CN113355058A - 二维碳素-金属构型化复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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CN113355058A CN202110626526.0A CN202110626526A CN113355058A CN 113355058 A CN113355058 A CN 113355058A CN 202110626526 A CN202110626526 A CN 202110626526A CN 113355058 A CN113355058 A CN 113355058A
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李志强
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Abstract

本发明提供了一种二维碳素‑金属构型化复合材料及其制备方法和应用，该制备方法为：将金属箔片进行退火还原，得到退火的金属箔片；将退火的金属箔片和碳素材料叠层卷制成单芯同轴圆柱体坯料，碳素材料选自石墨纸、鳞片石墨、石墨烯纳米片和石墨烯薄膜中的一种以上；将单芯同轴圆柱体坯料在氩气保护下进行热等静压烧结，得到碳素‑金属复合材料坯体；将碳素‑金属复合材料坯体去除包套，热挤压得到高导热、低热膨胀系数的复合材料；本发明中的叠层圆柱状同轴构型设计不仅可以保证二维碳素‑金属复合材料在横向截面的各向同性，而且在纵向方向可以获得高的热导率，从而在提高材料导热性能的同时解决了热管理材料在热导率和热膨胀不匹配的问题。

Description

二维碳素-金属构型化复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于金属基复合材料与热管理材料技术领域，具体涉及一种具有同轴构型的高导热、低热膨胀的二维碳素-金属构型化复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，随着电子信息产业的高速发展，集成电路产业进入快速发展期。作为集成电路的载体和核心组成部分，芯片正成为关系国民经济和社会发展的基础性、先导性和战略性产业。另外，随着芯片的集成度和组装密度不断提高，高效的散热已经成为影响芯片性能发挥的主要因素；在热管理系统中，设计和应用具有高热导率、与半导体芯片热膨胀系数匹配的金属基板材料，从而降低工作温升和热循环对芯片的稳定性、可靠性和使用寿命带来的影响，是目前亟待解决的问题。碳素材料(如石墨、金刚石、石墨烯和碳纳米管等)具有高热导率和低热膨胀系数等优点，因此作为增强体或功能体被广泛应用于热管理领域的复合材料中。近年来，将碳素材料和金属复合制备的碳-金属复合材料因为其高热导率、匹配的热膨胀系数被认为是理想的热管理材料。
然而，由于石墨或石墨烯一般是层状结构，其热导率和力学性能具有显著的各向异性。现有的石墨或石墨烯-金属复合材料难以同时满足热管理应用中对热导率和膨胀系数的要求。这主要是因为在取向分布的石墨(如石墨纸、鳞片石墨、石墨烯纳米片)-金属层状结构复合材料中，可以在平行于层的面内获得高的热导率，但热膨胀系数高；而垂直于层的截面虽然热膨胀系数显著降低，但热导率降低到金属基体十分之一以下。文献(1)“Nanoplatelet size to control the alignment and thermal conductivity incopper-graphite composites(Nano Letters,2014,14(6):3640-3644)”(在纳米尺度调控铜-石墨的排列和热导率)通过高能球磨和放电等离子体烧结工艺制备了石墨烯纳米片定向排列的铜基复合材料，复合材料沿石墨烯排列的平行方向热导率达到了垂直于石墨烯排列方向的274％。