CN113276494A - 一种石墨膜/金属复合导热索的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种石墨膜/金属复合导热索的制备方法，属于热交换联接件技术领域。该方法通过填充低熔点金属或热界面材料，将两端氧化还原处理或金属化后的石墨膜和高导热金属壳体热压到一起。石墨膜的堆叠层数和宽度都可调。这种方法制备的导热索工艺简单，成品率高，质量很轻，柔性极好，热导率是同等条件铜导热索的数倍。

Description

一种石墨膜/金属复合导热索的制备方法
技术领域
本发明涉及一种石墨膜/金属复合导热索的制备方法，属于热交换联接件技术领域。
背景技术
随着时代的进步和科技的发展，对电子设备的性能要求越来越高。为了实现电子设备的多功能、易携带、轻量化等要求，电子设备上元器件集成度越来越高，体积越来越小，功耗也越来越高，这就不可避免的产生大量的热量。如果这些热量不能及时有效的导出将会使电子元器件的寿命大大缩短，以至于烧毁。因此，不管是在航空航天电子装备方面，还是便携式移动电子设备方面，将产生的热量及时导出至关重要。
目前将热量导出的主要方式包括辐射换热、铜导热索换热、热管换热以及它们的结合使用。在航天器以及便携式移动电子设备之中，仅靠辐射换热很难保证电子设备的正常运行温度，所以通常需要联合导热的方式提升热交换的能力。铜导热索和热管都可以达到导热的目的，但在一些场合下无法适用。因为它们的主体都是金属材料，质量较重，无法满足航空航天器以及便携式移动设备的轻量化要求。这就需要寻找一种新的材料来替代金属材料以达到导热和减重的目的。
随着新材料科学的不断发展，高导热炭材料越来越受到重视。人工高导热石墨膜具有很高的柔性和热导率，其导热系数最高可达1900W·m-1·K-1，是纯铜的3～4倍，且它的密度仅为2.2g/cm3，是纯铜的1/4左右。所以将其作为联接热源和热沉之间的导热材料能够很好地满足柔性高导热和轻量化的要求。但石墨膜与高导热金属材料的浸润性较差，很难紧密的复合在一起，这会严重妨碍石墨膜高导热性能的发挥。所以，如何将石墨膜与高导热金属有效的紧密的结合在一起是一个亟待解决的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种石墨膜/金属复合导热索的制备方法，该方法有效解决了柔性石墨膜与高导热金属的紧密连接问题。能够满足航空航天和便携电子设备高导热、轻量化的要求，而且由于导热索是柔性的，可根据需要灵活设计并调整高功耗电子器件和热沉之间的距离和位置，可设计性强。
本发明所提供的石墨膜/金属复合导热索的制备方法，主要包括下述步骤：
步骤(1)，将柔性高导热石墨膜通过平行堆叠的方式组成柔性导热段；
步骤(2)，对层叠的石墨膜两端(伸入高导热金属壳体中的部分)进行表面氧化还原处理然后金属化处理；
步骤(3)，将表面处理后的层叠石墨膜两端分别放置在开好凹槽的高导热金属壳体中，放置的同时向凹槽内填充低熔点金属或热界面材料热压成型，制得石墨膜/金属复合导热索。
上述方法步骤(1)中所述柔性高导热石墨膜的厚度≤200μm；室温导热系数≥450W·m-1·K-1；根据ASTMD2176方法弯折次数≥2000而导热、力学性能保持不变；具体尺寸、形状以及叠加层数可根据导热索的实际需求任意裁剪和叠加。
上述方法步骤(2)中所述对层叠的石墨膜两端进行表面氧化还原处理是指在400～900℃的含氧气氛下热处理1～400min，然后在1000～3000℃的惰性气体环境下热还原0.1～600min，进而获得表面具有一定缺陷的石墨膜，以增加石墨膜与低熔点金属或热界面材料的结合强度；
对层叠的石墨膜两端进行金属化处理是采用化学镀或/和电镀方式进行镀镍、镀钛或镀铜处理，控制镀层厚度40nm-60μm，以增加石墨膜与低熔点金属或热界面材料的结合强度。
上述方法步骤(3)中所述高导热金属壳体为高导热单金属或合金壳体，其室温热导率≥150W·m-1·K-1，层叠的石墨膜的端部在高导热金属壳体中距离高导热金属壳体内表面之间具有空隙，具体壳体厚度、形状以及凹槽尺寸由导热索的实际需求决定，优选为铜或其合金、铝或其合金壳体。
上述方法步骤(3)中所述低熔点金属为熔点在350℃以下的单金属或其合金，优选为镓(Ga)、铋(Bi)、镉(Cd)、锡(Sn)、铅(Pb)、铟(In)、铊(TI)及其合金。
