CN111636006A - 一种铝硅合金石墨复合导热材料及其制备与应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铝硅合金石墨复合导热材料及其制备与应用，所述铝硅合金石墨复合导热材料是将铝硅合金粉末与石墨填料混合后，再对所得混合料于真空条件下经热压烧结后制备得到的；于所述的材料中，石墨填料均匀分散于铝硅合金基体。本发明所提供的材料具有较高的导热率、较高的致密性、较高的有效强度以及较低的热膨胀系数，可将其用于制作高功率电子器件，以解决高功率电子器件所存在的导热难题。

Description

一种铝硅合金石墨复合导热材料及其制备与应用

技术领域

本发明涉及一种铝硅合金石墨复合导热材料及其制备与应用，属于热管理材料技术领域。

背景技术

随着电子器件不断向小型化、轻量化和高性能方向发展，其功率密度不断增加、单位体积的发热量越来越大。温度升高会导致封装材料与芯片之间热应力增大，过热时将严重影响电子产品的性能、可靠性以及使用寿命。因此，高功率电子器件的导热难题成为人们亟需解决的课题。

传统的导热方式如对流换热和强迫风冷已经难以满足高功率电子器件的导热要求，最好的方法是依赖热管理材料的技术变革。热管理材料应具有高的导热率，同时需要具有与芯片或半导体材料相匹配的低热膨胀系数，以避免受热过程中变形不均匀，进而引发电子器件焊点剥落，电路失效等严重后果；还应具有优良的可加工性以及满足一定的力学性能要求。

近年来，金属基复合材料因其具有可设计的导热系数与热膨胀系数的特点被应用于热管理材料领域，特别是铝基复合石墨复合材料。传统的热管理材料，例如纯铜虽然有较高的热导率(398W/m·K)，但是其热膨胀系数高达17.5x10^-6/℃，与半导体芯片材料Si(2.5x10^-6/℃)或GaAs(6.4x10^-6/℃)的热膨胀系数相差较大。纯铝密度2.7g/cm³，室温下的热导率约为238W/(m·K)，但是质软且熔点非常高，不利于作为结构件和加工处理。铝合金具有密度小，强度高，加工简单等良好的综合性能，但是根据金属的自由电子导热机制，随着铝基体合金元素的加入，组织中晶格畸变、缺陷、相组成及分布发生变化，热导率逐渐降低。因此，铝基复合石墨复合材料可以充分利用石墨片填料具有较大的热导率(1100W/m·K)和负的热膨胀系数(沿石墨片层方向为-1.5x10^-6/℃)。此外，石墨的密度(2.25g/cm³)接近铝的密度，在制备过程中可以避免密度差导致的分层现象，具有较好的可加工性。由此可见，石墨是铝基导热复合材料的理想添加物，开展高导热、低热膨胀铝基复合材料具有实际的工程应用价值和市场前景。

根据美国空军电子工业部门的统计，电子产品失效的原因，大约有55％是由于过热及热相关的问题造成的。研究还表明，半导体组件温度每升高10℃，其可靠性即降低50％，当元器件在较高温下工作时，其失效率随温度升高呈指数关系。

可见，电子系统及设备的导热问题已经成为制约高功率器件发展与应用的瓶颈，造成了严重的安全事故和经济损失。另外，据原材料市场价格反应，铝基合金材料价格大致在30000HK$/ton，本发明涉及铝基复合石墨复合材料预计价格在20000HK$/ton，具有非常好的市场竞争力。

目前，导热用铝-石墨片复合材料的研究主要集中在制备工艺及界面结构对材料导热性能的影响等方面。现有工艺制备技术常用工艺为粉末冶金方法制备，但是在制备过程中，主要是有如下三方面的困难：(1)通过先压制再烧结的方法制备铝基石墨复合材料，因铝金属粉末表面易氧化，导致烧结致密度过低，复合材料的强度受损；(2)纯铝熔点较高(660℃)，制备铝基复合材料需要在500℃以上高温长时间烧结才能形成致密组织，容易导致铝和石墨界面形成有害的界面反应相Al₄C₃，导致复合材料强度急剧降低，容易碎裂；(3)由于铝和石墨的热膨胀系数相差较大，在烧结过程中容易在界面处产生局部变形，造成铝和石墨界面开裂，损伤复合材料的导热率和强度。还有研究者尝试采用浸渗法，其包含压力浸渗和气压浸渗制备铝-石墨片复合材料，研究者发现石墨片在压力下彼此重叠，Al原子很难扩散或者浸渗到石墨片层之间，导致铝基体与石墨片的复合成形存在很大困难，进而影响到材料的热导率。也有研究者采用放电等离子烧结法制备得到铝-石墨片复合材料，但是发现复合材料组织中石墨片容易受压力作用而呈弯曲状态。

