展的需求。
然而，天然鳞片石墨国内资源非常丰富、成本低廉、密度低、平面内负的 热膨胀系数、导热性能较理想(鳞片状面(X-Y面)内热导率达到 300～1500W/(m·K))，是理想的高导热增强粒子，适宜广泛使用。针对这种情况， 加工性能良好、具有高导热性能、膨胀系数可控、密度低的天然鳞片石墨-铜复 合材料成为提升现有高端大功率电子器件性能最为有效可行的技术突破口。
目前，国内外对于石墨-铜复合材料的具有代表性的应用是利用其良好的自 润滑摩擦以及与电接触导电方面的本征性能，而关于其热性能方面的应用报道 较少。造成这种现象的主要原因有如下二方面：(1)铜和石墨密度相差较大、且 鳞片石墨之间容易堆积桥架阻隔铜三维方向上的连接这两方面的特征，这使得 难以通过压力熔渗工艺制备出高相对密度、性能均一的石墨-铜复合材料；(2) 鳞片状面的法向量(Z方向)热传导较慢，造成石墨复合材料热导率只能实现热量 在二维平面(X-Y面)较快的传输，相关数据测量也主要集中在该面内方向。另外， 封装材料低的密度和热膨胀系数要求使得复合材料中石墨的体积分数必须占 到一定比例，因此采用热压烧结工艺成为制备高体积分数石墨-铜复合材料的首 选。
采用热压烧结制备高导热石墨-铜复合材料的过程中，一方面石墨片层堆积 阻隔作用对复合材料性能造成的影响相对较少；另一方面由于热压过程中石墨 片层间的滑移以及高温下铜粉的变形使得石墨与铜二者之间界面结合的机械 咬合作用较为明显，界面对石墨片层方向热导率影响较小(实际制备过程中，石 墨粉体表面涂层后石墨-铜复合材料片层石墨方向热导率还会下降)。
因此，在石墨-铜复合材料的热压烧结过程中主要考虑石墨与铜密度相差性 较大、鳞片石墨的择优排列问题。充分利用石墨片层方向(X-Y面)的高热导性， 使得鳞片石墨在复合材料制备过程中获得择优的定向排列，尽可能达到高度定 向排列，这样石墨的取向排列控制过程就显得尤为重要。
现有的通过粉末冶金和放电等离子体烧结技术制备的石墨-铜复合材料片 层方向热导率达到550W/(m·K)，但鳞片石墨在基体中定向排布的比率不高，鳞 片有较大弯折的现象发生；而现有的通过鳞片状铜粉选取、碳纤维添加以及一 些特殊工艺，提高鳞片石墨定向排布特性以及复合材料的相对密度，进而制备 得到的鳞片石墨-铜复合材料片层方向热导率达到631.6W/(m·K)。
上述各种通过鳞片状铜粉选择、化学镀铜、冲击振动等方式以获得石墨片 层方向一致性，虽然在一定程度上提高了复合材料的热导率，但依然存在各种 问题，如鳞片状铜粉选择以及后续特殊工艺的引入，使得生产成本以及工艺复 杂程度大大增加；而化学镀铜工艺虽然在一定程度上提高了金属铜在石墨-铜复 合材料中的均匀分布性，但在化学镀铜过程中不可避免的会引入各种化合物离 子，这对复合材料在潮湿空气中的稳定性影响较大；而冲击振动虽能较好地提 高石墨在特定方向上的排列，但仅限于提高单一鳞片石墨粉体片层方向，当石 墨和铜粉混合在一起时，由于石墨与金属铜粉之间存在4倍左右的密度差异， 在这种振动模式下，铜粉很容易在混合料的底部沉积；在高体积分数石墨-铜复 合材料中，金属铜则更难形成连续的整体，导致金属铜的作用仅是填补石墨与 石墨之间孔隙。事实上，如果铜粉堆积在混合料的底部，复合材料中金属铜的 分布均匀性完全不能保证，这导致复合材料的致密度会显著下降，最终导致复 合材料的热导率不能获得很大程度的提高。
因此，本领域急需开发一种均匀性更优、整体热导性能更高的石墨-铜复合 材料及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种均匀性更优、整体热导性能更高的石墨-铜复合 材料及其制备方法。
本发明的第一方面，提供了一种石墨-铜复合材料，所述复合材料由定向平 行排列的石墨片层和铜层经热压烧结而成，且所述复合材料沿平行于X-Y方向的热 导率与所述复合材料沿垂直于X-Y方向的热导率的比值≥4，且所述复合材料沿平 行于X-Y方向的热导率≥500W/m·K，其中X-Y方向为同时平行于所述石墨片层和 所述铜层的方向。
在另一优选例中，所述X-Y方向与所述热压烧结的加压方向垂直。
