CN108893636A - 一种高导热各向同性石墨球增强铝基复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高导热各向同性石墨球增强铝基复合材料的制备方法，属于金属材料领域。铝基复合材料由纯铝粉末、石墨球组成，纯铝粉末体积分数为40％‑80％，石墨球体积分数为20％‑60％。生产工艺步骤为：先将相应体分配比的纯铝粉末和石墨球粉末进行混合，然后将混合粉末一起放入石墨模具进行放电等离子烧结，得到具有高体积分数、高热导、高致密度和近似各向同性的石墨球‑铝基复合材料。本发明制备出热导率近似各向同性的石墨球‑铝基复合材料，且制备的复合材料致密度高、组织分布均匀，可实现大批量生产、生产成本低、实用化程度高。该材料热导率近似各向同性，XY方向可达到227.61W·m‑1·K‑1，Z方向能达到187.27W·m‑1·K‑1。热膨胀系数室温条件下在6.4‑10.6×10‑6K‑1之间波动，致密度达到98％以上。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域，特别涉及一种石墨球-铝基复合材料(SphericalGraphite-Aluminum Matrix Composites，SGAMC)及其制备方法。
背景技术
石墨基面方向上能展现高效的导热性质，理论导热高达2000W·m-1·K-1。在垂直于石墨片层方向，石墨片层间的范德华力结合到一起，片层间理论间距为远大于石墨片层中相邻碳原子间的间距因此在垂直于石墨片层方向声子传播受到的散射作用大，热导率较低，理论值仅为6W·m-1·K-1。
天然石墨具有高度各向异性，其石墨片层方向热导率在50-1500W·m-1·K-1之间。其平面方向热导率的大小主要由石墨片层的结构所决定。热解石墨与天然石墨的结构相似，只是其晶粒沿石墨层片方向高度定向的类似石墨单晶的石墨，由热解炭在压力(10MPa)下高温热处理(3200℃以上)得到，层面方向热导率高达1600-2000W·m-1·K-1。天然石墨和热解石墨热导率均具有热导率高度各向异性。
作为工程材料的铝有着良好的导电性能和导热性能，其热导率为220W·m-1·K-1，热膨胀系数为23.8×10-6K-1。因此，由天然石墨或热解石墨颗粒和铝组成的双连通结构复合材料(NGAMC,Natural Graphite-Aluminum Matrix Composites)或(PGAMC，PyrolyticGraphite-Aluminum Matrix Composites)具有优异的导热性能和较小的热膨胀系数，是高性能电子装备用最有发展前景的新一代封装材料之一。目前，NGAMC或PGAMC材料较为成熟的制备方法主要有高温高压烧结法、气体或机械压力熔渗法以及SPS烧结法。这些方法可以灵活的设计基体合金成分和增强体的类型，因而材料性能的可设计性方面有着独特的优势。但是，NGAMC或PGAMC复合材料的热导率具有高度的各向异性，XY方向和Z方向的差异较大。在实际应用过程中受到重重阻碍。
发明内容
本发明目的是要解决传统NGAMC或PGAMC复合材料的热导率具有高度各向异性的问题，提供一种高导热各向同性石墨球增强铝基复合材料及其制备方法，能采用较低的生产成本直接制备出近似各向同性的高热导SGAMC复合材料。
一种高导热各向同性石墨球增强铝基复合材料的制备方法，复合材料由纯铝粉末、石墨球组成，其中纯铝粉末体积分数为40％-80％，纯铝粉末粒径为15-95μm。石墨球体积分数为20％-60％，石墨球粒径为1-100μm。
本发明采用机械混合法对石墨球和纯铝粉末进行混合，机械混合时间要足够长以保证石墨球和纯铝粉末的充分混合，然后将混合粉末一起装填入Φ10mm石墨模具进行放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering，简称SPS)，得到具有高体积分数、高热导、高致密度和近似各向同性的石墨球-铝基复合材料。具体工艺步骤为：
1.称量：按相应要求的配比，称取石墨球和纯铝粉末；
2.混合：将称量的粉末进行机械混合，混粉机转速为60rpm，混粉机转速不易过高，混粉时间为6-8h；