虽然铝-石墨复合材料具有很大的潜力，但现有研究报道的铝-石墨复合材料的导热性能并不十分理想，对于铝基石墨复合材料的开发并不顺利，这主要是因为影响铝-石墨复合材料导热特性的因素有很多，如石墨填料的种类、形状、尺寸、体积分数、取向及界面结构等。

因此，提供一种新型的铝硅合金石墨复合导热材料及其制备与应用已经成为本领域亟需解决的技术问题。

发明内容

为了解决上述的缺点和不足，本发明的一个目的在于提供一种铝硅合金石墨复合导热材料。

本发明的另一个目的还在于提供以上所述铝硅合金石墨复合导热材料的制备方法。

本发明的又一个目的还在于提供以上所述铝硅合金石墨复合导热材料在制作高功率电子器件中的应用。

为了实现以上目的，一方面，本发明提供了一种铝硅合金石墨复合导热材料，其中，所述铝硅合金石墨复合导热材料是将铝硅合金粉末与石墨填料混合后，再对所得混合料于真空条件下经热压烧结后制备得到的；于所述的材料中，石墨填料均匀分散于铝硅合金基体。

在以上所述的材料中，优选地，以所述混合料的总重量为100％计，所述石墨填料的含量为5-20wt％，所述铝硅合金粉末的含量为80-95wt％。

在以上所述的材料中，优选地，以所述铝硅合金粉末的总重量为100％计，铝硅合金粉末中Si的含量为12-20wt％。

在以上所述的材料中，优选地，所述石墨填料包括鳞片石墨片、石墨烯、碳纳米管、石墨泡沫中的一种或几种的组合。

在以上所述的材料中，优选地，所述热压烧结的温度为350-450℃，压力为30-45MPa，时间为30-90min。

优选地，以上所述材料的密度为1.685-2.212g/cm³，抗弯曲强度为2.1-17.5MPa，热导率为15.4-46.8W/m·K；在温度为50℃的条件下，所述材料的热膨胀系数为11.6-14.1x10^-6/℃。

另一方面，本发明还提供了以上所述铝硅合金石墨复合导热材料的制备方法，其中，所述制备方法包括：

(1)将铝硅合金粉末与石墨填料混合，得到混合料；

(2)再对所述混合料于真空条件下进行热压烧结，得到所述铝硅合金石墨复合导热材料。

在以上所述的制备方法中，优选地，以所述混合料的总重量为100％计，所述石墨填料的含量为5-20wt％，所述铝硅合金粉末的含量为80-95wt％。

在以上所述的制备方法中，优选地，所述热压烧结的温度为350-450℃，压力为30-45MPa，时间为30-90min。

在以上所述的制备方法中，所述热压烧结为真空热压烧结成型，具体是指在氩气气氛氛围下对混合料进行加热并同时加压，以使混合料成型并烧结得到铝硅合金石墨复合导热材料；

热压烧结可于本领域常规使用的热压烧结设备中进行，例如在本发明具体实施方式中，所述热压烧结设备为合肥科晶材料技术有限公司制造的型号OTF-1200X-VHP4真空热压机，其在使用过程中无需外界条件保护，可实现在真空高压条件下制备致密化合物材料。

本发明所提供的制备方法通过将高导热石墨填料与铝硅合金粉末复合制备铝硅合金石墨复合导热材料，一方面可以发挥石墨填料的高导热性能，另一方面还可以通过调控填料的添加量来实现所述铝硅合金石墨复合导热材料具有与芯片或半导体材料相匹配的热膨胀系数。