文献(2)“Largely enhanced thermal conductivity of graphene/copper composites with highly aligned graphene network(Carbon,2017,127:102-112)”通过真空抽滤和放电等离子体烧结的工艺制备了铜石墨烯复合材料，石墨烯呈高度有序排列，掺杂35vol.％的石墨烯纳米片面内热导率达到了525W/M·K。另外，中国专利(公开号CN105551839A)公开了一种天然石墨/铜散热片的制备方法，一个单元散热层由天然石墨片、铜箔层和天然石墨片复合滚压组成。虽然通过本方法获得的散热片的导热系数为500-700W/M·K，但并未改变天然石墨在导热方面的各向异性。此外，为了获得各项同性的热物理性能，人们设计和制备了在金属基体中随机取向分布的鳞片石墨或石墨烯纳米片的复合材料。虽然显著降低了金属材料的热膨胀系数且近乎各向同性，但是复合材料低的热导率难以满足实际应用需求。例如：文献(3)“Thermal conductivity of Cu-graphitecomposites(International Journal of Thermal Sciences,2015,90:298-302)”(铜石墨复合材料的热导率)采用机械混粉和热等静压烧结的工艺制备了石墨体积分数为0-40vol％的铜石墨复合材料，热导率在136-337W/M·K之间，在这些复合材料中因为石墨的无序分布，因此复合材料的热导率不高。文献(4)“Effect of carbon nanotube surfacemodification on thermal properties of copper-CNT composites(Journal ofMaterials Chemistry,2011,21(43):17541)”(碳纳米管表面改性对铜-碳纳米管复合材料导热性能的影响)虽然在铜基体中加入了高热导率的碳纳米管，但因为碳纳米管在纯铜基体中的无序排列，复合材料的热导率相比于纯铜不升反降。
因此，现有的二维碳素材料(石墨纸/鳞片石墨烯/石墨烯纳米片等)添加的金属基复合材料，由于本征各向异性致使其在实际使役条件下难以满足热管理对高热导率和低热膨胀系数匹配需求。因此，如何通过构型设计制备出热导率和热膨胀系数相互匹配的满足热管理实际应用需求的二维碳素(石墨纸、鳞片石墨、石墨烯纳米片等)-金属复合材料是亟需解决的问题。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明的首要目的是提供一种具有同轴构型的高导热、低热膨胀的二维碳素-金属构型化复合材料，该复合材料在横向具有各向同性，在纵向具有较高的热导率；而且该复合材料的热导率和热膨胀系数具有较高的匹配程度。
本发明的第二个目的是提供上述二维碳素-金属构型化复合材料的制备方法。
本发明的第三个目的是提供上述二维碳素-金属构型化复合材料的应用，即获得的热导率和热膨胀系数匹配的二维碳素-金属构型化复合材料有望在热管理领域得到应用。
为达到首要目的，本发明的解决方案是：
一种二维碳素-金属构型化复合材料，其由体积分数为20-90％的金属箔片和10-80％的碳素材料同轴构型得到；
金属箔片选自铝箔或表面修饰的铜箔；
碳素材料选自体积分数为30-80％的石墨纸、10-30％的鳞片石墨、10-30％的石墨烯纳米片和10-80％的石墨烯薄膜中的一种以上。
优选地，表面修饰的铜箔的过程为：采用磁控溅射或化学气相沉积的方法对铜箔进行表面合金化、表面镀膜或原位生长石墨烯。
优选地，原位生长石墨烯为单层或多层的石墨烯，石墨烯的厚度为0.3-30nm，片径为0.1-30μm。
优选地，石墨烯的片径为0.5-10μm。
优选地，铝箔和表面修饰的铜箔的宽度均为10cm，厚度均为10-30μm。
优选地，石墨纸的纯度为99.9％，厚度为10-30μm，宽度为10-50cm。
优选地，鳞片石墨的纯度为99.9％，片径为0.5-5μm。
