CN111804919A - 高导热石墨-金属复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高导热石墨‑金属复合材料及其制备方法，所述制备方法包括提供一基体，在基体上设置一个子预制块，子预制块包括层叠设置于基体的第一石墨层、金属层和第二铝层，基体为第一铝层，金属层设置有贯穿的通孔，金属层的熔点高于铝的熔点，金属层的金属原子与铝原子形成的合金的熔点不高于铝的熔点，得到预制块；将预制块于500℃～750℃下进行热压烧结，使第一铝层和第二铝层熔化形成铝液，铝液穿过通孔与金属层中的至少部分金属原子结合形成合金液，铝液和合金液填充于第一石墨层中石墨之间的间隙处形成金属骨架，得到高导热石墨‑金属复合材料，该高导热石墨‑金属复合材料中包括石墨带层和复合层，强度和热导率高、热膨胀系数可控。

Description

高导热石墨-金属复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及导热材料技术领域，特别是涉及高导热石墨-金属复合材料及其制备方法。

背景技术

随着电子产业的快速发展，功率器件的单位热密度越来越高，所以导热材料的散热效果显得尤为重要。

传统的导热材料中，如铜和铝等金属导热材料具有易加工、高导热等性能，被各工业广泛使用。但是，金属导热材料的热膨胀系数较高(17×10^-6～23×10^-6/K)，导致其难以和电子芯片的热膨胀系数相匹配。为了降低金属导热材料的热膨胀系数，通常在金属导热材料中加入高热导、高强度的第二相颗粒，如碳化硅、金刚石等制备得到复合材料。其中，碳化硅-铝基复合材料具有较高的强度，但热导率低，只有150W/m·K～300W/m·K，不能满足电子元件对热沉材料散热性能的要求。金刚石-铝复合材料虽然热导率可以达到450W/m·K～560W/m·K，但高质量分数的超高硬度金刚石的使用使得复合材料难以加工，不具备大规模商业应用价值。虽然石墨具有热导率高、低热膨胀系数、质轻等优点，但是，由于石墨的脆性特征，较低的强度难以满足器件的加工要求，限制了其工业化应用。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种高导热石墨-金属复合材料及其制备方法；所述制备方法以铝层、金属层和石墨层为原料，经热压烧结得到高导热石墨-金属复合材料，所获得的高导热石墨-金属复合材料的强度和热导率高、热膨胀系数可控，且因复合导热材料具有金属的特性，具备塑性变形能力，可用于制备散热件。

一种高导热石墨-金属复合材料的制备方法，包括：

提供一基体，在所述基体上设置一个子预制块，所述子预制块包括层叠设置于所述基体的第一石墨层、金属层和第二铝层，所述基体为第一铝层，所述金属层设置有贯穿的通孔，所述金属层的熔点高于铝的熔点，所述金属层的金属原子与铝原子形成的合金的熔点不高于铝的熔点，得到预制块；

将所述预制块于500℃～750℃下进行热压烧结，以使所述第一铝层和所述第二铝层熔化形成铝液，所述铝液穿过所述通孔而与所述金属层中的至少部分金属原子结合形成合金液，并且，所述铝液和所述合金液填充于所述第一石墨层中石墨之间的间隙处而形成金属骨架，得到高导热石墨-金属复合材料。

在其中一个实施例中，所述子预制块的数量为多个，多个所述子预制块依次层叠设置于所述基体上。

在其中一个实施例中，所述预制块中，所述第一石墨层的质量分数为 40％～70％，所述第一铝层和所述第二铝层之和所占的质量分数为10％～40％，所述金属层的质量分数为10％～30％。