又一方面，本发明还提供了以上所述铝硅合金石墨复合导热材料在制作高功率电子器件中的应用。

本发明以铝硅合金粉末与石墨填料为原料采用热压烧结制备具有高导热率、低热膨胀系数的铝硅合金石墨复合导热材料，具有如下几个方面的优势：

(1)热压烧结设备成本低，制备技术简单，效率高，有利于大规模工业产业化推广；

(2)热压烧结制备技术是在提供压力的同时进行高温烧结成型，简化了工艺流程，缩短了制备时间，提高了生产效率，具有较好的经济价值；

(3)采用铝硅合金粉末替代原有纯铝粉末，可以提高材料在高温下的流动性，进而有效提高粉末冶金材料的致密度；

(4)在一定压强和温度下可以有效压挤铝硅合金粉末，促使表面的氧化物层破裂，有助于烧结致密性的提高；

(5)在压力与温度共同作用下，可以有效降低热处理时间，降低有害界面相的生成，保证材料强度；

(6)通过高压烧结作用，可以有效降低铝硅合金粉末与石墨之间的间隙，避免孔洞的形成，提高材料致密性和有效强度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a为本发明实施例10中制备得到的材料10#(圆形薄片)的图片。

图1b为本发明实施例10中制备得到的材料10#的水平面面金相图片。

图1c为本发明实施例10中制备得到的材料10#(圆柱状)的图片。

图1d为本发明实施例10中制备得到的材料10#的横截面金相图片。

图2为本发明实施例中混合料中不同鳞片石墨片含量对所得材料导热率及密度的影响曲线。

图3为本发明实施例中不同热压强度对所得材料导热率的影响曲线。

图4为本发明实施例中不同热压成型温度对所得材料导热率的影响曲线。

图5为本发明实施例中不同热压成型时间对所得材料导热率的影响曲线。

图6为本发明实施例中不同热压工艺方案对所制备得到的材料在50-250℃区间热膨胀系数的影响曲线。

图7为本发明实施例中材料0#、7#及9#-10#的三点金属抗弯曲强度测试结果图。

图8为本发明实施例中材料10#的脆性断裂示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现结合以下具体实施例对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

实施例1

本实施例提供了一种铝硅合金石墨复合导热材料，其是将干燥后的铝硅合金粉末基体材料(湖南宁乡吉唯信金属粉体材料有限公司生产的铝硅合金粉末，粒径为2-8μm，近球形状)与干燥后的鳞片石墨片增强体(Graphite Flakes，简记为GF，其为江苏南京先丰纳米材料科技有限公司生产的编号为XF050的高纯鳞片石墨，目数为80目，纯度为99.9wt％)于玻璃杯中混合均匀后；

将所得混合料压实在石墨模具中，再于真空条件下经热压烧结后制备得到的，本实施例中所制备得到的铝硅合金石墨复合导热材料记为材料1#，材料1#中，鳞片石墨均匀分布在基体材料铝硅合金粉末Al-20％Si中，未出现搭桥现象；

其中，所述热压烧结于合肥科晶材料技术有限公司制造的型号OTF-1200X-VHP4真空热压机中进行，升温速率为10℃/min，为满足不同测试仪器对所制备得到的材料样品尺寸的要求，分别定制两套圆形压力石墨模具，直径

分别为12.7mm和6mm,高度h为50mm，在真空热压机的石英玻璃管内充填99.999％高纯氩气保护；

以所述混合料的总重量为100％计，所述鳞片石墨片的含量为15wt％，所述铝硅合金粉末的含量为85wt％；

以所述铝硅合金粉末的总重量为100％计，铝硅合金粉末中Si的含量为20wt％；此时的铝硅合金粉末记为Al-20％Si；

所述热压烧结的温度为350℃，压力为35MPa，时间为30min。

实施例2

本实施例提供了一种铝硅合金石墨复合导热材料，其是将铝硅合金粉末Al-20％Si(同实施例1)与鳞片石墨片(同实施例1)混合后，将所得混合料压实在石墨模具中，再于真空条件下经热压烧结后制备得到的，其中，本实施例热压烧结过程所用的真空热压机及所述石墨模具均与实施例1相同；