优选地，石墨烯纳米片的片径为5-10μm。
优选地，石墨烯薄膜的厚度为40-60μm。
为达到第二个目的，本发明的解决方案是：
一种上述的二维碳素-金属构型化复合材料的制备方法，其包括如下步骤：
(1)、将金属箔片进行退火还原，得到退火的金属箔片；
(2)、将退火的金属箔片和碳素材料叠层卷制成单芯同轴圆柱体坯料；
(3)、将单芯同轴圆柱体坯料在氩气保护下进行热等静压烧结，炉内温度在2h上升到烧结温度(根据不同的成分体系选择不同的烧结温度)，升温的同时加压至130MPa，随后保温保压2h后开始冷却，得到碳素-金属复合材料坯体，备用；
(4)、将碳素-金属复合材料坯体去除包套，在400-600℃或700-1000℃下热挤压得到直径为30-40mm的二维碳素-金属构型化复合材料。
优选地，步骤(1)中，金属箔片选自铝箔或表面修饰的铜箔；表面修饰的铜箔的过程为：采用磁控溅射或化学气相沉积的方法对铜箔进行表面合金化、表面镀膜或原位生长石墨烯。原位生长石墨烯为单层或多层的石墨烯，石墨烯的厚度为0.3-30nm，片径为0.1-30μm，优选为0.5-10μm。
优选地，铝箔和表面修饰的铜箔的宽度均为10cm，厚度均为10-30μm。
优选地，步骤(2)中，碳素材料选自石墨纸、鳞片石墨、石墨烯纳米片和石墨烯薄膜中的一种以上。
优选地，步骤(2)中，当退火的金属箔片为退火的铜箔时，采用磁控溅射或化学气相沉积的方法，对退火后的铜箔进行原位生长石墨烯、表面合金化或石墨烯表面镀膜等工艺的修饰，备用。
优选地，步骤(2)中，当碳素材料为鳞片石墨或石墨烯纳米片时，超声分散后喷洒在退火的金属箔片的表面，烘干后一起卷制成单芯同轴圆柱体坯料。
优选地，步骤(2)中，单芯同轴圆柱体坯料的直径为6cm，高度为10-50cm。
优选地，步骤(3)中，热等静压烧结的烧结温度根据材料体系的不同分别为700-1000℃或400-600℃，烧结压力为130Mpa，保温时间为2h，升温速率为10℃/min，升温的同时逐渐加压。
优选地，当金属箔片为铜箔时，烧结的温度为700-1000℃；当金属箔片为铝箔时，烧结的温度为400-600℃。
不同种类的金属箔片分别和石墨纸、鳞片石墨、石墨烯纳米片或石墨烯薄膜叠层卷制成同轴的螺旋状叠层构型，在热等静压和热挤压的过程中，同轴构型保持不变。
为达到第三个目的，本发明的解决方案是：
一种上述的二维碳素-金属构型化复合材料在热管理领域中的应用。
由于采用上述方案，本发明的有益效果是：
第一、本发明采用金属箔片和二维碳素材料复合卷制的具有同轴构型的二维碳素-金属复合材料，在横向截面方向具有金属和碳素材料依次交替的叠层同芯圆环结构能够保证材料的各向同性，纵向方向具有较高的热导率，从而在提高材料导热性能的同时解决了热管理材料在热导率和热膨胀不匹配的问题，为制备高导热石墨-金属复合材料提供指导。
第二、本发明的热等静压烧结工艺能够为原材料坯体在各个方向提供同等的烧结压力，这就为获得单芯同轴特殊构型材料提供了保障，即热等静压烧结技术在对复合材料致密化的同时，能够保证单芯同轴构型的完整构筑。
第三、本发明的铜箔经过表面修饰，能够有效改善铜箔基体和碳素材料的润湿性，提高铜箔和碳素材料的界面结合力，降低界面热阻。
附图说明
图1为本发明的高导热、低热膨胀的二维碳素-金属构型化复合材料的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种二维碳素-金属构型化复合材料及其制备方法和应用。
本发明的制备方法分别将铝箔、经过表面修饰的铜箔和石墨纸、石墨烯薄膜叠层卷制，或将超声后的鳞片石墨和石墨烯纳米片、与铝箔、表面修饰的铜箔叠层复合，构筑同轴的螺旋状叠层构型，最后通过热等静压烧结和热挤压的方法，获得高热导率和低热膨胀系数匹配的二维碳素-金属构型化复合材料。
<二维碳素-金属构型化复合材料>
