CN113770362A - 一种取向碳纳米管-金属基复合材料导热盘的制备方法 - Google Patents

一种取向碳纳米管-金属基复合材料导热盘的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种碳纳米管‑金属基复合材料导热盘的制备方法，属于粉末冶金领域。首先采用浆料法制备金属基/碳纳米管复合粉末，即将预先退火的金属粉末与经过超声破碎分散的碳纳米管一同放在去离子水中进行机械搅拌，搅拌直至透明状后，再将溶液过滤所得粉末进行烘干，得到碳纳米管均匀分散在金属粉体表面的复合粉；接着将复合粉末装入石墨模具中，采用热压的方式压制成取向碳纳米管‑金属基复合材料。该方法具有界面可分离的显著优点，能够适用于目前各种模块化设备即插即用式的高效热输运工况，尤其利于在轨组装模块化航天器的发展；相比于基于垂直碳纳米管阵列的可分离式热界面材料，直接引入分散的碳纳米管不仅缩短了工艺流程，还极大地降低了制造成本。

Description

一种取向碳纳米管-金属基复合材料导热盘的制备方法
技术领域
本发明属于粉末冶金领域，具体涉及一种取向碳纳米管-金属基复合材料导热盘的制备方法，碳纳米管-金属基复合材料导热盘具有超低界面热阻的取向。
背景技术
随着人类太空探索步伐的不断深入，对航天器或空间系统的功能要求越来越高，相应航天器的体积和重量不断增加，依靠现有的发射技术很难一次将大型航天器发射到太空。模块化在轨组装是国内外公认的解决这一问题的最佳途径。该技术先将航天器或空间系统根据功能进行模块化设计，之后将不同的功能模块分步发射到太空中，再根据具体的功能需求将模块与主模块(如卫星)通过在轨组装的方法进行机械连接以完成特定的功能需要。功能模块中很大一部分为工作时产生大量热量的大功率电器模块，热量能否有效地散发出去关系到功能模块是否能够稳定工作。但是由于结构限制，模块不带有自身冷却功能。模块设计时，散热问题的解决思路是模块本身产生的热量通过主空间站搭载的冷却系统进行冷却。因此保证标准模块与主模块之间两对接圆盘(导热盘)通畅的传热路径尤为关键。
对于两导热盘间的固-固界面传热，实际粗糙的固体表面相接触时仅有少量凸起部分紧密接触进行传导传热，周围绝大部分为间隙空气通过辐射传热，所以当热流通过此界面时，会由于热流收缩而产生界面接触热阻。接触热阻的存在严重限制了高热导率热沉的性能发挥，此时热界面材料(Thermal Interface Materials,TIMs)应运而生。TIMs填充于两接触固体表面间，可以增加实际接触面积，提高热流输运能力，其理想效果是采用高热导率的材料替代两固体间充满空气的空间并与基体紧密粘接。目前商用的热界面材料包括有机类热界面材料(如导热膏、导热凝胶，材料本身热阻介于10-20mm2·K/W)、低熔点合金焊料(主要成分为Sn、Ag、Cu等，材料本身热阻<5mm2·K/W)和相变材料三大类，但是这些材料均存在界面不可分离这一致命问题，不适合在轨组装模块化航天器传热使用。
研究表明，单根单壁碳纳米管在室温下的热导率高于6000W/(m·K)，实验测得的单根多壁碳纳米管在室温下的热导率也高于3000W/(m·K)，而且其本身具有较低的径向面内膨胀系数以及形貌可适应接触面粗糙度，唯一不足之处在于范德华力的作用使得碳纳米管极易发生团聚。因此，如何将碳纳米管均匀的分散在金属粉体的表面，与金属基体构成良好复合关系的同时能够在接触界面处形成取向，填充两接触界面之间的间隙以降低界面热阻，成为开发适用于模块化散热的具有超低界面热阻的导热盘的关键。
发明内容
本发明的目的在于实现一种可分离式、具有超低界面热阻的取向碳纳米管-金属基复合材料导热盘的制备，以期适用于目前各种模块化设备即插即用式的热输运工况，尤其是保证在轨组装模块化航天器之间的高效热输运。
本发明提供了一种取向碳纳米管-金属基复合材料导热盘的制备方法，具有超低界面热阻，其特征在于具体步骤为：
S1、首先采用浆料法制备金属基/碳纳米管复合粉末，即将预先退火的金属粉末与经过超声破碎分散的碳纳米管一同放在去离子水中进行机械搅拌，搅拌直至透明状后，再将溶液过滤所得粉末进行烘干，得到碳纳米管均匀分散在金属粉体表面的复合粉；
S2、接着将复合粉末装入石墨模具中，采用热压的方式压制成取向碳纳米管-金属基复合材料；
S3、随后依次通过机械抛光和电解抛光，使得位于接触表面的粉末颗粒间隙之间的纳米管探出；
S4、最后将接触表面探出有取向碳纳米管的金属基复合材料与热源在一定压力下形成密切接触，使得具备超高热导率的取向碳纳米管填充两接触界面之间的间隙，从而增加了热流通路，降低了两界面之间的接触热阻。
进一步地，金属粉末可以是铜粉、铝粉、钛粉或者是各自的合金粉末，平均晶粒尺寸为30-50μm，且在预先退火的过程中需保证升温速率不高于200℃/h，保温温度为对应金属或者合金粉末熔点的50％～70％，保温时间不低于30min，可以在还原性气氛(氢气、分解氨、转化天然气、煤气等)、情性气体或者真空保护条件下进行，保温后采用炉冷或者空冷的方式冷却至室温。
进一步地，采用超声破碎的方式分散碳纳米管时，超声频率不高于40kHz，超声时间为10～30min，温度不高于80℃，分散剂为常用阴离子表面活性剂(羧酸盐、磺酸盐、硫酸酯盐、磷酸酯盐)的水溶液，浓度不低于100mg/L。
进一步地，采用热压的方式制备该材料时，升温速率不高于20℃/min，保温/烧结温度为对应金属或者合金粉末熔点的70％～85％，施加压力不低于20MPa，保温保压时间不低于2h，真空度不低于0.3Pa，热压结束后样品随炉冷却到室温。
进一步地，样品在电解抛光前需分别经过丙酮和无水乙醇清洗，采用磷酸作为电解液，其浓度处于40％～60％之间，恒流电解过程中电流控制在0.3A左右，电解抛光时间不低于2min。
进一步地，可以通过控制电解抛光的时间来控制接触界面处探出碳纳米管的长度，以适应不同的工况。
本发明的主要优点在于：(1)以具备优异的导电和导热性能的碳纳米管作为主要强化相，不仅能够提高金属基体本身的性能，而且能够在接触界面形成取向分布，使得具备超高热导率的取向碳纳米管填充两接触界面之间的间隙，从而增加了热流通路，极大地降低了两界面之间的接触热阻；(2)该方法相比于传统的添加导热膏和导热凝胶等有机类热界面材料、采用低熔点合金焊料以及相变材料等降低固-固界面热阻的方法，具有界面可分离的显著优点，能够适用于目前各种模块化设备即插即用式的高效热输运工况，尤其利于目前在轨组装模块化航天器的发展；(3)相比于目前基于垂直碳纳米管阵列的可分离式热界面材料，直接引入分散的碳纳米管，并且采用热压法制备取向碳纳米管-金属基复合材料导热盘，不仅缩短了工艺流程，还极大地降低了制造成本，有利于工业化生产。
附图说明
图1为取向碳纳米管-金属基复合材料导热盘的制备工艺流程，
图2为采用浆料法制备的纳米管-铜复合粉体的表面形貌，
图3为采用热压法在920℃、30MPa的压力下保温保压2h所制备的取向碳纳米管-铜复合材料，
图4为采用电解抛光后取向碳纳米管-铜复合材料的表面形貌，
图5为经过电解抛光前后样品与同一配对面的界面热阻随压力的变化。
具体实施方式
实施例1、一种具有超低界面热阻的取向碳纳米管-铜基复合材料导热盘的制备方法
第一步，铜粉的预处理：将18g平均晶粒尺寸为38μm的电解铜粉放入600℃氢气气氛中保温2h，随后空冷至室温；
第二步，称取0.027g碳纳米管，采用十六烷基磺酸钠的水溶液作为分散剂，浓度为1g/L，超声频率设置为30kHz，温度为60℃，持续超声20min后，放入真空干燥箱中烘干；
第三步，将上述浆料法制备的混合粉装入直径为20mm的石墨模具中，按照10℃/min的升温速率加热至920℃，同时缓慢施加30MPa压力，并在此压力下保温2h，真空度达到3×10-1Pa，热压结束后，随炉冷却到室温，最后脱模便得到Cu-0.15wt％CNTs复合材料导热盘；
第四步，将所烧结的样品分别经过600目、800目、1200目、1500目、2000目、3000目的砂纸打磨之后进行机械抛光，待表面划痕较少时，再进行电解抛光；
第五步，机械抛光后的样品分别经过丙酮和无水乙醇清洗后，放入体积分数为52％的磷酸电解液中，采用0.3A恒流电解，抛光时间为2min，即得到接触表面纳米管取向分布的铜基复合材料。
实施例2、一种具有超低界面热阻的取向碳纳米管-铝基复合材料导热盘的制备方法
第一步，铝粉的预处理：将8g平均晶粒尺寸为42μm的铝粉放入350℃真空中保温2h，随后随炉冷却至室温；
第二步，称取0.016g碳纳米管，采用十二烷基硫酸铵的水溶液作为分散剂，浓度为0.8g/L，超声频率设置为30kHz，温度为60℃，持续超声20min后，放入真空干燥箱中烘干；
第三步，将上述浆料法制备的混合粉装入直径为30mm的石墨模具中，按照10℃/min的升温速率加热至530℃，同时缓慢施加25MPa压力，并在此压力下保温2h，真空度达到3×10-1Pa，热压结束后，随炉冷却到室温，最后脱模便得到Al-0.2wt％CNTs复合材料导热盘；
第四步，将所烧结的样品分别经过600目、800目、1200目、1500目、2000目的砂纸打磨之后进行机械抛光，待表面划痕较少时，再进行电解抛光；
第五步，机械抛光后的样品分别经过丙酮和无水乙醇清洗后，放入体积分数为48％的磷酸电解液中，采用0.3A恒流电解，抛光时间为2.5min，即得到接触表面纳米管取向分布的铝基复合材料。

Claims (7)

1.一种取向碳纳米管-金属基复合材料导热盘的制备方法，具有超低界面热阻取向，其特征在于具体步骤为：
S1、首先采用浆料法制备金属基/碳纳米管复合粉末，即将预先退火的金属粉末与经过超声破碎分散的碳纳米管一同放在去离子水中进行机械搅拌，搅拌直至透明状后，再将溶液过滤所得粉末进行烘干，得到碳纳米管均匀分散在金属粉体表面的复合粉；
S2、接着将复合粉末装入石墨模具中，采用热压的方式压制成取向碳纳米管-金属基复合材料；
S3、随后依次通过机械抛光和电解抛光，使得位于接触表面的粉末颗粒间隙之间的纳米管探出；
S4、最后将接触表面探出有取向碳纳米管的金属基复合材料与热源在一定压力下形成密切接触，使得具备超高热导率的取向碳纳米管填充两接触界面之间的间隙，从而增加了热流通路，降低了两界面之间的接触热阻。
2.根据权利要求1所述的一种取向碳纳米管-金属基复合材料导热盘的制备方法，其特征在于金属粉末为铜粉、铝粉、钛粉或者是各自的合金粉末，平均晶粒尺寸为30-50μm。
3.根据权利要求1所述的一种取向碳纳米管-金属基复合材料导热盘的制备方法，其特征在于金属粉末在预先退火的过程中需保证升温速率不高于200℃/h，保温温度为对应金属或者合金粉末熔点的50％～70％，保温时间不低于30min，在还原性气氛、情性气体或者真空保护条件下进行，保温后采用炉冷或者空冷的方式冷却至室温；所述还原性气氛包括氢气、分解氨、转化天然气、煤气。
4.根据权利要求1所述的一种取向碳纳米管-金属基复合材料导热盘的制备方法，其特征在于采用超声破碎的方式分散碳纳米管时，超声频率不高于40kHz，超声时间为10～30min，温度不高于80℃，分散剂为常用阴离子表面活性剂的水溶液，浓度不低于100mg/L；所述常用阴离子表面活性剂羧酸盐、磺酸盐、硫酸酯盐、磷酸酯盐。
5.根据权利要求1所述的一种取向碳纳米管-金属基复合材料导热盘的制备方法，其特征在于采用热压的方式制备该材料时，升温速率不高于20℃/min，保温/烧结温度为对应金属或者合金粉末熔点的70％～85％，施加压力不低于20MPa，保温保压时间不低于2h，真空度不低于0.3Pa，热压结束后样品随炉冷却到室温。
6.根据权利要求1所述的一种取向碳纳米管-金属基复合材料导热盘的制备方法，其特征在于样品在电解抛光前需分别经过丙酮和无水乙醇清洗，采用磷酸作为电解液，其体积分数处于40％～60％之间，恒流电解过程中电流控制在0.3A左右，电解抛光时间不低于2min。
7.根据权利要求6所述的一种取向碳纳米管-金属基复合材料导热盘的制备方法，其特征在于可以通过控制电解抛光的时间来控制接触界面处探出碳纳米管的长度，以适应不同的工况。
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