本实施例中制备得到的铝硅合金石墨复合导热材料记为材料2#，材料2#中，鳞片石墨均匀分布在基体材料铝硅合金粉末Al-20％Si中，未出现搭桥现象；

其中，以所述混合料的总重量为100％计，所述鳞片石墨片的含量为15wt％，所述铝硅合金粉末Al-20％Si的含量为85wt％；

所述热压烧结的温度为400℃，压力为35MPa，时间为30min。

实施例3

本实施例提供了一种铝硅合金石墨复合导热材料，其是将铝硅合金粉末Al-20％Si(同实施例1)与鳞片石墨片(同实施例1)混合后，将所得混合料压实在石墨模具中，再于真空条件下经热压烧结后制备得到的，其中，本实施例热压烧结过程所用的真空热压机及所述石墨模具均与实施例1相同；

本实施例中制备得到的铝硅合金石墨复合导热材料记为材料3#，材料3#中，鳞片石墨均匀分布在基体材料铝硅合金粉末Al-20％Si中，未出现搭桥现象；

其中，以所述混合料的总重量为100％计，所述鳞片石墨片的含量为15wt％，所述铝硅合金粉末Al-20％Si的含量为85wt％；

所述热压烧结的温度为450℃，压力为35MPa，时间为30min。

实施例4

本实施例提供了一种铝硅合金石墨复合导热材料，其是将铝硅合金粉末Al-20％Si(同实施例1)与鳞片石墨片(同实施例1)混合后，将所得混合料压实在石墨模具中，再于真空条件下经热压烧结后制备得到的，其中，本实施例热压烧结过程所用的真空热压机及所述石墨模具均与实施例1相同；

本实施例中制备得到的铝硅合金石墨复合导热材料记为材料4#，材料4#中，鳞片石墨均匀分布在基体材料铝硅合金粉末Al-20％Si中，未出现搭桥现象；

其中，以所述混合料的总重量为100％计，所述鳞片石墨片的含量为15wt％，所述铝硅合金粉末Al-20％Si的含量为85wt％；

所述热压烧结的温度为450℃，压力为30MPa，时间为30min。

实施例5

本实施例提供了一种铝硅合金石墨复合导热材料，其是将铝硅合金粉末Al-20％Si(同实施例1)与鳞片石墨片(同实施例1)混合后，将所得混合料压实在石墨模具中，再于真空条件下经热压烧结后制备得到的，其中，本实施例热压烧结过程所用的真空热压机及所述石墨模具均与实施例1相同；

本实施例中制备得到的铝硅合金石墨复合导热材料记为材料5#，材料5#中，鳞片石墨均匀分布在基体材料铝硅合金粉末Al-20％Si中，未出现搭桥现象；

其中，以所述混合料的总重量为100％计，所述鳞片石墨片的含量为15wt％，所述铝硅合金粉末Al-20％Si的含量为85wt％；

所述热压烧结的温度为450℃，压力为40MPa，时间为30min。

实施例6

本实施例提供了一种铝硅合金石墨复合导热材料，其是将铝硅合金粉末Al-20％Si(同实施例1)与鳞片石墨片(同实施例1)混合后，将所得混合料压实在石墨模具中，再于真空条件下经热压烧结后制备得到的，其中，本实施例热压烧结过程所用的真空热压机及所述石墨模具均与实施例1相同；

本实施例中制备得到的铝硅合金石墨复合导热材料记为材料6#，材料6#中，鳞片石墨均匀分布在基体材料铝硅合金粉末Al-20％Si中，未出现搭桥现象；

其中，以所述混合料的总重量为100％计，所述鳞片石墨片的含量为15wt％，所述铝硅合金粉末Al-20％Si的含量为85wt％；

所述热压烧结的温度为450℃，压力为45MPa，时间为30min。

实施例7

本实施例提供了一种铝硅合金石墨复合导热材料，其是将铝硅合金粉末Al-20％Si(同实施例1)与鳞片石墨片(同实施例1)混合后，将所得混合料压实在石墨模具中，再于真空条件下经热压烧结后制备得到的，其中，本实施例热压烧结过程所用的真空热压机及所述石墨模具均与实施例1相同；

本实施例中制备得到的铝硅合金石墨复合导热材料记为材料7#，材料7#中，鳞片石墨均匀分布在基体材料铝硅合金粉末Al-20％Si中，未出现搭桥现象；

其中，以所述混合料的总重量为100％计，所述鳞片石墨片的含量为5wt％，所述铝硅合金粉末Al-20％Si的含量为95wt％；

所述热压烧结的温度为450℃，压力为45MPa，时间为60min。

实施例8

本实施例提供了一种铝硅合金石墨复合导热材料，其是将铝硅合金粉末Al-20％Si(同实施例1)与鳞片石墨片(同实施例1)混合后，将所得混合料压实在石墨模具中，再于真空条件下经热压烧结后制备得到的，其中，本实施例热压烧结过程所用的真空热压机及所述石墨模具均与实施例1相同；