如图1所示，本发明的二维碳素-金属构型化复合材料由体积分数为20-90％的金属箔片和10-80％的碳素材料同轴构型得到；其中，金属箔片选自铝箔或表面修饰的铜箔；碳素材料选自体积分数为30-80％的石墨纸、10-30％的鳞片石墨、10-30％的石墨烯纳米片和10-80％的石墨烯薄膜中的一种以上。
其中，表面修饰的铜箔的过程为：采用磁控溅射或化学气相沉积的方法对铜箔进行表面合金化、表面镀膜或原位生长石墨烯等工艺。
原位生长石墨烯为单层或多层的石墨烯，石墨烯的厚度为0.3-30nm，片径为0.1-30μm，优选为0.5-10μm。
铝箔和表面修饰的铜箔的宽度均为10cm，厚度均为10-30μm。
石墨纸的纯度为99.9％，厚度为10-30μm，宽度为10-50cm。
鳞片石墨的纯度为99.9％，片径为0.5-5μm。
石墨烯纳米片的片径为5-10μm。
石墨烯薄膜的厚度为40-60μm。
<二维碳素-金属构型化复合材料的制备方法>
本发明的二维碳素-金属构型化复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)、退火还原：将金属箔片进行退火还原，去除表面的氧化物，得到退火的金属箔片；
(2)、同轴构型的构筑：将退火的金属箔片和碳素材料叠层卷制成单芯同轴圆柱体坯料(同轴螺旋状圆柱体)；
(3)、烧结：将单芯同轴圆柱体坯料在氩气气氛保护下进行热等静压烧结，得到碳素-金属复合材料坯体；
(4)、热挤压：将碳素-金属复合材料坯体去除包套，在400-600℃或700-1000℃下热挤压得到二维碳素-金属构型化复合材料。
其中，在步骤(1)中，金属箔片选自铝箔或表面修饰的铜箔；表面修饰的铜箔的过程为：采用磁控溅射或化学气相沉积的方法分别对铜箔表面进行表面修饰对铜箔进行表面合金化、表面镀膜或原位生长石墨烯。原位生长石墨烯为单层或多层的石墨烯，石墨烯的厚度为0.3-30nm，片径为0.1-30μm，优选为0.5-10μm。
铝箔和表面修饰的铜箔的宽度均为10cm，厚度均为10-30μm。
在步骤(2)中，碳素材料选自石墨纸、鳞片石墨、石墨烯纳米片和石墨烯薄膜中的一种以上。
在步骤(2)中，当退火的金属箔片为铜箔时，对退火后的铜箔进行表面修饰，即采用磁控溅射或化学气相沉积的方法，对退火后的铜箔进行原位生长石墨烯、表面合金化或石墨烯表面镀膜等表面修饰，从而提高润湿性和界面结合力，降低界面热阻。
在步骤(2)中，当碳素材料为鳞片石墨或石墨烯纳米片时，超声分散后均匀喷洒在退火的金属箔片的表面，烘干后一起卷制成单芯同轴圆柱体坯料。
在步骤(2)中，单芯同轴圆柱体坯料的直径为6cm，高度为10-50cm。
在步骤(3)中，热等静压烧结时，烧结温度为400-600℃或700-1000℃，烧结压力为130Mpa，保温时间为2h，升温速率为10℃/min。
当金属箔片为铜箔时，烧结的温度为700-1000℃；当金属箔片为铝箔时，烧结的温度为400-600℃。
综上，本发明采用金属箔片和二维碳素材料(石墨纸、鳞片石墨、石墨烯纳米片和石墨烯薄膜)叠层卷制成具有同轴构型的复合材料坯体，通过热等静压烧结和热挤压进行致密化，从而获得一种具有同轴构型的高热导率和低热膨胀系数匹配的二维碳素-金属构型化复合材料。
<二维碳素-金属构型化复合材料的应用>
本发明的二维碳素-金属构型化复合材料可以在热管理领域中得以应用。
以下结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：
本实施例的二维石墨纸-铜复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)、将厚度为25μm的铜箔在氢氩混合气氛中进行退火除去表面氧化物，得到退火的铜箔。
(2)、采用化学气相沉积法(CVD)在退火的铜箔表面原位生长石墨烯，然后将石墨烯修饰的铜箔和纯度为99.9％、厚度为15μm的石墨纸叠层放置，卷制成直径为6cm，高度为10cm的单芯同轴圆柱体坯料。