在另一优选例中，所述复合材料为所述石墨片层和所述铜层相间分步的层状 组织。
在另一优选例中，所述复合材料中，所述石墨片层和所述铜层间紧密结合。
在另一优选例中，所述复合材料沿平行于X-Y方向的热导率与所述复合材料沿 垂直于X-Y方向的热导率的比值≥4.5，较佳地≥5，较佳地≥6，更佳地≥7，最佳 地≥8。
在另一优选例中，所述复合材料沿平行于X-Y方向的热导率≥600W/m·K，较 佳地≥700W/m·K，更佳地≥750W/m·K。
在另一优选例中，所述复合材料沿垂直于X-Y方向(即沿Z方向)的热导率≥40 W/m·K，较佳地≥45W/m·K，更佳地≥50W/m·K。
在另一优选例中，所述铜层均匀分布于所述石墨片层之间。
在另一优选例中，所述“均匀分布”是指在所述复合材料中，在垂直于X-Y 方向的断面内，所述铜层在任一单位面积内的体积密度与所述铜层在整个断面面积 内的体积密度的比值为0.7-1.3，较佳地0.8-1.2。
在另一优选例中，所述复合材料中，所述石墨片层间基本不直接接触，即所 述石墨片层通常被所述铜层包覆。
在另一优选例中，所述复合材料具有选自下组的一个或多个特征：
1)所述复合材料的密度为3-10g/cm3(较佳地3.5-8g/cm3，更佳地4-6g/cm3，最 佳地4.8-5.5g/cm3)；
2)所述复合材料的热膨胀系数为4-10ppm/K(较佳地4.5-8ppm/K，更佳地5-7 ppm/K)；
3)所述复合材料的热容为0.3-2J/gK；
4)所述复合材料沿X-Y方向的热扩散系数为150-500mm2/s(较佳地200-450 mm2/s，更佳地220-400mm2/s)；
5)所述复合材料沿Z方向的热扩散系数为15-50mm2/s；
6)所述复合材料沿X-Y方向的抗弯强度为42-150MPa(较佳地50-120MPa)；
7)所述复合材料沿Z方向的抗弯强度为40-120MPa(较佳地50-100MPa)。
在另一优选例中，按所述复合材料的总体积计，所述石墨片层的含量为30-80vol.％，较佳地40-70vol.％。
在另一优选例中，所述复合材料是采用本发明第二方面所述的方法制备的。
本发明的第二方面，提供了一种本发明第一方面所述复合材料的制备方法， 所述方法包括如下步骤：
a-1)提供包含石墨粉、铜粉和有机溶剂的第一混合物；
a-2)采用双中心高速混料机将所述第一混合物混料均匀，得到第二混合物；
a-3)采用往复式振动平台对所述第二混合物进行振动处理，得到第三混合 物；
a-4)热压烧结所述第三混合物，得到本发明第一方面所述复合材料。
在另一优选例中，所述石墨粉为鳞片状。
在另一优选例中，所述石墨粉的平均直径在50-1500μm，较佳地100-1200μm， 更佳地200-800μm。
在另一优选例中，所述石墨粉的厚度为10－50μm。
在另一优选例中，所述石墨粉的长径比为10-100，较佳地20-80。
在另一优选例中，所述铜粉的粒径为1-80μm，较佳地2-50μm，更佳地3-30μm， 更佳地4-15μm。
在另一优选例中，所述石墨粉与所述铜粉的粒径比≥5，较佳地≥10，更佳地≥20，更佳地≥50。
在另一优选例中，所述铜粉为纯铜粉或合金铜粉。
在另一优选例中，所述有机溶剂优选为酒精。
在另一优选例中，按所述第一混合物的总体积计，所述石墨粉的体积分数为 30-80％，较佳地40-70％。
在另一优选例中，按所述第一混合物的总体积计，所述有机溶剂的体积分数 为0－6％，较佳地1－2％。
在另一优选例中，按所述第一混合物的总体积计，所述铜粉的体积分数为20-70％，较佳地30-60％，更佳地40-50％。
在另一优选例中，所述双中心高速混料机同时包括如下两种搅拌方式：
i)以与水平面成30-60°(较佳地40-50°)夹角的直线为中心线进行的自转；和
ii)以垂直于水平面的直线为中心线进行的公转。
在另一优选例中，所述自转的转速与所述公转的转速可相同或不同，分别为 500-4000转/分钟，较佳地1000-2000转/分钟。