本实施例中制备得到的铝硅合金石墨复合导热材料记为材料8#，材料8#中，鳞片石墨均匀分布在基体材料铝硅合金粉末Al-20％Si中，未出现搭桥现象；

其中，以所述混合料的总重量为100％计，所述鳞片石墨片的含量为10wt％，所述铝硅合金粉末Al-20％Si的含量为90wt％；

所述热压烧结的温度为450℃，压力为45MPa，时间为60min。

实施例9

本实施例提供了一种铝硅合金石墨复合导热材料，其是将铝硅合金粉末Al-20％Si(同实施例1)与鳞片石墨片(同实施例1)混合后，将所得混合料压实在石墨模具中，再于真空条件下经热压烧结后制备得到的，其中，本实施例热压烧结过程所用的真空热压机及所述石墨模具均与实施例1相同；

本实施例中制备得到的铝硅合金石墨复合导热材料记为材料9#，材料9#中，鳞片石墨均匀分布在基体材料铝硅合金粉末Al-20％Si中，未出现搭桥现象；

其中，以所述混合料的总重量为100％计，所述鳞片石墨片的含量为15wt％，所述铝硅合金粉末Al-20％Si的含量为85wt％；

所述热压烧结的温度为450℃，压力为45MPa，时间为60min。

实施例10

本实施例提供了一种铝硅合金石墨复合导热材料，其是将铝硅合金粉末Al-20％Si(同实施例1)与鳞片石墨片(同实施例1)混合后，将所得混合料压实在石墨模具中，再于真空条件下经热压烧结后制备得到的，本实施例中制备得到的铝硅合金石墨复合导热材料记为材料10#；

其中，所述热压烧结于合肥科晶材料技术有限公司制造的型号OTF-1200X-VHP4真空热压机中进行，升温速率为10℃/min，为满足不同测试仪器对所制备得到的材料样品尺寸的要求，分别定制两套圆形压力石墨模具，直径

分别为12.7mm和6mm,高度h为50mm，在真空热压机的石英玻璃管内充填99.999％高纯氩气保护；

以所述混合料的总重量为100％计，所述鳞片石墨片的含量为20wt％，所述铝硅合金粉末Al-20％Si的含量为80wt％；

所述热压烧结的温度为450℃，压力为45MPa，时间为60min。

图1a为材料10#的图片，从图1a中可以看出，铝硅合金粉末Al-20％Si在经过热压烧结处理后形成了致密的圆形薄片，直径

为12.7mm，厚度h为2mm，尺寸符合导热分析仪对测试样品的要求；此外，该圆形薄片样品呈浅灰色，表明惰性氩气氛围保护下高温制备过程未发生氧化，样品表面分布有黑色石墨粉；

图1b为材料10#的水平面金相图片，从图1b中可以看出，鳞片石墨均匀分布在基体材料铝硅合金粉末Al-20％Si中，未出现搭桥现象；

图1c为材料10#的图片，从图1c中可以看出，材料10#为圆柱状，具有金属光泽，直径

为6mm，高度h为20mm，尺寸符合热膨胀仪对测试样品的要求；

图1d为材料10#的横截面金相图片，从图1d中可以看出，所述铝硅合金石墨复合导热材料内部存在疏松的孔洞，在受到压力时容易出现脆性断裂。

实施例11

本实施例提供了一种铝硅合金石墨复合导热材料，其是将铝硅合金粉末Al-20％Si(同实施例1)与鳞片石墨片(同实施例1)混合后，将所得混合料压实在石墨模具中，再于真空条件下经热压烧结后制备得到的，其中，本实施例热压烧结过程所用的真空热压机及所述石墨模具均与实施例1相同；