在其中一个实施例中，所述第一铝层和所述第二铝层的厚度均为 6μm～500μm。

在其中一个实施例中，所述金属层的厚度为0.05mm～0.5mm，一平方英寸的所述金属层包括有20～100个所述通孔。

在其中一个实施例中，所述第一石墨层的厚度为0.5mm～5mm，所述第一石墨层的材料均包括石墨复合体，所述石墨复合体包括石墨片以及覆于所述石墨片的表面的碳化硅层。

在其中一个实施例中，所述金属层和所述第二铝层之间还设置有第二石墨层，所述第二石墨层的厚度为0.5mm～5mm，所述第二石墨层的材料包括石墨复合体，所述石墨复合体包括石墨片以及覆于所述石墨片的表面的碳化硅层。

在其中一个实施例中，所述预制块中，所述第一石墨层和所述第二石墨层之和所占的质量分数为40％～70％，所述第一铝层和所述第二铝层之和所占的质量分数为10％～40％，所述金属层的质量分数为10％～30％。

在其中一个实施例中，所述热压烧结的压力为20MPa～100MPa，保压时间为1分钟～200分钟。

上述制备方法具有以下有益效果：第一，铝的熔点低，第一铝层熔化形成铝液后，沿第一石墨层中石墨之间形成的间隙向金属层扩散，第二铝层熔化成铝液之后通过通孔，并使铝液与金属层形成合金，合金的熔点低，同样会熔化形成合金液，从而，金属层被慢慢消耗掉。正是因为金属层的熔点较高，其不会像铝层那样熔化，所以，在热压烧结的过程中，石墨在压力和铝液的作用下会密集分布于金属层周围，形成高定向、高致密的石墨带层，该石墨带层提高了高导热石墨-金属复合材料的水平方向的热导率。当然，该石墨带层中存在少量的铝及铝与金属层的金属原子形成的合金。第二，相邻的两个石墨带层之间为复合层，该复合层中大部分为铝和铝与金属层的金属原子形成的合金，其会形成金属骨架，少量的石墨在铝液的流动过程中被带入铝液和合金液中，也就是说，所述复合层包括金属骨架以及少量的石墨，所述金属骨架可提高高导热石墨-金属复合材料的力学强度，避免了因石墨的脆性特征而导致复合导热材料难以满足器件的加工要求，并且，其可提高所述复合导热材料在垂直方向上的导热率。第三、因金属层是与铝液形成合金而被慢慢消耗掉，所以，可在相对较低的温度下完成热压烧结的过程，制备方法简单、可控，可进行规模化生产。

一种高导热石墨-金属复合材料，如上述制备方法得到，所述高导热石墨- 金属复合材料包括复合层和石墨带层，所述复合层包括金属骨架以及分布于金属骨架中的石墨，所述金属骨架的成分包括铝和铝的合金。

上述高导热石墨-金属复合材料具有以下有益效果：第一，高导热石墨-金属复合材料平行于石墨带层方向的热导率为300W/m·K～700W/m·K。第二，高导热石墨-金属复合材料的热膨胀系数为1ppm/K～10ppm/K，可以和电子芯片的热膨胀系数相匹配。第三，高导热石墨-金属复合材料的抗拉强度50MPa～100MPa，延伸率4％～8％，满足器件的加工要求。因此，上述高导热石墨-金属复合材料可应用于制备散热件。

附图说明

图1为本发明一实施例方式的预制块的示意图；

图2为本发明另一实施例方式的预制块的示意图；

图3为本发明又一实施例方式的预制块的示意图；

图4为实施例1中石墨复合体的扫描电子显微图；

图5为实施例4获得的高导热石墨-金属复合材料的显微组织图，其中，a 为石墨带层，b为复合层；

图6为实施例4获得的高导热石墨-金属复合材料的XRD图谱；

图7为对比例2的高导热石墨-金属复合材料的显微组织图。

具体实施方式

以下将对本发明提供的高导热石墨-金属复合材料及其制备方法作进一步说明。

本发明提供一种高导热石墨-金属复合材料的制备方法，包括：

S1，提供一基体，在所述基体上设置一个子预制块，所述子预制块包括层叠设置于所述基体的第一石墨层、金属层和第二铝层，所述基体为第一铝层，所述金属层设置有贯穿的通孔，所述金属层的金属原子与铝原子形成的合金的熔点不高于铝的熔点，得到预制块；

S2，将所述预制块于500℃～750℃下进行热压烧结，以使所述第一铝层和所述第二铝层熔化形成铝液，所述铝液穿过所述通孔而与所述金属层中的至少部分金属原子结合形成合金液，并且，所述铝液和所述合金液填充于所述第一石墨层中石墨之间的间隙处而形成金属骨架，得到高导热石墨-金属复合材料。

步骤S1中，为了获得不同厚度的高导热石墨-金属复合材料，所述子预制块 2的数量为多个，多个所述子预制块2沿轴向依次层叠设置于所述基体1上。可以理解，所述子预制块2的具体数量依据所需的高导热石墨-金属复合材料的厚度而定。

其中，子预制块2中，所述第一石墨层21的材料为石墨片时，可在形成第一石墨层21的过程中，尽量使石墨片沿水平方向定向排布，预先保证石墨片的高取向性。从而，在热压烧结过程中，可使石墨片平躺并沿高导热石墨-金属复合材料的水平方向分布，进而提高高导热石墨-金属复合材料沿水平方向的热导率。

但是，考虑到石墨与铝的结合性差，且会在界面反应生成易水解的Al₄C₃相，导致高导热石墨-金属复合材料的强度降低。所以，可对石墨片的表面进行镀层处理，如在石墨片的表面形成碳化硅层，得到石墨复合体。从而，不仅可以改善石墨片与铝的界面结合，同时，还可以保证石墨片在石墨带层中的良好结合。

所以，本发明所述第一石墨层21的材料优选为石墨复合体，所述石墨复合体包括石墨片以及覆于所述石墨片表面的碳化硅层。可以理解，碳化硅层可覆于石墨片的部分表面，也可完全包覆石墨片，进一步优选所述碳化硅层包覆石墨片。

考虑到第一石墨层21厚度太薄，在热压烧结时无法很好的形成石墨带层，太厚则影响热压烧结的效率，所以，所述第一石墨层的厚度优选为0.5mm～5mm。

预制块中，所述第一铝层和所述第二铝层23的厚度均为6μm～500μm，所述第一铝层和所述第二铝层23均优选采用铝箔。

为了保证在热压烧结过程中金属层22两侧的铝液能够相互导通、扩散，以及使铝液能够更好的与金属层22形成合金，一平方英寸的所述金属层22包括有20～100个所述通孔。

依据第一铝层和第二铝层23的厚度，为了保证金属层22在热压烧结过程中与铝液形成合金的速度而在原位形成石墨带层，以及控制预制块中金属层22 的质量分数，所述金属层22的厚度为0.05mm～0.5mm，优选为0.1mm～0.5mm。

具体的，所述金属层22包括铜层、锌层等，所形成的铝铜合金和铝锌合金的熔点均低于铝的熔点。考虑到铜的热导率在400W/m·K左右，因此，所述金属层22可优选厚度为0.1mm～0.5mm，目数为20目～100目的铜网。

为了保证高导热石墨-金属复合材料的热导率和热膨胀系数，所述预制块中，所述第一石墨层的质量分数为40％～70％，所述第一铝层和所述第二铝层之和所占的质量分数为10％～40％，所述金属层的质量分数为10％～30％。

优选的，所述第一石墨层的质量分数为40％～55％，所述第一铝层和所述第二铝层之和所占的质量分数为25％～35％，所述金属层的质量分数为15％～25％。

如图2所示，子预制块的所述金属层22和所述第二铝层23之间还可设置有第二石墨层24，所述第二石墨层24的厚度为0.5mm～5mm，所述第二石墨层 24的材料包括石墨复合体，所述石墨复合体包括石墨片以及覆于所述石墨片的表面的碳化硅层。从而，可使所获得的高导热石墨-金属复合材料中石墨带层的厚度增加，进一步提高高导热石墨-金属复合材料的水平方向的热导率。

为了保证高导热石墨-金属复合材料的热导率和热膨胀系数，可以理解，所述金属层和所述第二铝层之间设置有第二石墨层后，所述预制块中，所述第一石墨层和所述第二石墨层之和所占的质量分数为40％～70％，所述第一铝层和所述第二铝层之和所占的质量分数为10％～40％，所述金属层的质量分数为 10％～30％。

优选的，所述第一石墨层和所述第二石墨层之和所占的质量分数为 40％～55％，所述第一铝层和所述第二铝层之和所占的质量分数为25％～35％，所述金属层的质量分数为15％～25％。

如图3所示，所述预制块的侧面还可设置有保护层3，所述保护层3均为第三铝层，所述第三铝层的厚度为6μm～500μm。从而，第三铝层可以包裹第一石墨层，或者包裹第一石墨层和第二石墨层。此时，所述预制块于空气中进行热压烧结的时候，第一铝层、第二铝层和第三铝层的外层均可以生成氧化膜，隔绝部分空气，防止石墨层中的石墨充分燃烧，降低了对热压烧结的真空环境要求。

可以理解，第三铝层在热压烧结过程中同样会熔化于所述第一石墨层和/或第二石墨层中形成金属骨架，所以，所述预制块中，各层的含量范围不变，即第一铝层、第二铝层和第三铝层之和所占的质量分数仍为10％～40％，优选为 25％～35％。

步骤S2中，所述热压烧结的压力为20MPa～100MPa，保压时间为1分钟～ 200分钟。

所述热压烧结可在真空环境或者在空气环境中进行。其中，在空气环境中进行热压烧结时，所述预制块的侧面均设置有保护层。

热压烧结中，铝的熔点低，第一铝层熔化形成铝液后，沿第一石墨层中石墨之间形成的间隙向金属层扩散，第二铝层熔化成铝液之后通过通孔，当预制块具有第三铝层时，第三铝层也会熔化形成铝液并于石墨之间扩散。熔化后形成的铝液一方面于石墨之间流动和填充，一方面与金属层形成合金，合金的熔点低，同样会熔化形成合金液，从而，金属层被慢慢消耗掉。正是因为金属层的熔点较高，其不会像铝层那样熔化，所以，在热压烧结的过程中，石墨在压力和铝液的作用下会密集分布于金属层周围，形成高定向、高致密的石墨带层，该石墨带层提高了高导热石墨-金属复合材料的水平方向的热导率。当然，该石墨带层中存在少量的铝及铝与金属层的金属原子形成的合金。

热压烧结后得到的高导热石墨-金属复合材料中，在相邻的两个石墨带层之间为复合层，该复合层中大部分为铝和铝与金属层的金属原子形成的合金，其会形成金属骨架，少量的石墨在铝液的流动过程中被带入铝液和合金液中，也就是说，所述复合层包括金属骨架以及少量的石墨，所述金属骨架可提高高导热石墨-金属复合材料的力学强度，避免了因石墨的脆性特征而导致复合导热材料难以满足器件的加工要求，并且，其可提高所述复合导热材料在垂直方向上的导热率。

本发明的制备方法中，因金属层是与铝液形成合金而被慢慢消耗掉，所以，可在相对较低的温度下完成热压烧结的过程，制备方法简单、可控，可进行规模化生产。

本发明还提供一种高导热石墨-金属复合材料，如上述制备方法得到，所述高导热石墨-金属复合材料包括复合层和石墨带层，所述复合层包括金属骨架以及分布于金属骨架中的石墨，所述金属骨架的成分包括铝和铝的合金。

可以理解，在石墨带层中，由于石墨含量高且致密，所以石墨之间的间隙小，石墨带层中仅存在少量的金属骨架。而在相邻的两个石墨带层之间为复合层，该复合层中大部分为金属骨架。

同时，因金属层的厚度以及热压烧结的时间关系，金属层仅部分与铝液形成合金时，在石墨带层中，还包括有金属层，石墨密集分布于金属层两侧，形成高定向、高致密的石墨带层。

所以，本发明的高导热石墨-金属复合材料平行于石墨带层方向的热导率为300W/m·K～700W/m·K，热膨胀系数为1ppm/K～10ppm/K，可以和电子芯片的热膨胀系数相匹配，且高导热石墨-金属复合材料的抗拉强度50MPa～100MPa，延伸率4％～8％，满足器件的加工要求。因此，本发明的高导热石墨-金属复合材料可应用于制备散热件。

以下，将通过以下具体实施例对所述高导热石墨-金属复合材料及其制备方法做进一步的说明。

实施例1：

取粒径为500μm的鳞片状石墨粉、氯化钠和少量硅粉混合均匀制成混合粉末，按混合粉末总重量计算，氯化钠占75wt％，硅粉占5wt％。将混合粉末放入真空碳管炉中，抽真空至真空度约为10Pa～220Pa，升温速率为15℃/min，升温至1100℃，保温60min，然后随炉冷却至室温。将高温处理过的混合粉末取出，放入装有去离子水的烧杯中，将装有处理后混合粉末和去离子水的烧杯放入干燥箱，设定温度85℃，保温30min，取出烧杯并倒掉氯化钠的水溶液，重新倒入去离子水重复以上操作，对混合粉末清洗5次，将清洗完毕并干燥后的混合粉分别过30目、50目、80目筛，去除过剩的硅粉，获得如图3所示的石墨复合体。

于第一铝箔上形成子预制块，包括依次形成于第一铝箔上第一石墨层、铜网和第二铝箔。其中第一铝箔和第二铝箔的厚度均为20μm，第一石墨层厚度为 5mm，材料为前述形成的石墨复合体，铜网为50目，厚度为0.3mm。将多个子预制块沿着轴向堆叠放入高精密模具中，形成预制块，该预制块中，石墨层的质量分数为56％，铝箔的质量分数为26％，铜网的质量分数为18％。在真空单向热压烧结炉中，以升温速率10℃/min加热至650℃进行烧结，烧结压力为 50MPa，保温时间为60min。然后随炉冷却至室温，得到高导热石墨-金属复合材料。经测试，该高导热石墨-金属复合材料的热导率为620W/m·K，热膨胀系数为7ppm/K，拉伸强度为60MPa，延伸率为4.2％。

实施例2：

将实施例1中的石墨复合体于第一铝箔上形成子预制块，包括依次形成于第一铝箔上第一石墨层、铜网和第二铝箔。其中第一铝箔和第二铝箔的厚度均为20μm，第一石墨层厚度为2mm，铜网为50目，厚度为0.05mm。将多个子预制块沿着轴向堆叠放入高精密模具中，形成预制块，该预制块中，石墨层的质量分数为55％，铝箔的质量分数为30％，铜网的质量分数为15％。在真空单向热压烧结炉中，以升温速率10℃/min加热至630℃进行烧结，烧结压力为 60MPa，保温时间为120min。然后随炉冷却至室温，得到高导热石墨-金属复合材料。经测试，该高导热石墨-金属复合材料的热导率为600W/m·K，热膨胀系数为8.5ppm/K，拉伸强度为85MPa，延伸率为7.8％。

实施例3：

于第一铝箔上形成子预制块，包括依次形成于第一铝箔上第一石墨层、铜网和第二铝箔。其中第一铝箔和第二铝箔的厚度均为100μm，第一石墨层厚度为2mm，材料为实施例1的石墨复合体，铜网为50目，厚度为0.2mm。将多个子预制块沿着轴向堆叠放入高精密模具中，形成预制块，该预制块中，石墨层的质量分数为50％，铝箔的质量分数为39％，铜网的质量分数为11％。在真空单向热压烧结炉中，以升温速率10℃/min加热至600℃进行烧结，烧结压力为 90MPa，保温时间为60min。然后随炉冷却至室温，得到高导热石墨-金属复合材料。经测试，该高导热石墨-金属复合材料的热导率为480W/m·K，热膨胀系数为8.5ppm/K，拉伸强度为80MPa，延伸率为5.5％。

实施例4：

于第一铝箔上形成子预制块，包括依次形成于第一铝箔上第一石墨层、铜网和第二铝箔。其中第一铝箔和第二铝箔的厚度均为100μm，第一石墨层厚度为5mm，材料为实施例1的石墨复合体，铜网为50目，厚度为0.5mm。将多个子预制块沿着轴向堆叠放入高精密模具中，形成预制块，该预制块中，石墨层的质量分数为55％，铝箔的质量分数为25％，铜网的质量分数为20％。在真空单向热压烧结炉中，以升温速率10℃/min加热至700℃进行烧结，烧结压力为 100MPa，保温时间为120min。然后随炉冷却至室温，得到高导热石墨-金属复合材料。该高导热石墨-金属复合材料的显微组织如图5所示，包括石墨带层a 和复合层b。从图中可知，石墨带层a中石墨含量非常高，在石墨之间存在有少量的金属骨架，复合层b中主要为金属骨架，金属骨架之间存在有少量的石墨。该高导热石墨-金属复合材料的XRD图谱如图6所示，从图6可知，金属骨架中包括铝和铝铜合金。

经测试，该高导热石墨-金属复合材料的热导率为500W/m·K，热膨胀系数为8.2ppm/K，拉伸强度为90MPa，延伸率为6.5％。

实施例5：

于第一铝箔上形成子预制块，包括依次形成于第一铝箔上第一石墨层、铜网、第二石墨层和第二铝箔。其中第一铝箔和第二铝箔的厚度均为50μm，第一石墨层和第二石墨层的厚度均为2mm，材料均为实施例1的石墨复合体，铜网为50目，厚度为0.2mm。将多个子预制块沿着轴向堆叠放入高精密模具中，形成预制块，该预制块中，石墨层的质量分数为52％，铝箔的质量分数为35％，铜网的质量分数为13％。在真空单向热压烧结炉中，以升温速率10℃/min加热至620℃进行烧结，烧结压力为30MPa，保温时间为60min。然后随炉冷却至室温，得到高导热石墨-金属复合材料。经测试，该高导热石墨-金属复合材料的热导率为530W/m·K，热膨胀系数为7.3ppm/K，拉伸强度为51MPa，延伸率为 5.2％。

实施例6：

于第一铝箔上形成子预制块，包括依次形成于第一铝箔上第一石墨层、铜网、第二石墨层和第二铝箔。其中第一铝箔和第二铝箔的厚度均为100μm，第一石墨层和第二石墨层的厚度均为2mm，材料均为实施例1的石墨复合体，铜网为20目，厚度为0.2mm。将多个子预制块沿着轴向堆叠放入高精密模具中，形成预制块，该预制块中，石墨层的质量分数为52％，铝箔的质量分数为38％，铜网的质量分数为10％。在真空单向热压烧结炉中，以升温速率10℃/min加热至680℃进行烧结，烧结压力为30MPa，保温时间为10min。然后随炉冷却至室温，得到高导热石墨-金属复合材料。经测试，该高导热石墨-金属复合材料的热导率为505W/m·K，热膨胀系数为7.2ppm/K，拉伸强度为52MPa，延伸率为5.8％。

实施例7：

于第一铝箔上形成子预制块，包括依次形成于第一铝箔上第一石墨层、铜网、第二石墨层和第二铝箔。其中第一铝箔和第二铝箔的厚度均为20μm，第一石墨层和第二石墨层的厚度均为0.5mm，材料均为实施例1的石墨复合体，铜网为100目，厚度为0.1mm。将多个子预制块沿着轴向堆叠放入高精密模具中，形成预制块，该预制块中，石墨层的质量分数为55％，铝箔的质量分数为24％，铜网的质量分数为21％。在真空单向热压烧结炉中，以升温速率10℃/min加热至750℃进行烧结，烧结压力为20MPa，保温时间为30min。然后随炉冷却至室温，得到高导热石墨-金属复合材料。经测试，该高导热石墨-金属复合材料的热导率为520W/m·K，热膨胀系数为7.3ppm/K，拉伸强度为55MPa，延伸率为 5.3％。

实施例8：

于第一铝箔上形成子预制块，包括依次形成于第一铝箔上第一石墨层、铜网、第二石墨层和第二铝箔。其中第一铝箔和第二铝箔的厚度均为20μm，第一石墨层和第二石墨层的厚度均为2mm，材料均为实施例1的石墨复合体，铜网为100目，厚度为0.5mm。将多个子预制块沿着轴向堆叠放入高精密模具中，形成预制块，该预制块中，石墨层的质量分数为54％，铝箔的质量分数为21％，铜网的质量分数为25％。在真空单向热压烧结炉中，以升温速率10℃/min加热至700℃进行烧结，烧结压力为40MPa，保温时间为200min。然后随炉冷却至室温，得到高导热石墨-金属复合材料。经测试，该高导热石墨-金属复合材料的热导率为580W/m·K，热膨胀系数为6.8ppm/K，拉伸强度为70MPa，延伸率为 6.5％。

实施例9：

于第一铝箔上形成子预制块，包括依次形成于第一铝箔上第一石墨层、铜网、第二石墨层和第二铝箔。其中第一铝箔和第二铝箔的厚度均为50μm，第一石墨层和第二石墨层的厚度均为1mm，材料均为实施例1的石墨复合体，铜网为50目，厚度为0.5mm。将多个子预制块沿着轴向堆叠放入高精密模具中，形成预制块，并在预制块的侧面均设置厚度为50μm的铝箔。该预制块中，石墨层的质量分数为53％，铝箔的质量分数为23％，铜网的质量分数为24％。在空气热压烧结炉中，以升温速率10℃/min加热至690℃进行烧结，烧结压力为80MPa，保温时间为90min。然后随炉冷却至室温，得到高导热石墨-金属复合材料。经测试，该高导热石墨-金属复合材料的热导率为500W/m·K，热膨胀系数为 8.2ppm/K，拉伸强度为90MPa，延伸率为6.5％。

实施例10：

于第一铝箔上形成子预制块，包括依次形成于第一铝箔上第一石墨层、铜网、第二石墨层和第二铝箔。其中第一铝箔和第二铝箔的厚度均为50μm，第一石墨层和第二石墨层的厚度均为3mm，材料均为实施例1的石墨复合体，铜网为50目，厚度为0.3mm。将多个子预制块沿着轴向堆叠放入高精密模具中，形成预制块，并在预制块的侧面均设置厚度为50μm的铝箔。该预制块中，石墨层的质量分数为55％，铝箔的质量分数为27％，铜网的质量分数为18％。在空气热压烧结炉中，以升温速率10℃/min加热至685℃进行烧结，烧结压力为50MPa，保温时间为60min。然后随炉冷却至室温，得到高导热石墨-金属复合材料。经测试，该高导热石墨-金属复合材料的热导率为530W/m·K，热膨胀系数为 8.2ppm/K，拉伸强度为90MPa，延伸率为6.5％。

对比例1：

于第一铝箔上设置子预制块，包括依次形成于第一铝箔上的石墨层和第二铝箔，得到子预制块。其中第一铝箔和第二铝箔的厚度均为20μm，石墨层的厚度为2mm，材料为实施例1的石墨复合体。然后将多个子预制层层叠设置，按实施例1中的方法真空热压烧结得到石墨-铝复合导热材料。经测试，该石墨- 铝复合导热材料的热导率为520W/m·K，热膨胀系数为7.6ppm/K，拉伸强度为 35MPa，延伸率为1.8％，可见，该复合导热材料的拉伸强度低，延伸率差。

对比例2：

将实施例1中的石墨复合体与铝粉按质量比1：1混合，装入石墨模具，加盖铜网，形成石墨-铜铝预制块。其中，铜网为20目，厚度为0.5mm。然后按实施例1中的方法真空热压得到高导热石墨-金属复合材料，其显微组织如图7所示，石墨和金属骨架均匀分布。经测试，该高导热石墨-金属复合材料的热导率为378W/m·K，热膨胀系数为6.7ppm/K，拉伸强度为48MPa，延伸率为0.8％，可见，因石墨在铝基体中不能有效排布，所以高导热石墨-金属复合材料的导热性能差、延伸率低。

对比例3：

于第一铝箔上形成子预制块，包括依次形成于第一铝箔上第一石墨层、铁网、第二石墨层和第二铝箔。其中第一铝箔和第二铝箔的厚度均为50μm，第一石墨层和第二石墨层的厚度均为3mm，材料均为实施例1的石墨复合体，铁网为50目，厚度为0.3mm。该预制块中，石墨层的质量分数为55％，铝箔的质量分数为27％，铁网的质量分数为18％。将多个子预制块沿着轴向堆叠放入高精密模具中，然后按实施例1中的方法真空热压得到导热材料，制备的样品中铁网未融化，该石墨-铝复合导热材料未成型。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种高导热石墨-金属复合材料的制备方法，其特征在于，包括：

提供一基体，在所述基体上设置一个子预制块，所述子预制块包括层叠设置于所述基体的第一石墨层、金属层和第二铝层，所述基体为第一铝层，所述金属层设置有贯穿的通孔，所述金属层的熔点高于铝的熔点，所述金属层的金属原子与铝原子形成的合金的熔点不高于铝的熔点，得到预制块；

将所述预制块于500℃～750℃下进行热压烧结，以使所述第一铝层和所述第二铝层熔化形成铝液，所述铝液穿过所述通孔而与所述金属层中的至少部分金属原子结合形成合金液，并且，所述铝液和所述合金液填充于所述第一石墨层中石墨之间的间隙处而形成金属骨架，得到高导热石墨-金属复合材料。

2.根据权利要求1所述的高导热石墨-金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述子预制块的数量为多个，多个所述子预制块依次层叠设置于所述基体上。

3.根据权利要求1或2所述的高导热石墨-金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述预制块中，所述第一石墨层的质量分数为40％～70％，所述第一铝层和所述第二铝层之和所占的质量分数为10％～40％，所述金属层的质量分数为10％～30％。

4.根据权利要求3所述的高导热石墨-金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述第一铝层和所述第二铝层的厚度均为6μm～500μm。

5.根据权利要求3所述的高导热石墨-金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述金属层的厚度为0.05mm～0.5mm，一平方英寸的所述金属层包括有20～100个所述通孔。

6.根据权利要求3所述的高导热石墨-金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述第一石墨层的厚度为0.5mm～5mm，所述第一石墨层的材料均包括石墨复合体，所述石墨复合体包括石墨片以及覆于所述石墨片的表面的碳化硅层。

7.根据权利要求1或2所述的高导热石墨-金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述金属层和所述第二铝层之间还设置有第二石墨层，所述第二石墨层的厚度为0.5mm～5mm，所述第二石墨层的材料包括石墨复合体，所述石墨复合体包括石墨片以及覆于所述石墨片的表面的碳化硅层。

8.根据权利要求7所述的高导热石墨-金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述预制块中，所述第一石墨层和所述第二石墨层之和所占的质量分数为40％～70％，所述第一铝层和所述第二铝层之和所占的质量分数为10％～40％，所述金属层的质量分数为10％～30％。

9.根据权利要求1所述的高导热石墨-金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述热压烧结的压力为20MPa～100MPa，保压时间为1分钟～200分钟。

10.一种高导热石墨-金属复合材料，其特征在于，如权利要求1～9任一项所述制备方法得到，所述高导热石墨-金属复合材料包括复合层和石墨带层，所述复合层包括金属骨架以及分布于金属骨架中的石墨，所述金属骨架的成分包括铝和铝的合金。

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