CN113789455B - 一种高强高导热铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种高强高导热铝基复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强高导热铝基复合材料及其制备方法，该铝基复合材料为铝、二硼化镁与石墨的复合材料。本发明制备方法包括如下步骤：首先将铝粉与二硼化镁粉末混合均匀得到铝‑二硼化镁混合物，随后将上述混合物与石墨粉混合均匀得到铝‑二硼化镁‑石墨混合物。将铝‑二硼化镁‑石墨混合物进行真空热压烧结，使熔融形成的铝液流动填充于石墨间隙中形成金属骨架，而二硼化镁颗粒则作为增强相均匀分散在铝金属骨架中，从而得到高强高导热铝基复合材料。采用本发明制备的铝基复合材料强度和热导率均较高，并且制备工艺简单、成本低廉、适合大规模生产，具有广泛的应用前景。

Description

一种高强高导热铝基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于导热散热材料的技术领域，具体涉及一种高强高导热铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
随着5G技术以及智能技术的普及应用，电子元器件向着小型化、集成化、高功率化、多功能化、空间紧凑化方向发展，散热问题以及由此导致的性能衰减和安全性问题摆在了越来越突出的位置，因此，对散热材料的要求也越来越高。铝基复合材料中的铝-石墨复合材料是一类新型的优良导热散热材料，其因高热导率、低热膨胀系数、低密度等性能而受到了广泛关注。然而，由于石墨脆性较大，且石墨与铝之间润湿性差，导致铝-石墨复合材料强度过低，造成铝-石墨复合材料成型困难，不利于大规模生产和使用。
发明内容
针对现有技术中的不足与难题，本发明旨在提供一种高强高导热铝基复合材料及其制备方法，该高强高导热铝基复合材料的热导率高、热膨胀系数可控、机械性能和加工性能优异，且适合大规模生产及应用。
本发明一方面提供了一种高强高导热铝基复合材料，所述铝基复合材料包括如下质量百分含量的组分：铝40～60％、二硼化镁5～20％与石墨30～50％。
优选地，所述铝基复合材料的结构中，所述二硼化镁颗粒均匀分散在铝金属骨架中，所述石墨在微观上保持水平排列。
本发明另一方面还提供了上述高强高导热铝基复合材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将铝粉与二硼化镁粉末按一定质量比加入到球磨机中球磨混合均匀，球磨3～6小时，得到铝-二硼化镁混合物；
(2)称取一定质量石墨粉，加入到步骤(1)中铝-二硼化镁混合物中，随后在搅拌器中进行搅拌混匀，每次搅拌时间5-10分钟，搅拌次数1-3次；
(3)铝-二硼化镁-石墨混合物放置于石墨模具中，随后将石墨模具放置在振动器中将铝-二硼化镁-石墨混合物振动使石墨在微观上保持平行排列，振动时间10～30分钟；
(4)将石墨模具置于热压炉中进行真空热压烧结，热压强度10～30兆帕，热压温度为660～800摄氏度，热压时间为30～180分钟，得到高强高导热铝基复合材料。
优选地，所述的步骤(1)中，铝粉粒径为10～100微米，二硼化镁粒径为0.1～10微米。
优选地，所述的步骤(2)中，石墨粉粒径为100～1000微米，石墨粉厚度10～50微米。
优选地，所述的步骤(4)真空热压烧结过程中，热压炉内氧气含量≤1ppm。
与现有技术相比，本发明有益效果包括：
(1)本发明制备的铝基复合材料具有热导率高、热膨胀系数可控、机械性能和加工性能优异等优点；经验证，本发明高强高导热铝基复合材料在平行于石墨X-Y方向的热导率为300～600W/m·K，热膨胀系数为6～15ppm/K，复合材料抗弯强度可以实现60～220兆帕，满足使用力学性能要求。
(2)本发明高强高导热铝基复合材料的制备方法操作简单，易于实现，对设备要求不高，无有毒有害中间产物生成，符合现代工业对环境保护的要求，便于实现规模化生产，有商业化应用前景。
(3)本发明通过在铝金属骨架中加入二硼化镁，一方面二硼化镁作为增强相能够提高复合材料强度，改善复合材料加工性能和使用性能；另一方面二硼化镁具有较高的热导率，使复合材料仍然能够维持较好的散热性能；同时，由于二硼化镁质量密度与铝接近，因此能够比较容易实现二硼化镁和铝粉的均匀混合，进而实现二硼化镁在铝金属骨架中的均匀分布，便于复合材料的规模化制备；此外，二硼化镁与铝和石墨之间均能形成较为紧密的接触，从而进一步提高复合材料机械性能。
具体实施方式
下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明只用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
高强高导热铝基复合材料的制备方法包括如下步骤：
1)将铝粉与二硼化镁粉末按质量比铝∶二硼化镁＝(40～60)∶(5～20)加入到球磨机中球磨混合均匀，球磨3～6小时，得到铝-二硼化镁混合物，铝粉粒径为10～100微米，二硼化镁粒径为0.1～10微米；
2)按质量比铝∶二硼化镁∶石墨＝(40～60)∶(5～20)∶(30～50)，称取一定质量石墨粉，加入到步骤1)中铝-二硼化镁混合物中，随后在搅拌器中进行搅拌混匀，搅拌时间5～10分钟，搅拌次数1～3次，石墨粉粒径为100～1000微米，石墨粉厚度10～50微米；
3)铝-二硼化镁-石墨混合物放置于石墨模具中，随后将石墨模具放置在振动器中将铝-二硼化镁-石墨混合物振动混合均匀，振动时间10～30分钟；
4)将石墨模具置于热压炉中进行真空热压烧结，热压强度10～30兆帕，热压温度为660～800摄氏度，热压时间为30～180分钟，热压炉内氧气含量≤1ppm，得到高强高导热铝基复合材料。
本发明中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。
实施例1：
1)将铝粉与二硼化镁粉末按质量比铝∶二硼化镁＝40∶10加入到球磨机中球磨混合均匀，球磨3小时，得到铝-二硼化镁混合物，铝粉粒径为10微米，二硼化镁粒径为0.1微米；
2)按质量比铝∶二硼化镁∶石墨＝40∶10∶50，称取一定质量石墨粉，加入到步骤1)中铝-二硼化镁混合物中，随后在搅拌器中进行搅拌混匀，搅拌时间5分钟，搅拌次数3次，石墨粉粒径为100微米，石墨粉厚度10微米；
3)铝-二硼化镁-石墨混合物放置于石墨模具中，随后将石墨模具放置在振动器中将铝-二硼化镁-石墨混合物振动混合均匀，振动时间30分钟；
4)将石墨模具置于热压炉中进行真空热压烧结，热压强度10兆帕，热压温度为660摄氏度，热压时间为180分钟，热压炉内氧气含量＝1ppm，得到高强高导热铝基复合材料。
实施例2：
1)将铝粉与二硼化镁粉末按质量比铝∶二硼化镁＝60∶5加入到球磨机中球磨混合均匀，球磨6小时，得到铝-二硼化镁混合物，铝粉粒径为100微米，二硼化镁粒径为10微米；
2)按质量比铝∶二硼化镁∶石墨＝60∶5∶35，称取一定质量石墨粉，加入到步骤1)中铝-二硼化镁混合物中，随后在搅拌器中进行搅拌混匀，搅拌时间10分钟，搅拌次数1次，石墨粉粒径为1000微米，石墨粉厚度50微米；
3)铝-二硼化镁-石墨混合物放置于石墨模具中，随后将石墨模具放置在振动器中将铝-二硼化镁-石墨混合物振动混合均匀，振动时间10分钟；
4)将石墨模具置于热压炉中进行真空热压烧结，热压强度30兆帕，热压温度为800摄氏度，热压时间为30分钟，热压炉内氧气含量0.1ppm，得到高强高导热铝基复合材料。
实施例3：
1)将铝粉与二硼化镁粉末按质量比铝∶二硼化镁＝50∶20加入到球磨机中球磨混合均匀，球磨5小时，得到铝-二硼化镁混合物，铝粉粒径为20微米，二硼化镁粒径为1微米；
2)按质量比铝∶二硼化镁∶石墨＝50∶20∶30，称取一定质量石墨粉，加入到步骤1)中铝-二硼化镁混合物中，随后在搅拌器中进行搅拌混匀，搅拌时间6分钟，搅拌次数2次，石墨粉粒径为300微米，石墨粉厚度20微米；
3)铝-二硼化镁-石墨混合物放置于石墨模具中，随后将石墨模具放置在振动器中将铝-二硼化镁-石墨混合物振动混合均匀，振动时间15分钟；
4)将石墨模具置于热压炉中进行真空热压烧结，热压强度15兆帕，热压温度为700摄氏度，热压时间为60分钟，热压炉内氧气含量＝0.5ppm，得到高强高导热铝基复合材料。
实施例4：
1)将铝粉与二硼化镁粉末按质量比铝∶二硼化镁＝55∶15加入到球磨机中球磨混合均匀，球磨3-6小时，得到铝-二硼化镁混合物，铝粉粒径为10-100微米，二硼化镁粒径为0.1-10微米；