本实施例中制备得到的铝硅合金石墨复合导热材料记为材料11#，材料11#中，鳞片石墨均匀分布在基体材料铝硅合金粉末Al-20％Si中，未出现搭桥现象；

其中，以所述混合料的总重量为100％计，所述鳞片石墨片的含量为15wt％，所述铝硅合金粉末Al-20％Si的含量为85wt％；

所述热压烧结的温度为450℃，压力为45MPa，时间为90min。

对比例1

本对比例提供了一种铝硅合金导热材料，其是对铝硅合金粉末Al-20％Si(同实施例1)于真空条件下经热压烧结后制备得到的，其中，本对比例热压烧结过程所用的真空热压机及所述石墨模具均与实施例1相同；

本对比例中制备得到的铝硅合金导热材料记为材料0#；其中，所述热压烧结的温度为450℃，压力为40MPa，时间为60min。

测试例1

利用本领域现有常规方法对材料0#-材料11#的密度、热导率以及热扩散系数进行测量，所测得的结果如下表1所示。

表1

从表1中可以看出，本发明实施例所提供的铝硅合金石墨复合导热材料的密度范围为1.685g/cm³-2.212g/cm³；并且从表1中还可以看出，通过不同的制备工艺，尤其是通过提高热压强度(从35MPa提高到45MPa)可以明显提高复合材料的密度，从而提高致密度。另外，根据复合材料的密度变化，可以定性观察到复合材料致密度的变化，即复合材料的密度越大，其致密度越高。

测试例2

本测试例考察了不同工艺参数对所制备得到的材料的导热系数的影响，包括：

2.1混合料中鳞片石墨片含量对所制备得到材料导热系数的影响

实施例7-实施例10中，除了混合料中鳞片石墨片含量外的其他工艺参数均相同，因此通过比较实施例7-实施例10中所得到的材料7#-10#的导热系数，考察混合料中不同鳞片石墨片含量对材料导热系数及密度的影响，本发明实施例中采用重庆诺奖二维材料研究院有限公司的LFA467激光导热分析仪分别测试不同材料样品的导热系数，相关实验数据如下表2.1及图2所示。

表2.1

研究认为：石墨片/铝硅合金粉末复合材料与一般金属或无机非金属材料导热不一样，石墨片/铝硅合金粉末复合材料中基体为Al-Si合金，主要依靠自由电子的运动来传递热量；增强体是天然鳞片石墨，主要依靠晶格的振动(即声子)来传递热量。材料中存在着大量的孔隙，加之铝硅合金粉末和石墨片不润滑，其界面结合较差，界面热阻较高，热量在粉末颗粒之间以及铝硅合金粉与石墨片界面之间传递时，电子与声子都会发出很大的散射，使得热量传递受阻，严重影响复合材料的导热系数。

图2为混合料中不同鳞片石墨片含量对所得材料导热率(本发明中的导热率均为垂直于鳞片石墨片Z方向，即垂直于鳞片石墨片平面的轴向方向的导热率)的影响曲线。从表2.1及图2中可以看出：鳞片石墨片的添加，使得所制备得到的复合材料的导热性能明显得到提升，且当鳞片石墨片的质量分数为5wt％时，所得复合材料的导热率达到最大，垂直方向的导热系数可以达到约43.689W/m·K。天然鳞片石墨作为一种高导热填料，依靠其晶格振动(即声子)来传递热量，使铝硅合金石墨复合导热材料表现出优良的热传导性能。但是随着鳞片石墨片含量继续增加，材料的导热率呈下降趋势，主要原因是：铝硅合金石墨复合导热材料的导热性能还同时依靠基体材料的自由电子的运动来传递热量。随着鳞片石墨片含量的增加，铝硅合金粉末颗粒与石墨片之间的界面面积增加，界面热阻增大，加之鳞片状石墨粉增多可能形成“搭桥”现象，阻碍铝硅合金粉末颗粒的流动性，使复合材料致密度降低，甚至形成孔隙。因此，热量在基体材料粉末颗粒之间以及粉末与石墨片界面之间传递时，自由电子运动需要经过更长行程以及声子振动发生较大散射，使得热量传递受阻。本发明选取高硅含量的铝硅合金作为铝硅合金石墨复合导热材料的基体材料，目的是改善基体材料的流动性，最终有利于提高复合材料导热性能。

2.2热压强度对所制备得到材料导热系数的影响

热压强度是影响铝硅合金石墨复合导热材料导热系数(TC)的一个关键工艺参数，在真空热压机石英管内真空环境下通过底部可调整弯管移动液压柱，将压力传输到模具。在压力的作用下，鳞片石墨会自发定向排列，使石墨层片结构垂直于压力方向，同时，热压强度的大小直接影响复合材料的致密度，从而影响材料导热系数。