3.复合材料制备：将经过机械混合的粉末装填入Φ10mm石墨模具进行放电等离子烧结，烧结压力为30MPa，升温至400-650℃保温5-10分钟，随炉水冷冷却至室温，即得到石墨球-铝基复合材料。
本发明使用高导热各向同性的石墨球增强铝基，制备热导率近似各向同性的复合材料。该复合材料能较好的满足电子元器件和集成电路板封装以及热沉材料的使用要求。
本发明所制备的SGAMC复合材料，与现有的NGAMC和PGAMC封装材料相比具有以下的优点：
1.石墨球-铝复合材料同时结合了石墨球优异的各向同性导热性能、极低的热膨胀性能以及铝的高导热性能、导电性能和塑性的一系列优点，在电子封装和热沉材料领域有着巨大的发展应用潜力。
2.采用放电等离子烧结制备高致密度SGAMC复合材料，可以实现热导率近似各向同性的石墨球-铝基复合材料，同时SGAMC复合材料解决了金刚石增强铝基复合材料(DAMC)材料后续机械加工困难的难题，降低了生产成本。
综上所述，本发明所生产的SGAMC复合材料具有近似各向同性高热导率、低热膨胀系数的优异性能，该复合材料的制备方法简单可靠，热导率各向同性度较好。
附图说明
图1为本发明的放电等离子烧结过程示意图；
图2为实例中石墨球粉末的FESEM照片；
具体实施方式
实施例1：450℃下制备石墨球-铝基复合材料
将平均粒径为50μm的石墨球和平均粒径为48μm的铝粉按照设定的体积比率进行机械混合，在混料机上混合6小时。
将经过机械混合的粉末装填入Φ10mm石墨模具进行放电等离子烧结，烧结压力为30MPa，升温至200℃保温5-10分钟，随炉水冷冷却至室温，即得到石墨球-铝基复合材料。
实施例2：500℃下制备石墨球-铝基复合材料
将平均粒径为50μm的石墨球和平均粒径为48μm的纯铝粉末按照设定的体积比进行机械混合，在混料机上混合6小时。
将经过机械混合的粉末装填入Φ10mm石墨模具进行放电等离子烧结，烧结压力为30MPa，升温至350℃保温5-10分钟，随炉水冷冷却至室温，即得到石墨球-铝基复合材料。
实施例3：550℃下制备石墨球-铝基复合材料
将平均粒径为50μm的石墨球和平均粒径为48μm的纯铝粉末按照设定的体积比进行机械混合，在混料机上混合6小时。
将经过机械混合的粉末装填入Φ10mm石墨模具进行放电等离子烧结，烧结压力为30MPa，升温至400℃保温5-10分钟，随炉水冷冷却至室温，即得到石墨球-铝基复合材料。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上说明是为了帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (2)
1.一种高导热各向同性石墨球增强铝基复合材料的制备方法，其特征为复合材料由纯铝粉末、石墨球组成，其中纯铝粉末体积分数为40％-80％，粒径为15-95μm；石墨球体积分数为20％-60％，石墨球颗粒粒径为1-100μm；
制备过程采用机械混合法对石墨球和纯铝粉末进行混合，机械混合时间要足够长以保证石墨球和纯铝粉末的充分混合，然后将混合粉末一起装填入石墨模具进行放电等离子烧结，得到热导率近似各向同性的石墨球-铝基复合材料，且制备的复合材料致密度高、组织分布均匀。
2.如权利要求1所述一种高导热各向同性石墨球增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，具体工艺步骤为：
1).称量：按相应要求的配比，称取石墨球和纯铝粉末；
2).混合：将称量的粉末进行机械混合，混粉机转速为60rpm，混粉过程中转速不易过高，混粉时间为6-8h；
3).复合材料制备：将经过机械混合的粉末装填入Φ10mm石墨模具进行放电等离子烧结，烧结压力为30MPa，升温至400-650℃保温5-10分钟，随炉水冷冷却至室温，即得到石墨球-铝基复合材料。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20181127 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |