CN114834105B - 高热导率金刚石碳纤维复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高热导率金刚石碳纤维复合材料及其制备方法。该复合材料是主要由自支撑金刚石膜片、碳纤维、金刚石条以及粘结剂复合而成。制备时，首先获得自支撑金刚石膜片及金刚石条，然后对膜片进行开孔，通过粘结剂粘结膜片和碳纤维层，重复操作直至复合材料的厚度达到需求，最后在孔内穿插金刚石条并用粘结剂粘结，待粘结剂固化后即获得高热导率金刚石碳纤维复合材料。本发明复合材料具有高导热、高强度、高韧性、低密度的优点，制备过程简单、成本低，易规模化、批量化生产。

Description

高热导率金刚石碳纤维复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于热管理材料及其制备技术领域，具体是一种高热导率金刚石碳纤维复合材料及其制备方法。

背景技术

随着电子技术的迅速发展，军民领域电子设备热控系统中元器件的功率越来越高，热管理变得尤为重要，甚至成为大功率电子器件发展的瓶颈。然而，目前通用的金属（Al，Cu）、陶瓷（SiC，AlN）、金属基复合材料（Cu/Mo，Al/SiC）等越来越难以满足大功率电子器件散热的需求。因此，开发新一代高导热材料来保证大功率电子设备热控系统的稳定工作成为热管理材料领域的研发重点。

不同于金属依靠外围电子进行传热，金刚石依靠声子传热，其室温下热导率最高可达2000 W/(m·K)，是铜的5倍。同时，金刚石具有极好的绝缘性，低的热膨胀系数和密度，使得金刚石成为大功率电子设备最佳的热管理应用材料。目前，金刚石在热管理材料上的应用主要有三种形式：CVD金刚石膜单独使用；CVD金刚石膜与金属焊接形成复合散热片；金刚石粉/颗粒与铜、铝等金属形成复合材料。金刚石单独作为散热材料面临如下问题：金刚石厚膜生长周期长，深加工困难，成本高；金刚石膜硬而脆，韧性差，易断裂。金刚石膜与金属焊接存在的问题是：金刚石化学惰性高，与金属材料浸润差，很难形成良好的界面结合；金刚石与金属热膨胀系数差异大，热冲击会引起变形失调。金刚石粉/颗粒与铜、铝等金属复合则面临界面热阻高、复合热导率较小的问题。

碳纤维具有抗拉强度高、热膨胀系数小（甚至可为负值-1.5×10^-6/℃）、比重轻等一系列优异性能。若将金刚石与碳纤维复合，则有望将金刚石的超高导热优点及碳纤维的高强、高韧优势综合。尽管碳纤维和金刚石同属碳材料，然而二者结构不同，复合困难，使得目前尚未研制出二者的复合材料。本发明通过材料的结构功能一体化设计，制备获得高导热、高强度、高韧性、低密度的金刚石碳纤维复合热管理材料，满足大功率电子器件的散热需求。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术中针对现有热管理材料无法满足大功率电子器件日益增加散热需求的问题，而提供了一种高热导率金刚石碳纤维复合材料及其制备方法。金刚石热导率高，碳纤维抗拉强度高、韧性好，将二者进行复合，可实现其性能互补，获得高导热、高强度、高韧性、低密度的热管理材料。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种高热导率金刚石碳纤维复合材料，是由依次交替排列的自支撑金刚石膜片和碳纤维层沿上下方向叠置而成的叠层结构，该叠层结构的顶层和底层均为自支撑金刚石膜片；该叠层结构上均布设置有若干贯穿其上下的贯穿孔，贯穿孔呈阵列排列，每个贯穿孔内均穿设有金刚石条。

作为优选的技术方案，自支撑金刚石膜片为采用CVD法制备的自支撑金刚石膜片，热导率≥1000 W/（m·K）。

作为优选的技术方案，自支撑金刚石膜片的厚度为0.3 mm~1 mm，碳纤维层的厚度为0.2 mm~0.4 mm，自支撑金刚石膜片的层数为2~10层。

作为优选的技术方案，自支撑金刚石膜片的平整度≤0.1 mm，平行度≤0.1 mm，粗糙度Ra≤0.05 mm。

作为优选的技术方案，自支撑金刚石膜片、碳纤维层及金刚石条之间通过粘合剂复合而成。

进一步的，本发明还提供了上述高热导率金刚石碳纤维复合材料的制备方法，解决金刚石难以膜形式沉积于碳纤维表面，二者连接和复合困难的问题。其制备方法是通过如下技术方案实现的，具体包括如下步骤：