上述方法步骤(3)中所述热界面材料为导热粘胶、导热凝胶、相变型导热胶以及导热膏等。
上述方法步骤(3)中所述热压成型是指将热压模具加热到低熔点金属的熔点或者热界面材料可粘结温度以上，直接将层叠的石墨膜和金属管材压接成一个整体；压力方向为垂直于石墨膜平面方向，压力大小为0.1～5MPa，且保证高导热金属壳体整体外观不发生变形。
本发明具有以下优点：
(1)该石墨膜/金属复合导热索具有很好的柔性和导热性能，可以方便连接移动的冷端或热端，并定向传热；
(2)该石墨膜/金属复合导热索具有极轻的质量，相当于铜或铝导热索质量的1/5-1/2；
(3)本发明对石墨膜两端经行了表面氧化还原处理和金属化处理，有效增加了石墨膜与低熔点金属或热界面材料的结合强度，进而增加与金属壳体的连接强度。
(4)本发明采用填充低熔点金属或热界面材料压接法制备，价格低廉，工艺简单，成品率高。
附图说明
图1为本发明石墨膜/金属复合导热索的结构示意图；
具体实施方式
下面以具体实施例的方式说明本发明，但不构成对本发明的限制。
实施例1:
将厚度为20μm，导热系数为1500W·m-1·K-1的柔性高导热石墨膜裁成长度为110mm，宽度为20mm的长条。取50条石墨膜层叠在一起，将石墨膜两端在700℃的含氧气氛下热处理1h，在2800℃的惰性气氛下热还原30min，然后再通过化学镀的方式给石墨膜的两端镀300nm厚的金属铜。
准备两个槽长为22mm，槽宽为1.5mm，槽深为10mm，壁厚2mm的铝合金壳体，然后将层叠的石墨膜放置在凹槽内并填充低熔点的镓合金在200℃，0.5MPa条件下热压成型，冷却至室温后得到高导热的柔性石墨膜/金属复合导热索。所制备导热索的导热率为1225W·m-1·K-1，是同等条件下铜导热索的3.5倍，导热索抗拉强度为7.81MPa。
实施例2:
将厚度为20μm，导热系数为1500W·m-1·K-1的柔性高导热石墨膜换成厚度为15μm，导热系数为1800W·m-1·K-1的柔性高导热石墨膜，其他条件同实施例1，所制备导热索的导热率为1322W·m-1·K-1，是同等条件下铜导热索的3.8倍，导热索抗拉强度为7.80MPa。
实施例3:
将柔性高导热石墨膜裁成长度为80mm，宽度为20mm的长条，其他条件同实施例1，所制备导热索的导热率为1241W·m-1·K-1，是同等条件下铜导热索的3.6倍，导热索抗拉强度为7.83MPa。
实施例4:
将柔性高导热石墨膜裁成长度为110mm，宽度为40mm的长条，相应的金属凹槽长度制作成42mm，其他条件同实施例1，所制备导热索的导热率为1257W·m-1·K-1，是同等条件下铜导热索的3.5倍，导热索抗拉强度为8.12MPa。
实施例5:
将石墨膜的层叠厚度由50层增加到100层，相应的金属凹槽宽度制作成2mm，其他条件同实施例2，所制备导热索的导热率为1322W·m-1·K-1，是同等条件下铜导热索的3.7倍，导热索抗拉强度为7.69MPa。
实施例6:
将石墨膜两端的氧化还原条件修改为在600℃的含氧气氛下热处理2h，在2800℃的惰性气氛下热还原30min，其他条件同实施例1，所制备导热索的导热率为1225W·m-1·K-1，是同等条件下铜导热索的3.5倍，导热索抗拉强度为10.37MPa。
实施例7：
将石墨膜两端金属化处理的方式由化学镀改为电镀，其他条件同实施例1，所制备导热索的导热率为1237W·m-1·K-1，是同等条件下铜导热索的3.4倍，导热索抗拉强度为7.94MPa。
实施例8:
将镀铜厚度由300nm增加到500nm，其他条件同实施例1，所制备导热索的导热率为1058W·m-1·K-1，是同等条件下铜导热索的3.0倍，导热索抗拉强度为8.52MPa。
实施例9:
将所镀金属由铜替换成镍，其他条件同实施例1，所制备导热索的导热率为1135W·m-1·K-1，是同等条件下铜导热索的3.1倍。
实施例10:
将铝合金壳体换成铜壳体，其他条件同实施例1，所制备导热索的导热率为1374W·m-1·K-1，是同等条件下铜导热索的3.6倍，导热索抗拉强度为9.13MPa。
实施例11：
将填充到管内的低熔点镓合金替换成相变型导热胶，其他条件同实施例1，所制备导热索的导热率为617W·m-1·K-1，是同等条件下铜导热索的1.5倍，导热索抗拉强度为6.42MPa。