在另一优选例中，步骤a-2)所述混料的处理时间为0.1-10分钟，较佳地0.5-5分钟。
在另一优选例中，所述往复式(回转式)振动平台的振动方向沿水平面方向。
在另一优选例中，所述往复式(回转式)振动平台的振动方向为水平面内的 横向和/或纵向往复。
在另一优选例中，步骤a-3)所述振动处理的振动速度为50-300转/分钟，较 佳地70-150转/分钟。
在另一优选例中，步骤a-3)所述振动处理的处理时间为5-20分钟。
在另一优选例中，步骤a-4)所述热压烧结在真空或惰性气氛下进行。
在另一优选例中，步骤a-4)所述热压烧结的处理温度为800-1200℃，较佳 地900-1100℃，更佳地1000-1100℃。
在另一优选例中，步骤a-4)所述热压烧结的处理时间为10-60min，较佳地 20-40min。
在另一优选例中，步骤a-4)所述热压烧结的热压力为20-80MPa。
本发明的第三方面，提供了一种制品，所述制品包含本发明第一方面所述 的复合材料或由本发明第一方面所述的复合材料制成。
在另一优选例中，所述制品选自下组：散热部件、超高导热部件。
应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例) 中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方 案。限于篇幅，在此不再一一累述。
附图说明
图1是本发明复合材料的制备工艺示意图。
图2为实施例1所得石墨-铜混合物1的光学显微照片。
图3为实施例1所得石墨-铜混合物1的扫描电子显微照片。
图4为实施例1所得石墨-铜复合材料1的扫描电子显微照片，其中，a为平行 于压力方向的扫描电镜照片，b为垂直于压力方向的扫描电镜照片。
图5为本发明所述石墨-铜复合材料的热导率随着石墨粉体积分数的变化情 况。
具体实施方式
本发明人经过长期而深入的研究，通过依次采用“双中心高速混料机”+“往 复式振动平台”对石墨片层粉和铜粉的混合物进行均质化处理，再进行热压烧结 处理，制备得到一种石墨片层沿平行于石墨片层方向(X-Y面)定向排列且铜层均 匀包覆于所述石墨片层上的复合材料。所述复合材料在石墨片层方向具有非常 高的热导率。所述制备方法工艺简单、成本低、非常适宜产业化推广。在此基 础上，发明人完成了本发明。
复合材料
本发明提供了一种石墨-铜复合材料，所述复合材料由定向平行排列的石墨片 层和铜层经热压烧结而成，且所述复合材料沿平行于X-Y方向的热导率与所述复合 材料沿垂直于X-Y方向的热导率的比值≥4，且所述复合材料沿平行于X-Y方向的 热导率≥500W/m·K，其中X-Y方向为同时平行于所述石墨片层和所述铜层的方向。
在另一优选例中，所述X-Y方向与所述热压烧结的加压方向垂直。
在本发明中，所述复合材料为所述石墨片层和所述铜层相间分步的层状组织。
在另一优选例中，所述复合材料中，所述石墨片层和所述铜层间紧密结合。
在另一优选例中，所述复合材料沿平行于X-Y方向的热导率与所述复合材料沿 垂直于X-Y方向的热导率的比值≥4.5，较佳地≥5，较佳地≥6，更佳地≥7，最佳 地≥8。
在本发明中，所述复合材料沿平行于X-Y方向的热导率≥600W/m·K，较佳地 ≥700W/m·K，更佳地≥750W/m·K。
在另一优选例中，所述复合材料沿垂直于X-Y方向(即沿Z方向)的热导率≥40 W/m·K，较佳地≥45W/m·K，更佳地≥50W/m·K。
在本发明中，所述铜层均匀分布于所述石墨片层之间。
在另一优选例中，所述“均匀分布”是指在所述复合材料中，在垂直于X-Y 方向的断面内，所述铜层在任一单位面积内的体积密度与所述铜层在整个断面面积 内的体积密度的比值为0.7-1.3，较佳地0.8-1.2。
在另一优选例中，所述复合材料中，所述石墨片层间基本不直接接触，即所 述石墨片层通常被所述铜层包覆。
在本发明中，所述复合材料具有选自下组的一个或多个特征：
1)所述复合材料的密度为3-10g/cm3(较佳地3.5-8g/cm3，更佳地4-6g/cm3，最 佳地4.8-5.5g/cm3)；