步骤1：根据对自支撑金刚石膜片的尺寸要求，选择合适直径及厚度的自支撑金刚石膜，采用激光修面机进行厚度修整和表面光滑处理，如图1所示；

步骤2：采用激光切割机切割所需尺寸的自支撑金刚石膜片和金刚石条，如图2所示，设计自支撑金刚石膜片的开孔阵列，并通过激光切割机进行切割开孔如图3所示；

步骤3：将树脂和无水乙醇调配均匀形成粘结剂，将碳纤维置于粘结剂中浸润1~5分钟，取出后在空气中放置10~30分钟；将浸润过粘结剂的碳纤维平铺、粘合于自支撑金刚石膜片上除过开孔的位置处，如图4所示，然后在碳纤维上再放置一层自支撑金刚石膜片，这样交替平铺浸润过粘结剂的碳纤维和自支撑金刚石膜片的过程，直至复合厚度达到要求，其中各层自支撑金刚石膜片上的开孔对齐后形成贯穿孔；

步骤4：将金刚石条插入贯穿孔内，并对金刚石条和贯穿孔的间隙注入粘结剂，得到复合层结构，如图5所示；

步骤5：通过夹持架对复合层结构的侧面进行夹持以保证其平整度，同时在顶层自支撑金刚石膜片表面放置重物，依靠其法向静压力排出碳纤维内富余粘结剂及弥散于粘结剂内的气泡，然后在保持侧面夹持及顶层施加压力的状态下对粘结剂进行加热固化；

步骤6：去除夹持架及重物，对复合层结构的表面进行打磨和超声清洗，最终得到所述的高热导率金刚石碳纤维复合材料。

作为优选的技术方案，步骤3中，树脂采用钡酚醛树脂、环氧树脂或改性环氧树脂。

作为优选的技术方案，步骤3中，树脂和无水乙醇的调配比例为1:1~1:5。

作为优选的技术方案，步骤5中，加热固化的加热温度为200 ℃~300 ℃，保温时间为1~10小时。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1）本发明采用钡酚醛树脂、环氧树脂、改性环氧树脂等作为粘合剂，将CVD自支撑金刚石膜片和碳纤维两种性能优异的碳材料结合起来，实现二者的性能互补，制备出的高热导率金刚石碳纤维复合材料，该材料能够兼有金刚石的高热导率和碳纤维的高抗拉强度和高韧性，形成高导热、高强度、高韧性、低密度的热管理材料，有效抵抗机械冲击和热冲击。

2）本发明的复合材料法向和面内都能实现较高的热导率。本发明采用自支撑金刚石膜片作为复合材料，多片自支撑金刚石膜片的存在可作为高效散热通道，把接触的热量快速传走，使得水平方向具有较高的热导率，考虑到碳纤维和树脂粘合剂的热导率不高及界面热阻的存在使得法向热导率受影响的问题，本发明在法向插入多根金刚石条，这些金刚石条同样可作为高效散热通道，提升法向的散热能力，最终保证制备的复合材料水平方向和法向均具有优良的散热能力。

3）由于碳纤维为编织材料，粘合剂可完全渗透，因此粘合剂可实现对碳纤维的高强度粘合，金刚石抛光片则表面粗糙度低，加上自身的惰性，导致粘合剂对其粘合度不高，本发明在垂直方向加入的金刚石条可起到固定作用，避免复合材料在使用过程中受外力作用使金刚石脱离失效。

4）本发明由两种材料通过粘合剂粘和形成，两种材料的形状、厚度均可调，因此复合材料整体的形状和厚度可根据热控系统空间进行灵活调整，热导率可根据成本及实际需求进行调控。