2)按质量比铝∶二硼化镁∶石墨＝55∶15∶30，称取一定质量石墨粉，加入到步骤1)中铝-二硼化镁混合物中，随后在搅拌器中进行搅拌混匀，搅拌时间8分钟，搅拌次数2次，石墨粉粒径为500微米，石墨粉厚度30微米；
3)铝-二硼化镁-石墨混合物放置于石墨模具中，随后将石墨模具放置在振动器中将铝-二硼化镁-石墨混合物振动混合均匀，振动时间20分钟；
4)将石墨模具置于热压炉中进行真空热压烧结，热压强度25兆帕，热压温度为720摄氏度，热压时间为100分钟，热压炉内氧气含量＝0.8ppm，得到高强高导热铝基复合材料。
实施例5：
1)将铝粉与二硼化镁粉末按质量比铝∶二硼化镁＝50∶10加入到球磨机中球磨混合均匀，球磨4小时，得到铝-二硼化镁混合物，铝粉粒径为60微米，二硼化镁粒径为6微米；
2)按质量比铝∶二硼化镁∶石墨＝50∶10∶40，称取一定质量石墨粉，加入到步骤1)中铝-二硼化镁混合物中，随后在搅拌器中进行搅拌混匀，搅拌时间7分钟，搅拌次数3次，石墨粉粒径为600微米，石墨粉厚度40微米；
3)铝-二硼化镁-石墨混合物放置于石墨模具中，随后将石墨模具放置在振动器中将铝-二硼化镁-石墨混合物振动混合均匀，振动时间20分钟；
4)将石墨模具置于热压炉中进行真空热压烧结，热压强度20兆帕，热压温度为690摄氏度，热压时间为120分钟，热压炉内氧气含量＝0.3ppm，得到高强高导热铝基复合材料。
实施例6：
1)将铝粉与二硼化镁粉末按质量比铝∶二硼化镁＝45∶15加入到球磨机中球磨混合均匀，球磨3小时，得到铝-二硼化镁混合物，铝粉粒径为80微米，二硼化镁粒径为8微米；
2)按质量比铝∶二硼化镁∶石墨＝45∶15∶40，称取一定质量石墨粉，加入到步骤1)中铝-二硼化镁混合物中，随后在搅拌器中进行搅拌混匀，搅拌时间10分钟，搅拌次数3次，石墨粉粒径为900微米，石墨粉厚度45微米；
3)铝-二硼化镁-石墨混合物放置于石墨模具中，随后将石墨模具放置在振动器中将铝-二硼化镁-石墨混合物振动混合均匀，振动时间30分钟；
4)将石墨模具置于热压炉中进行真空热压烧结，热压强度150兆帕，热压温度为750摄氏度，热压时间为80分钟，热压炉内氧气含量＝0.9ppm，得到高强高导热铝基复合材料。
上述是对于本发明最佳实施例工艺步骤的详细表述，但是很显然，本发明技术领域的研究人员可以根据上述的步骤作出形式和内容方面非实质性的改变而不偏离本发明所实质保护的范围，因此，本发明不局限于上述具体的形式和细节。

Claims (4)

1.一种高强高导热铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）将铝粉与二硼化镁粉末按一定质量比加入到球磨机中球磨混合均匀，球磨3~6小时，得到铝-二硼化镁混合物；
（2）称取一定质量石墨粉，加入到步骤（1）中铝-二硼化镁混合物中，随后在搅拌器中进行搅拌混匀，每次搅拌时间5-10分钟，搅拌次数1-3次；
（3）铝-二硼化镁-石墨混合物放置于石墨模具中，随后将石墨模具放置在振动器中将铝-二硼化镁-石墨混合物振动使石墨在微观上保持平行排列，振动时间10~30分钟；
（4）将石墨模具置于热压炉中进行真空热压烧结，热压强度10~30 兆帕，热压温度为660~800摄氏度，热压时间为30~180分钟，得到高强高导热铝基复合材料；
所述铝基复合材料各组分的质量百分含量如下：铝40~60%、二硼化镁5~20%与石墨30~50%；
所述铝基复合材料的结构中，所述二硼化镁粉末均匀分散在铝金属骨架中，所述石墨在微观上保持水平排列。
2.根据权利要求1所述的一种高强高导热铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤（1）中，铝粉粒径为10~100微米，二硼化镁粒径为0.1~10微米。
3.根据权利要求1所述的一种高强高导热铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤（2）中，石墨粉粒径为100~1000微米，石墨粉厚度10~50微米。
4.根据权利要求1所述的一种高强高导热铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤（4）真空热压烧结过程中，热压炉内氧气含量≤1ppm。
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