2)所述复合材料的热膨胀系数为4-10ppm/K(较佳地4.5-8ppm/K，更佳地5-7 ppm/K)；
3)所述复合材料的热容为0.3-2J/gK；
4)所述复合材料沿X-Y方向的热扩散系数为150-500mm2/s(较佳地200-450 mm2/s，更佳地220-400mm2/s)；
5)所述复合材料沿Z方向的热扩散系数为15-50mm2/s；
6)所述复合材料沿X-Y方向的抗弯强度为42-150MPa(较佳地50-120MPa)；
7)所述复合材料沿Z方向的抗弯强度为40-120MPa(较佳地50-100MPa)。
在另一优选例中，按所述复合材料的总体积计，所述石墨片层的含量为30-80vol.％，较佳地40-70vol.％。
在另一优选例中，所述复合材料是采用本发明所述的方法制备的。
在本发明所述复合材料中，所述高度定向排列的石墨片层充分利用了石墨 片层方向内高的热导率，从而保证了石墨/铜复合材料在垂直于加压方向平面内 高的热导率；所述在石墨片层表面均匀分布的铜层，保证了高体积分数石墨增 强铜复合材料中不会因铜的分布不均匀而导致复合材料中空隙较多，从而避免 了复合材料由于相对密度下降所导致的复合材料的热导率和力学性能的下降。
制备方法
本发明提供了一种所述复合材料的制备方法，该方法不仅简单地解决了石 墨-铜复合材料中铜的分布均匀性问题，还提供了一种提高石墨片层方向一致性 的工艺，采用该制备方法所制得的复合材料的热导率超过800W/m·K。
具体地，所述方法包括如下步骤：
a-1)提供包含石墨粉、铜粉和有机溶剂的第一混合物；
a-2)采用双中心高速混料机将所述第一混合物混料均匀，得到第二混合物；
a-3)采用往复式振动平台对所述第二混合物进行振动处理，得到第三混合 物；
a-4)热压烧结所述第三混合物，得到所述复合材料。
在另一优选例中，所述石墨粉为鳞片状。
在另一优选例中，所述石墨粉的平均直径在50-1500μm，较佳地100-1200μm， 更佳地200-800μm。
在另一优选例中，所述石墨粉的厚度为10－50μm。
在另一优选例中，所述石墨粉的长径比为10-100，较佳地20-80。
在本发明中，所述石墨粉包括天然石墨和人造石墨。
在另一优选例中，所述铜粉的粒径为1-80μm，较佳地2-50μm，更佳地3-30μm， 更佳地4-15μm。
在另一优选例中，所述石墨粉与所述铜粉的粒径比≥5，较佳地≥10，更佳地≥20，更佳地≥50。
在另一优选例中，所述铜粉为纯铜粉或合金铜粉。
在另一优选例中，所述合金铜粉中掺有选自下组的一种或多种组分：
1-40wt.％的Si；
1-30wt.％的Ni；
1-10wt.％的Zn；和
1-10wt.％的Sn。
在另一优选例中，所述合金铜粉选自下组：Cu-Si合金、Cu-Ni合金、Cu-Zn 合金、Cu-Si-Ni合金、Cu-Si-Zn合金、Cu-Ni-Zn合金、或其组合，其中Cu-Si合金为 在Cu中添加1～40wt.％的Si，Cu-Ni合金为在Cu中添加1～30wt.％的Ni，Cu-Zn合金为 在Cu中添加1～10wt.％的Zn。
在另一优选例中，所述有机溶剂优选为酒精。
在本发明中，按所述第一混合物的总体积计，所述石墨粉的体积分数为30-80 ％，较佳地40-70％。
在另一优选例中，按所述第一混合物的总体积计，所述有机溶剂的体积分数 为0－6％，较佳地0.5－3％。
应理解，在所述第一混合物中，所述铜粉的体积含量最好为20％－70vol.％， 当其含量小于20vol.％时，由于本发明中烧结温度在1200℃以下，石墨与石墨 之间很难有键合产生，因此混合物中金属铜主要起着连结石墨片层的作用，同 时用以填充石墨与石墨烧结过程中的空隙。当混合物中金属铜粉含量较少时， 复合材料中空隙会较多，这会导致复合材料的相对密度较小，进而导致所得复 合材料的热导率和力学性能降低。当混合物中金属铜粉含量较大时，由于金属 铜的热导率一般小于400W/mK，金属铜过多，会导致复合材料的热导率难以获 得较大提升。
在另一优选例中，按所述第一混合物的总体积计，所述铜粉的体积分数为20-70％，较佳地30-60％，更佳地40-50％。