附图说明

图1为本发明制备方法中采用激光切割机对CVD自支撑金刚石膜进行厚度修整和表面光滑处理步骤的示意图。

图2为本发明制备方法中将CVD自支撑金刚石膜切割为所需尺寸的自支撑金刚石膜片及金刚石条的示意图。

图3 为本发明制备方法中在自支撑金刚石膜片上开孔后的俯视示意图。

图4为本发明制备方法中在开孔好的自支撑金刚石膜片上铺设碳纤维后的俯视示意图。

图5为本发明制备方法中按照步骤3和步骤4制备的自支撑金刚石膜片-碳纤维复合材料重复单元的横截面示意图。

图6为本发明实施例1制备的高热导率金刚石碳纤维复合材料的横截面示意图。

图7为本发明实施例2制备的高热导率金刚石碳纤维复合材料的横截面示意图。

图8为本发明实施例3制备的高热导率金刚石碳纤维复合材料的横截面示意图。

图中：1-自支撑金刚石膜片、2-金刚石条、3-碳纤维层、4-贯穿孔。

具体实施方式

下面将结合参考附图及实施例，对本发明作进一步说明，但不局限于以下实施例。本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，均属于本发明的保护范围。

实施例1

一种高热导率金刚石碳纤维复合材料，是由依次交替排列的自支撑金刚石膜片1和碳纤维层3沿上下方向叠置而成的叠层结构，该叠层结构的顶层和底层均为自支撑金刚石膜片1；该叠层结构上均布设置有若干贯穿其上下的贯穿孔4，贯穿孔4内穿设有金刚石条2。其中，自支撑金刚石膜片1的长、宽、厚为40 mm×20 mm×1 mm，自支撑金刚石膜片1的层数为三层；碳纤维层3的长、宽、厚为40 mm×20 mm×0.4 mm，碳纤维层3的层数为两层，如图6所示。

上述高热导率金刚石碳纤维复合材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：选择直径为80 mm、厚度为1.2 mm、抗拉强度为1000 MPa、热导率为1000 W/（m·K）的CVD自支撑金刚石膜，采用激光修面机对CVD自支撑金刚石膜进行厚度修整和表面光滑处理，厚度修整时激光功率为1000 W，沿厚度方向修整速度为0.02 μm/d，表面光滑处理时激光功率为450 W，修面处理后自支撑金刚石膜厚度为1 mm，表面平整度为0.1 mm、平行度为0.1 mm、粗糙度为0.05 mm；

步骤2：在CVD自支撑金刚石膜上分别设计40 mm×20 mm的三片自支撑金刚石膜片1以及4 mm×3.8 mm的五十六条金刚石条2，采用激光切割机进行切割，最终得到三片40 mm×20 mm×1 mm的自支撑金刚石膜片1以及五十六条4 mm×3.8 mm×0.8 mm的金刚石条2；在每片自支撑金刚石膜片1上以均布的方式设计7×8的方孔阵列，方孔的尺寸为4 mm×0.8mm，采用激光切割机切割开孔，激光切割功率为12 W，频率为6 Hz；

步骤3：将钡酚醛树脂和无水乙醇按1:5比例进行均匀调配形成粘结剂，将抗拉强度为4000 MPa、弹性模量为210 GPa的碳纤维布处理成与自支撑金刚石膜片1完全一样的形状，之后将其置于上述粘结剂中浸润5分钟，取出后在空气中放置30分钟，再平铺、粘合于自支撑金刚石膜片1上，然后在碳纤维布上再放置一层自支撑金刚石膜片1，这样交替平铺浸润过粘结剂的碳纤维布和自支撑金刚石膜片1的过程，直至完成三层自支撑金刚石膜片1及两层碳纤维布的复合；

步骤4：将金刚石条2插入贯穿孔4内，并对金刚石条2和贯穿孔4的间隙注入粘结剂，得到复合层结构；

步骤5：采用夹持架对复合层结构的四个侧面施加5 N的夹持力使其平整，同时在最上层自支撑金刚石膜片1表面放置一质量为0.5 Kg的重物，依靠其法向静压力排出碳纤维内富余粘结剂及弥散于粘结剂内的少量气泡；在保持侧面夹持及上表层压力的状态下对粘结剂进行加热固化，缓慢加热到300 ℃、保温1小时；