实施例4、实施例3、实施例5及实施例6中，除了热压强度外的其他工艺参数均相同，因此通过比较实施例4、实施例3、实施例5及实施例6中所得到的材料4#、3#、5#及6#的导热系数，考察不同热压强度对材料导热系数的影响，相关实验数据如下表2.2及图3所示。

表2.2

在压力的作用下，鳞片石墨片会定向排列，层片结构垂直于压力方向，使得复合材料在水平方向的热导率会比垂直方向高。同时，热压强度的大小直接影响复合材料的致密度，从而影响导热系数。图3为不同热压强度对所得材料导热率的影响曲线。从表2.2及图3中可以看出：当热压强度从30MPa增大到35MPa时，从图3可知，当热压强度从30MPa增加到35MPa时，材料的导热性能增加幅度较小，表明所施加的热压强度没有明显地改善复合材料内部界面结合，材料致密度没有得到明显提高；当热压强度增加到40MPa以上时，材料导热率增大，复合材料孔隙得到消除，有利于提高复合材料的导热性能；但继续增大压力可能会改变增强体形貌，改变基体材料与增强体的几何界面，使自有电子与声子的传导受几何界面的散热而减弱，从而降低材料的导热系数。

2.3热压温度对所制备得到材料导热系数的影响

当热压强度增加到一定极限值时，铝硅合金石墨复合导热材料的致密度无法通过压力作用进一步提高，增加热压温度对改善材料界面结构和致密度就显得尤为重要。

实施例1、实施例2及实施例3中，除了热压温度外的其他工艺参数均相同，因此通过比较实施例1、实施例2及实施例3中所得到的材料1#、2#及3#的导热系数，考察不同热压温度对材料导热系数的影响，相关实验数据如下表2.3及图4所示。

表2.3

图4为不同热压成型温度对所得材料导热率的影响曲线。从表2.3及图4中可以看出，当选择热压温度为350℃和400℃等较低温度时，材料的导热率基本不变化，当热压成型温度升高到450℃时，高温熔融铝硅合金粉末基体材料流动性增加，进而可提高铝硅合金石墨复合导热材料的导热性能。由此表明，热压成型温度对材料的导热率是一个重要的工艺参数，直接影响所制备得到的复合材料各组分之间界面的物理或化学反应。

2.4热压时间对所制备得到材料导热系数的影响

实施例6、实施例9及实施例11中，除了热压时间外的其他工艺参数均相同，因此通过比较实施例6、实施例9及实施例11中所得到的材料6#、9#及11#的导热系数，考察不同热压时间对材料导热系数的影响，相关实验数据如下表2.4及图5所示。

表2.4

图5为不同热压成型时间对所得材料导热率的影响曲线。从表2.4及图5中可以看出，在保持一定温度和压力的条件下，随着热压时间的增加，材料的导热系数呈上升趋势，导热系数基本成正比关系增加。真空热压时间为90min时，材料的导热系数约为47W/(m·K)。随着热压时间的增加，材料内部界面结构结合更加稳固，基体材料趋于理想致密。在考虑经济因素的影响下，增加热压时间，可以充分保证复合材料的致密度达到最大化，同时也可提高材料的导热性能。

测试例3

采用WA204A电子万能试验机分别测试材料0#、7#及9#-10#的三点金属抗弯曲强度，其中，圆棒试样尺寸

跨距为18mm，所测得的实验结果如下表3及图7所示。

表3

从表3及图7中可以看出，石墨含量是复合材料强度最重要的影响因素，随着鳞片石墨片质量分数增加到20wt％,所得铝硅合金石墨复合导热材料的抗弯曲强度从46.8462MPa急剧下降到10MPa以下。鳞片石墨片本身强度比较低，随着鳞片石墨片含量的增加，其阻碍了基体材料Al-20％Si合金粉末的致密性，铝硅合金石墨复合导热材料内部出现孔洞，导致脆性断裂，其中材料10#的脆性断裂示意图如图8所示。