在本发明中，所述双中心高速混料机同时包括如下两种搅拌方式：
i)以与水平面成30-60°(较佳地40-50°)夹角的直线为中心线进行的自转；和
ii)以垂直于水平面的直线为中心线进行的公转。
在另一优选例中，所述自转的转速与所述公转的转速可相同或不同，分别为 500-4000转/分钟，较佳地1000-2000转/分钟。
应理解，在本发明所述制备方法中，所述双中心高速混料机的转速不宜太快， 否则会导致所述第一混合物中所述石墨粉的粒径因撞击而碎裂减小。
在另一优选例中，步骤a-2)所述混料的处理时间为0.1-10分钟，较佳地0.5-5分钟。
在本发明中，所述往复式(回转式)振动平台的振动方向沿水平面方向。
在另一优选例中，所述往复式(回转式)振动平台的振动方向为水平面内的 横向和/或纵向往复。
在另一优选例中，步骤a-3)所述振动处理的振动速度为50-300次/分钟，较 佳地70-150次/分钟。
在另一优选例中，步骤a-3)所述振动处理的处理时间为5-20分钟。
在另一优选例中，步骤a-4)所述热压烧结在真空或惰性气氛下进行。
在另一优选例中，步骤a-4)所述热压烧结的处理温度为800-1200℃，较佳 地900-1100℃，更佳地1000-1100℃。
在另一优选例中，步骤a-4)所述热压烧结的处理时间为10-60min，较佳地 20-40min。
在另一优选例中，步骤a-4)所述热压烧结的热压力为20-80MPa。
图1是本发明复合材料的制备工艺示意图。其中，通过混料机带动物料在 以3500转/分钟自转的同时以1000～2000转/分钟公转，以这种双中心不对称的高 速旋转混合方式，实现细颗粒金属铜均匀包覆在粗颗粒鳞片石墨片层的表面； 通过将装有混合物料的模具在振动台上以60～300转/分钟的转速在回转式振动 的方式下横纵向振动，这种方式转速可调，振动过程中混合物料中密度较大的 铜较少因为振动的关系在模具底部堆积，对铜、石墨混合混料的均匀性影响较 小，对最终复合材料样品的致密度影响较少。
本发明所述往复式振动平台为可以横纵向振动的汽车模拟运输振动试验 台，其振动动转速度以及振动时间均可根据装载粉体及其装粉模具的质量体积 而调整。
应用
本发明还提供了一种制品，所述制品包含所述的复合材料或由所述的复合材料制成。
在另一优选例中，所述制品包括(但并不限于)：散热部件、超高导热部 件。
与现有技术相比，本发明具有以下主要优点：
(1)所述复合材料中石墨片层和铜层之间结合强度好，所述石墨片层定 向排列化程度高，所述铜层均匀分布于石墨片层表面；
(2)所述复合材料热导率高、热膨胀小，非常适宜应用于散热(或导热) 材料；
(3)所述复合材料的性能非常均匀；
(4)所述制备方法工艺简单、快速、成本低、非常适宜工业化推广；
(5)所述制备方法中，采用“双中心高速混料机”进行混料处理可以使得金 属铜粉均匀吸附于石墨片层表面，从而显著提高所述铜粉的分散均匀性；
(6)所述制备方法中，采用“往复式振动平台”进行振动处理可以显著提高 所述石墨片层的定向排列化程度，同时并不会引起大密度金属铜粉的沉降。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明 本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通 常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则百分比和份数 按重量计算。
除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉 的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明 方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
实施例1石墨-铜复合材料1
石墨-铜混合物的制备(石墨粉体积分数为60vol.％)
取粒径为500μm的鳞片状石墨粉(63g)和粒径为7μm的金属铜粉(178g)和少 量酒精(10g)放在双中心高速混料机中混合均匀制成混合粉末，混料速度在1500 转/分钟，按混合粉末总体积分数计算，鳞片石墨占60vol.％，铜粉占40vol.％， 混料1分钟，混合后的金属铜粉粘附在石墨片上，得到石墨-铜混合物1。
图2为实施例1所得石墨-铜混合物1的光学显微照片，图3为实施例1所得石 墨-铜混合物1的扫描电子显微照片。
从图2和图3可以看出：颗粒状铜粉均匀地覆盖在石墨片表面。
石墨-铜复合材料的制备
将上述石墨-铜混合物1取出200克放入石墨模具中，将模具放在往复式振动 平台上，振动动转速度90转/分钟，振动时间10分钟。
将上述经过高速混合以及横纵向振动后的混合粉末连同石墨模具放入真 空热压烧结炉中，抽真空至真空度约为10-220Pa，升温速率为15℃/min，升温 至1060℃，保温30min，热压压力40MPa，然后随炉冷却至室温。脱模，得到石 墨-铜复合材料1。
图4为实施例1所得石墨-铜复合材料1的扫描电子显微照片，其中，a为平行 于压力方向的扫描电镜照片(即断面)，b为垂直于压力方向的扫描电镜照片(即 表面)。
在石墨-铜复合材料1中，从图4a中可以看出：片层石墨分布均匀、片层定 向排列程度较高；从图4b中可以看出：该复合材料1的界面结合非常好。
经进一步测算，该石墨-铜复合材料1的密度为4.96g/cm3；25℃测量时复合 材料1中垂直于压力方向(即沿石墨片层方向，亦即X-Y方向)的热导率为 886W/m·K，垂直于X-Y方向的热导率为69W/m·K；复合材料1的热膨胀系数为 6.3ppm/K。
实施例2石墨-铜复合材料2
同实施例1，区别在于：石墨粒径为600μm～800μm。
实施例2所得复合材料2的石墨片层方向热导率为904W/m·K，垂直于石墨 片层方向热导率为66W/m·K，且该复合材料2的热膨胀系数为6.02ppm/K。
实施例3石墨-铜复合材料3
同实施例1，区别在于：石墨粉体积分数为40vol.％(即用量为42g)。
实施例3所得复合材料3的石墨片层方向热导率为685W/m·K，垂直于石墨 片层方向热导率为112W/m·K。
实施例4石墨-铜复合材料4
同实施例1，区别在于：石墨粉体积分数为70％vol.％(即用量为74g)。
实施例4所得复合材料4的X-Y方向热导率为932W/m·K，垂直于X-Y方向热 导率为61W/m·K。
实施例5石墨-铜复合材料5
同实施例1，区别在于：石墨粉体积分数为50vol.％(即用量为53g)。
实施例5所得复合材料5的X-Y方向热导率为754W/m·K，垂直于X-Y方向的 热导率为107W/m·K。
表1为实施例1，3-5中以不同体积分数的石墨粉制备所得复合材料的密度、 热容、热扩散系数、热导率和抗弯强度的测试结果。
表1
实施例6石墨-铜复合材料6
同实施例1，区别在于：石墨粉体积分数为80vol.％(即用量为84g)。
实施例6所得的复合材料6平行于X-Y方向的热导率为801W/m·K，垂直于 X-Y方向的热导率为51W/m·K。
实施例7石墨-铜复合材料7
同实施例1，区别在于：石墨粉体积分数为30vol.％(即用量为31.5g)。
实施例7所得复合材料7平行于X-Y方向的热导率为592W/m·K，垂直于X-Y 方向的热导率为124W/m·K。
图5为本发明所述石墨-铜复合材料的热导率随着石墨粉体积分数的变化情 况。
从图5可以看出：随着石墨粉体积分数的增多，复合材料沿着X-Y方向的热 导率呈现先上升后下降的趋势，而复合材料沿着Z方向的热导率则呈现一直下 降的趋势。上述结果表明：随着制备本发明复合材料所使用的石墨粉体积分数 的增加，石墨片层X-Y方向的热导率高的优势能较好地发挥出来，但体积分数 增大导致的复合材料中空隙变多又会降低复合材料的热导率，两种因素对复合 材料最终的影响是石墨体积分数增多，复合材料热导率增加，但到了一个临界 的体积分数时，复合材料X-Y方向热导率开始下降；而复合材料Z方向热导率则 随着复合材料中石墨粉体积分数的增大和金属铜粉体积分数的减小不断减小。
对比例1复合材料C1
同实施例1，区别在于：将石墨粉、铜粉和少量酒精的混合物直接进行热 压烧结处理，得到复合材料C1。
表2为对比例1所得复合材料C1与实施例1所得复合材料1的性能对比。
表2
从表2可以看出：相比于直接混合烧结制得的复合材料C1，本发明所述经 特定的“双中心高速混料机+往复式振动平台”处理后再烧结所得复合材料1 在X-Y方向呈现出更优的热扩散系数、热导率和抗弯强度。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献 被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后， 本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申 请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种石墨-铜复合材料，其特征在于，所述复合材料由定向平行排列的石墨片层和铜层经热压烧结而成，且所述复合材料沿平行于X-Y方向的热导率与所述复合材料沿垂直于X-Y方向的热导率的比值≥4，且所述复合材料沿平行于X-Y方向的热导率≥500W/m·K，其中X-Y方向为同时平行于所述石墨片层和所述铜层的方向；
所述复合材料是如下制备的：
a-1)提供包含石墨粉、铜粉和有机溶剂的第一混合物；
a-2)采用双中心高速混料机将所述第一混合物混料均匀，得到第二混合物；
a-3)采用往复式振动平台对所述第二混合物进行振动处理，得到第三混合物；
a-4)热压烧结所述第三混合物，得到所述复合材料；
且按所述第一混合物的总体积计，所述石墨粉的体积分数为30-80％。
2.如权利要求1所述复合材料，其特征在于，所述复合材料为所述石墨片层和所述铜层相间分步的层状组织。
3.如权利要求1所述复合材料，其特征在于，所述复合材料沿平行于X-Y方向的热导率≥600W/m·K。
4.如权利要求1所述复合材料，其特征在于，所述铜层均匀分布于所述石墨片层之间。
5.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述复合材料具有选自下组的一个或多个特征：
1)所述复合材料的密度为3-10g/cm3；
2)所述复合材料的热膨胀系数为4-10ppm/K；
3)所述复合材料的热容为0.3-2J/gK；
4)所述复合材料沿X-Y方向的热扩散系数为150-500mm2/s；
5)所述复合材料沿Z方向的热扩散系数为15-50mm2/s；
6)所述复合材料沿X-Y方向的抗弯强度为42-150MPa；
7)所述复合材料沿Z方向的抗弯强度为40-120MPa。
6.一种权利要求1所述复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
a-1)提供包含石墨粉、铜粉和有机溶剂的第一混合物；
a-2)采用双中心高速混料机将所述第一混合物混料均匀，得到第二混合物；
a-3)采用往复式振动平台对所述第二混合物进行振动处理，得到第三混合物；
a-4)热压烧结所述第三混合物，得到权利要求1所述复合材料。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，按所述第一混合物的总体积计，所述石墨粉的体积分数为30-80％。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述双中心高速混料机同时包括如下两种搅拌方式：
i)以与水平面成30-60°夹角的直线为中心线进行的自转；和
ii)以垂直于水平面的直线为中心线进行的公转。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述往复式振动平台的振动方向沿水平面方向。
10.一种制品，其特征在于，所述制品包含权利要求1所述的复合材料或由权利要求1所述的复合材料制成。
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