步骤6：移走夹持架及重物，对复合层结构的侧面及上下表面进行打磨和超声清洗，去除固化的粘结剂及碳纤维外漏的端部，打磨采用320#~800#的SiC金刚砂纸，超声清洗选用丙酮，清洗时间为15分钟，最终制备获得高热导率金刚石碳纤维复合材料，如图6所示。

通过上述步骤制备的高热导率金刚石碳纤维复合材料面内热导率约为900 W/（m·K），法向热导率约为800 W/（m·K），抗拉强度约为2100 MPa，同金刚石抗拉强度相比提高了2.1倍。

实施例2

一种高热导率金刚石碳纤维复合材料，是由依次交替排列的自支撑金刚石膜片1和碳纤维层3沿上下方向叠置而成的叠层结构，该叠层结构的顶层和底层均为自支撑金刚石膜片1；该叠层结构上均布设置有若干贯穿其上下的贯穿孔4，贯穿孔4内穿设有金刚石条2。其中，自支撑金刚石膜片1的长、宽、厚为30 mm×30 mm×0.6 mm，自支撑金刚石膜片1的层数为五层；碳纤维层3的长、宽、厚为30 mm×30 mm×0.3 mm，碳纤维层3的层数为四层，如图7所示。

上述高热导率金刚石碳纤维复合材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：选择直径为80 mm、厚度为0.8 mm、抗拉强度为600 MPa、热导率为1500 W/（m·K）的CVD自支撑金刚石膜，采用激光修面机对CVD自支撑金刚石膜进行厚度修整和表面光滑处理，厚度修整时激光功率为900 W，沿厚度方向修整速度为0.02 μm/d，表面光滑处理时激光功率为400 W，修面处理后自支撑金刚石膜厚度为0.6 mm，表面平整度为0.08 mm、平行度为0.08 mm、粗糙度为0.03 mm；

步骤2：在CVD自支撑金刚石膜上分别设计30 mm×30 mm的五片自支撑金刚石膜片1以及4 mm×4.2 mm的五十条金刚石条2，采用激光切割机进行切割，最终得到五片30 mm×30 mm×0.6 mm的自支撑金刚石膜片1以及五十条4 mm×4.2 mm×0.6 mm的金刚石条2；在每片自支撑金刚石膜片1上以均布的方式设计5×10的方孔阵列，方孔的尺寸为4 mm×0.6mm，采用激光切割机切割开孔，激光切割功率为11 W，频率为7 Hz；

步骤3：将环氧树脂和无水乙醇按1:3比例进行均匀调配形成粘结剂，将抗拉强度为4000 MPa、弹性模量为210 GPa的碳纤维布处理成与自支撑金刚石膜片1完全一样的形状，之后将其置于上述粘结剂中浸润3分钟，取出后在空气中放置20分钟，再平铺、粘合于自支撑金刚石膜片1上，然后在碳纤维布上再放置一层自支撑金刚石膜片1，这样交替平铺浸润过粘结剂的碳纤维布和自支撑金刚石膜片1的过程，直至完成五层自支撑金刚石膜片1及四层碳纤维布的复合；

步骤4：将金刚石条2插入贯穿孔4内，并对金刚石条2和贯穿孔4的间隙注入粘结剂，得到复合层结构；

步骤5：采用夹持架对复合层结构的四个侧面施加5 N的夹持力使其平整，同时在最上层自支撑金刚石膜片1表面放置一质量为1 Kg的重物，依靠其法向静压力排出碳纤维内富余粘结剂及弥散于粘结剂内的少量气泡；在保持侧面夹持及上表层压力的状态下对粘结剂进行加热固化，缓慢加热到260 ℃、保温6小时；

步骤6：移走夹持架及重物，对复合层结构的侧面及上下表面进行打磨和超声清洗，去除固化的粘结剂及碳纤维外漏的端部，打磨采用320#~800#的SiC金刚砂纸，超声清洗选用丙酮，清洗时间为15分钟，最终制备获得高热导率金刚石碳纤维复合材料，如图7所示。

通过上述步骤制备的高热导率金刚石碳纤维复合材料面内热导率约为1400 W/（m·K），法向热导率约为1250 W/（m·K），抗拉强度约为1500 MPa，同金刚石抗拉强度相比提高了2.5倍。