(3)、再将单芯同轴圆柱体坯料在氩气气氛保护下进行热等静压烧结，炉内温度在2h上升到900℃，升温的同时加压至130MPa，随后保温保压2h后开始冷却，得到具有单芯同轴构型且高热导率和低热膨胀系数匹配的石墨纸-铜复合材料坯体。
(4)、将该石墨纸-铜复合材料坯体去除包套，并在850℃的条件下进行热挤压获得直径为30mm的圆柱体试样。制备的具有单芯同轴构型且高热导率和低热膨胀系数匹配的二维石墨纸-铜复合材料，其致密度为98.5％，热导率为745W/mK。
实施例2：
本实施例的二维石墨纸-铝复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)、将厚度为25μm的铝箔在氩气气氛中进行退火除去表面氧化物，得到退火的铝箔。
(2)、将退火的铝箔和纯度为99.9％、厚度为25μm的石墨纸叠层放置，卷制成直径为6cm，高度为10cm的单芯同轴圆柱体坯料。
(3)、再将单芯同轴圆柱体坯料在氩气气氛保护下进行热等静压烧结，炉内温度在2h上升到500℃，升温的同时加压至130MPa，随后保温保压2h后开始冷却，得到具有单芯同轴构型且高热导率和低热膨胀系数匹配的石墨纸-铝复合材料坯体。
(4)、将该石墨纸-铝复合材料坯体去除包套，并在450℃的条件下进行热挤压获得直径为30mm的圆柱体试样。制备的具有单芯同轴构型且高热导率和低热膨胀系数匹配的二维石墨纸-铝复合材料，其致密度为98.8％，热导率为635W/mK。
实施例3：
本实施例的二维鳞片石墨-铜复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)、将厚度为25μm的铜箔在氩气气氛中进行退火除去表面氧化物，得到退火的铜箔。
(2)、采用化学气相沉积法(CVD)在退火的铜箔表面原位生长石墨烯，然后将片径为0.5μm的鳞片石墨超声分散2h后，均匀地喷洒在石墨烯修饰的铜箔表面并烘干，然后将喷洒有鳞片石墨的铜箔卷制成直径为6cm，高度为10cm的单芯同轴圆柱体坯料。
(3)、再将单芯同轴圆柱体坯料在氩气气氛保护下进行热等静压烧结，炉内温度在2h上升到900℃，升温的同时加压至130MPa，随后保温保压2h后开始冷却，得到具有单芯同轴构型且高热导率和低热膨胀系数匹配的鳞片石墨-铜复合材料坯体。
(4)、将该鳞片石墨-铜复合材料坯体去除包套，并在850℃的条件下进行热挤压获得直径为30mm的圆柱体试样。制备的具有单芯同轴构型且高热导率和低热膨胀系数匹配的二维鳞片石墨-铜复合材料，其致密度为98.3％，热导率为463W/mK。
实施例4：
本实施例的二维鳞片石墨-铝复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)、将厚度为25μm的铝箔在氩气气氛中进行退火除去表面氧化物，得到退火的铝箔。
(2)、然后将片径为5μm的鳞片石墨超声分散2h后，均匀地喷洒在退火的铝箔表面并烘干，然后将喷洒有鳞片石墨的铝箔卷制成直径为6cm，高度为10cm的单芯同轴圆柱体坯料。
(3)、再将单芯同轴圆柱体坯料在氩气气氛保护下进行热等静压烧结，炉内温度在2h上升到500℃，升温的同时加压至130MPa，随后保温保压2h后开始冷却，得到具有单芯同轴构型且高热导率和低热膨胀系数匹配的鳞片石墨-铝复合材料坯体。
(4)、将该鳞片石墨-铝复合材料坯体去除包套，并在450℃的条件下进行热挤压获得直径为30mm的圆柱体试样。制备的具有单芯同轴构型且高热导率和低热膨胀系数匹配的二维鳞片石墨-铝复合材料，其致密度为98.5％，热导率为428W/mK。
实施例5：
本实施例的二维石墨烯纳米片-铜复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)、将厚度为25μm的铜箔在氩气气氛中进行退火除去表面氧化物，得到退火的铜箔。
(2)、采用化学气相沉积法(CVD)在退火的铜箔表面原位生长石墨烯，然后将片径为5μm的石墨烯纳米片超声分散2h后，均匀地喷洒在石墨烯修饰的铜箔表面并烘干，然后将喷洒有石墨烯纳米片的铜箔卷制成直径为6cm，高度为10cm的单芯同轴圆柱体坯料。
(3)、再将单芯同轴圆柱体坯料在氩气气氛保护下进行热等静压烧结，炉内温度在2h上升到900℃，升温的同时加压至130MPa，随后保温保压2h后开始冷却，得到具有单芯同轴构型且高热导率和低热膨胀系数匹配的石墨烯纳米片-铜复合材料坯体。
(4)、将该石墨烯纳米片-铜复合材料坯体去除包套，并在850℃的条件下进行热挤压获得直径为30mm的圆柱体试样。制备的具有单芯同轴构型且高热导率和低热膨胀系数匹配的二维石墨烯纳米片-铜复合材料，其致密度为98.2％，热导率为560W/mK。
实施例6：
本实施例的二维石墨烯纳米片-铝复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)、将厚度为25μm的铝箔在氩气气氛中进行退火除去表面氧化物，得到退火的铝箔。
(2)、将片径为10μm的石墨烯纳米片超声分散2h后，均匀地喷洒在退火的铝箔表面并烘干，然后将喷洒有石墨烯纳米片的铝箔卷制成直径为6cm，高度为10cm的单芯同轴圆柱体坯料。
(3)、再将单芯同轴圆柱体坯料在氩气气氛保护下进行热等静压烧结，炉内温度在2h上升到500℃，升温的同时加压至130MPa，随后保温保压2h后开始冷却，得到具有单芯同轴构型且高热导率和低热膨胀系数匹配的石墨烯纳米片-铝复合材料坯体。
(4)、将该石墨烯纳米片-铝复合材料坯体去除包套，并在450℃的条件下进行热挤压获得直径为30mm的圆柱体试样。制备的具有单芯同轴构型且高热导率和低热膨胀系数匹配的二维石墨烯纳米片-铝复合材料，其致密度为99.3％，热导率为362W/mK。
实施例7：
本实施例的二维石墨烯薄膜-铜复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)、将厚度为25μm的铜箔在氩气气氛中进行退火除去表面氧化物，得到退火的铜箔。
(2)、采用化学气相沉积法(CVD)在退火的铜箔表面原位生长石墨烯，然后将厚度为40μm的石墨烯薄膜和表面生长石墨烯的铜箔叠层放置，卷制成直径为6cm，高度为10cm的单芯同轴圆柱体坯料。
(3)、再将单芯同轴圆柱体坯料在氩气气氛保护下进行热等静压烧结，炉内温度在2h上升到900℃，升温的同时加压至130MPa，随后保温保压2h后开始冷却，得到具有单芯同轴构型且高热导率和低热膨胀系数匹配的石墨烯薄膜-铜复合材料坯体。
(4)、将该石墨烯薄膜-铜复合材料坯体去除包套，并在850℃的条件下进行热挤压获得直径为30mm的圆柱体试样。制备的具有单芯同轴构型且高热导率和低热膨胀系数匹配的二维石墨烯薄膜-铜复合材料，其致密度为98.6％，热导率为1036W/mK。
综上，本发明中各实施例卷制后的同轴圆柱体复合材料采用美国AIP公司的热等静压烧结工艺进行烧结，烧结温度根据不同的材料体系确定(铜箔基体为700-1000℃，铝箔基体为400-600℃)，烧结压力为130Mpa，保温时间为2h。烧结后获得的压坯尺寸大约为Φ40×100mm，块体样品线切割成热导率测试样品尺寸Φ12.6×3mm。样品的室温热导率由公式λ＝α×ρ×c计算得出，其中α为材料的室温热扩散系数，由德国耐驰公司LFA447设备通过激光闪射法测得；ρ为材料的密度，由阿基米德排水法测得；c为复合材料的比热容。实施例中给出的热导率均为在室温下的测试结果，如表1所示。
表1 各实施例中的工艺参数和材料热传导性能
Figure BDA0003101410180000091
综上，如表1和图1所示，本发明通过对碳素-金属复合材料构型化设计，制备出具有同轴构型的高导热、低热膨胀的碳素-金属复合材料，同轴构型能够使碳素-金属复合材料在横向截面上实现各向同性，而且在纵向方向使材料具有较高的热导率，从而在提高材料导热性能的同时解决了热管理材料在热导率和热膨胀不匹配的问题。其次，热等静压烧结工艺能够为原材料坯体在各个方向提供等效的烧结压力，这就为获得单芯同轴特殊构型材料提供了保障。