本发明实施例所提供的铝硅合金石墨复合导热材料的抗弯曲强度范围在2.1MPa-17.5MPa。

测试例4

本测试例考察不同热压工艺方案对所制备得到的材料的热膨胀系数(CTE)的影响，具体包括：

采用以上所述的石墨模具将材料0#、7#、9#、10#、11#分别制成直径为6mm，高度为20mm的圆柱形热压样品，并采用上海交通大学材料科学与工程院的DIL402热膨胀仪分别测试以上材料样品于不同温度下的热膨胀系数，如表4及图6所示。

表4

图6为5种不同热压工艺方案对所制备得到的材料在50-250℃区间热膨胀系数的影响曲线。图6及表4中的结果表明：各种热压工艺方案所制备得到的样品的热膨胀系数变化曲线基本一致，样品热膨胀系数随着测试温度的升高呈线性增加。50℃下，各热压工艺方案制备的材料均具备较低的热膨胀系数，其大致在(11.6-14.1)x10^-6/℃范围内；而250℃条件下，各热压工艺方案制备得到的材料的热膨胀系数在(18-22)x10^-6/℃。其中，相对于其他样品，7#样品的热膨胀系数最低。

此外，0#、7#、9#、10#、11#样品不同温度下的平均热膨胀系数分别为15.70x10^-6/℃、15.04x10^-6/℃、18.44x10^-6/℃、17.46x10^-6/℃、16.76x10^-6/℃，相较于纯铝热膨胀系数高达25.2x10^-6/℃，铝硅合金石墨复合导热材料中基体材料高硅含量以及低热膨胀系数的石墨填料较好地降低了该铝硅合金石墨复合导热材料的热膨胀系数。

本发明实施例利用高压与高温的综合作用，可获得致密度很高的铝硅合金石墨复合导热材料，其密度值几乎可达理论值；同时，高温下加压有助于坯体料颗粒之间的接触与扩散，从而降低烧结温度，抑制铝碳界面有害相的反应生成，并缩短烧结时间。

此外，于铝基金属材料中加入一定质量分数的Si可以改善复合材料在高温下的流动性，选择的鳞片石墨片是铝硅合金石墨复合导热材料改善导热性和热膨胀系数的理想添加填料。

本发明实施例所提供的铝硅合金石墨复合导热材料还可充分发挥铝基金属材料的轻量化及可加工性等优良综合性能，并将所述复合导热材料拓展应用到热管理材料领域。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术发明之间、技术发明与技术发明之间均可以自由组合使用。

Claims (10)

1.一种铝硅合金石墨复合导热材料，其特征在于，所述铝硅合金石墨复合导热材料是将铝硅合金粉末与石墨填料混合后，再对所得混合料于真空条件下经热压烧结后制备得到的；于所述的材料中，石墨填料均匀分散于铝硅合金基体。

2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，以所述混合料的总重量为100％计，所述石墨填料的含量为5-20wt％，所述铝硅合金粉末的含量为80-95wt％。

3.根据权利要求1或2所述的材料，其特征在于，以所述铝硅合金粉末的总重量为100％计，铝硅合金粉末中Si的含量为12-20wt％。

4.根据权利要求1或2所述的材料，其特征在于，所述石墨填料包括鳞片石墨片、石墨烯、碳纳米管、石墨泡沫中的一种或几种的组合。

5.根据权利要求1或2所述的材料，其特征在于，所述热压烧结的温度为350-450℃，压力为30-45MPa，时间为30-90min。

6.根据权利要求1或2所述的材料，其特征在于，所述材料的密度为1.685-2.212g/cm³，抗弯曲强度为2.1-17.5MPa，热导率为15.4-46.8W/m·K；在温度为50℃的条件下，所述材料的热膨胀系数为11.6-14.1x10^-6/℃。

7.权利要求1-6任一项所述铝硅合金石墨复合导热材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

(1)将铝硅合金粉末与石墨填料混合，得到混合料；

(2)再对所述混合料于真空条件下进行热压烧结，得到所述铝硅合金石墨复合导热材料。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，以所述混合料的总重量为100％计，所述石墨填料的含量为5-20wt％，所述铝硅合金粉末的含量为80-95wt％。

9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，所述热压烧结的温度为350-450℃，压力为30-45MPa，时间为30-90min。

10.权利要求1-6任一项所述铝硅合金石墨复合导热材料在制作高功率电子器件中的应用。

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