实施例12：
将填充到管内的低熔点镓合金替换成导热膏，其他条件同实施例1，所制备导热索的导热率为603W·m-1·K-1，是同等条件下铜导热索的1.5倍，导热索抗拉强度为6.20MPa。
实施例13：
将热压条件修改为230℃，1MPa，其他条件同实施例1，所制备导热索的导热率为1230W·m-1·K-1，是同等条件下铜导热索的3.5倍，导热索抗拉强度为10.25MPa。
以上已对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种石墨膜/金属复合导热索的制备方法，其特征在于，主要包括下述步骤：
步骤(1)，将柔性高导热石墨膜通过平行堆叠的方式组成柔性导热段；
步骤(2)，对层叠的石墨膜两端(伸入高导热金属壳体中的部分)进行表面氧化还原处理然后金属化处理；
步骤(3)，将表面处理后的层叠石墨膜两端分别放置在开好凹槽的高导热金属壳体中，放置的同时向凹槽内填充低熔点金属或热界面材料热压成型，制得石墨膜/金属复合导热索。
2.按照权利要求1所述的一种石墨膜/金属复合导热索的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述柔性高导热石墨膜的厚度≤200μm；室温导热系数≥450W·m-1·K-1；根据ASTMD2176方法弯折次数≥2000而导热、力学性能保持不变；具体尺寸、形状以及叠加层数可根据导热索的实际需求任意裁剪和叠加。
3.按照权利要求1所述的一种石墨膜/金属复合导热索的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述对层叠的石墨膜两端进行表面氧化还原处理是指在400～900℃的含氧气氛下热处理1～400min，然后在1000～3000℃的惰性气体环境下热还原0.1～600min，进而获得表面具有一定缺陷的石墨膜，以增加石墨膜与低熔点金属或热界面材料的结合强度；
对层叠的石墨膜两端进行金属化处理是采用化学镀或/和电镀方式进行镀镍、镀钛或镀铜处理，控制镀层厚度40nm-60μm，以增加石墨膜与低熔点金属或热界面材料的结合强度。
4.按照权利要求1所述的一种石墨膜/金属复合导热索的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述高导热金属壳体为高导热单金属或合金壳体，其室温热导率≥150W·m-1·K-1，层叠的石墨膜的端部在高导热金属壳体中距离高导热金属壳体内表面之间具有空隙，具体壳体厚度、形状以及凹槽尺寸由导热索的实际需求决定，优选为铜或其合金、铝或其合金壳体。
5.按照权利要求1所述的一种石墨膜/金属复合导热索的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述低熔点金属为熔点在350℃以下的单金属或其合金，优选为镓(Ga)、铋(Bi)、镉(Cd)、锡(Sn)、铅(Pb)、铟(In)、铊(TI)及其合金中的一种或几种。
6.按照权利要求1所述的一种石墨膜/金属复合导热索的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述热界面材料为导热粘胶、导热凝胶、相变型导热胶以及导热膏等。
7.按照权利要求1所述的一种石墨膜/金属复合导热索的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述热压成型是指将热压模具加热到低熔点金属的熔点或者热界面材料可粘结温度以上，直接将层叠的石墨膜和金属管材压接成一个整体，压力方向为垂直于石墨膜平面方向，压力大小为0.1～5MPa，且保证高导热金属壳体整体外观不发生变形。
8.按照权利要求1-7任一项所述的方法制备得到的一种石墨膜/金属复合导热索。
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CN115302208A (zh) * 2022-09-05 2022-11-08 浙江金桥铜业科技有限公司 一种医疗用超低温柔性导热法兰的制备方法

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