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术人员显然可以容易的对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种二维碳素-金属构型化复合材料，其特征在于：其由体积分数为20-90％的金属箔片和10-80％的碳素材料同轴构型得到；
所述金属箔片选自铝箔或表面修饰的铜箔；
所述碳素材料选自石墨纸、鳞片石墨、石墨烯纳米片和石墨烯薄膜中的一种以上。
2.根据权利要求1所述的二维碳素-金属构型化复合材料，其特征在于：所述表面修饰的铜箔的过程为：采用磁控溅射或化学气相沉积的方法对铜箔进行表面合金化、表面镀膜或原位生长石墨烯。
3.根据权利要求2所述的二维碳素-金属构型化复合材料，其特征在于：所述原位生长石墨烯为单层或多层的石墨烯，石墨烯的厚度为0.3-30nm，片径为0.1-30μm；
优选地，石墨烯的片径为0.5-10μm。
4.根据权利要求1所述的二维碳素-金属构型化复合材料，其特征在于：所述铝箔和表面修饰的铜箔的宽度均为10-50cm，厚度均为10-30μm；和/或，
所述石墨纸的纯度为99.9％，厚度为10-30μm，宽度为10-50cm；和/或，
所述鳞片石墨的纯度为99.9％，片径为0.5-5μm；和/或，
所述石墨烯纳米片的片径为5-10μm；和/或，
所述石墨烯薄膜的厚度为40-60μm。
5.一种根据权利要求1-4任一项所述的二维碳素-金属构型化复合材料的制备方法，其特征在于：其包括如下步骤：
(1)、将金属箔片进行退火还原，得到退火的金属箔片；
(2)、将所述退火的金属箔片和碳素材料叠层卷制成单芯同轴圆柱体坯料；
(3)、将所述单芯同轴圆柱体坯料在氩气保护下进行热等静压烧结，得到碳素-金属复合材料坯体；
(4)、将所述碳素-金属复合材料坯体去除包套，在400-600℃或700-1000℃下热挤压得到二维碳素-金属构型化复合材料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述金属箔片选自铝箔或表面修饰的铜箔；和/或，
所述表面修饰的铜箔的过程为：采用磁控溅射或化学气相沉积的方法对铜箔进行表面合金化、表面镀膜或原位生长石墨烯；和/或，
所述原位生长石墨烯为单层或多层的石墨烯，石墨烯的厚度为0.3-30nm，片径为0.1-30μm；和/或，
所述石墨烯的片径为0.5-10μm；和/或，
所述铝箔和表面修饰的铜箔的宽度均为10cm，厚度均为10-30μm。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述碳素材料选自石墨纸、鳞片石墨、石墨烯纳米片和石墨烯薄膜中的一种以上。
8.根据权利要求5-7任一项所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，当所述退火的金属箔片为退火的铜箔时，采用磁控溅射或化学气相沉积的方法对退火的铜箔进行表面合金化、表面镀膜或原位生长石墨烯的修饰；和/或，
步骤(2)中，当所述碳素材料为鳞片石墨或石墨烯纳米片时，超声分散后喷洒在退火的金属箔片的表面，烘干后一起卷制成单芯同轴圆柱体坯料；和/或，
步骤(2)中，所述单芯同轴圆柱体坯料的直径为6cm，高度为10-50cm。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述热等静压烧结时，烧结温度为400-600℃或700-1000℃，烧结压力为130Mpa，保温时间为2h，升温速率为10℃/min；
优选地，当金属箔片为铜箔时，所述烧结的温度为700-1000℃；当金属箔片为铝箔时，所述烧结的温度为400-600℃。
10.一种如权利要求1所述的二维碳素-金属构型化复合材料在热管理领域中的应用。
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