实施例3

一种高热导率金刚石碳纤维复合材料，是由依次交替排列的自支撑金刚石膜片1和碳纤维层3沿上下方向叠置而成的叠层结构，该叠层结构的顶层和底层均为自支撑金刚石膜片1；该叠层结构上均布设置有若干贯穿其上下的贯穿孔4，贯穿孔4内穿设有金刚石条2。其中，自支撑金刚石膜片1的长、宽、厚为20 mm×10 mm×0.3 mm，自支撑金刚石膜片1的层数为十层；碳纤维层3的长、宽、厚为20 mm×10 mm×0.2 mm，碳纤维层3的层数为九层，如图8所示。

上述高热导率金刚石碳纤维复合材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：选择直径为80 mm、厚度为0.5 mm、抗拉强度为500 MPa、热导率为2000 W/（m·K）的CVD自支撑金刚石膜，采用激光修面机对CVD自支撑金刚石膜进行厚度修整和表面光滑处理，厚度修整时激光功率为850 W，沿厚度方向修整速度为0.02 μm/d，表面光滑处理时激光功率为350 W，修面处理后自支撑金刚石膜厚度为0.3 mm，表面平整度为0.05 mm、平行度为0.05 mm、粗糙度为0.01 mm；

步骤2：在CVD自支撑金刚石膜上分别设计20 mm×10 mm的十片自支撑金刚石膜片1以及4 mm×4.8 mm的十八条金刚石条2，采用激光切割机进行切割，最终得到十片20 mm×10 mm×0.3 mm的自支撑金刚石膜片1以及十八条4 mm×4.8 mm×0.3 mm的金刚石条2；在每片自支撑金刚石膜片1上以均布的方式设计3×6的方孔阵列，方孔的尺寸为4 mm×0.3mm，采用激光切割机切割开孔，激光切割功率为10 W，频率为8 Hz；

步骤3：将改性环氧树脂和无水乙醇按1:1比例进行均匀调配形成粘结剂，将抗拉强度为4000 MPa、弹性模量为210 GPa的碳纤维布处理成与自支撑金刚石膜片1完全一样的形状，之后将其置于上述粘结剂中浸润1分钟，取出后在空气中放置10分钟，再平铺、粘合于自支撑金刚石膜片1上，然后在碳纤维布上再放置一层自支撑金刚石膜片1，这样交替平铺浸润过粘结剂的碳纤维布和自支撑金刚石膜片1的过程，直至完成十层自支撑金刚石膜片1及九层碳纤维布的复合；

步骤4：将金刚石条2插入贯穿孔4内，并对金刚石条2和贯穿孔4的间隙注入粘结剂，得到复合层结构；

步骤5：采用夹持架对复合层结构的四个侧面施加5 N的夹持力使其平整，同时在最上层自支撑金刚石膜片1表面放置一质量为1.5 Kg的重物，依靠其法向静压力排出碳纤维内富余粘结剂及弥散于粘结剂内的少量气泡；在保持侧面夹持及上表层压力的状态下对粘结剂进行加热固化，缓慢加热到200 ℃、保温10小时；

步骤6：移走夹持架及重物，对复合层结构的侧面及上下表面进行打磨和超声清洗，去除固化的粘结剂及碳纤维外漏的端部，打磨采用320#~800#的SiC金刚砂纸，超声清洗选用丙酮，清洗时间为15分钟，最终制备获得高热导率金刚石碳纤维复合材料，如图8所示。

通过上述步骤制备的高热导率金刚石碳纤维复合材料面内热导率约为1800 W/（m·K），法向热导率约为1600 W/（m·K），抗拉强度约为1400 MPa，同金刚石抗拉强度相比提高了2.8倍。

Claims (6)

1.一种高热导率金刚石碳纤维复合材料，其特征在于：是由依次交替排列的自支撑金刚石膜片和碳纤维层沿上下方向叠置而成的叠层结构，该叠层结构的顶层和底层均为自支撑金刚石膜片；该叠层结构上均布设置有若干贯穿其上下的贯穿孔，贯穿孔内穿设有金刚石条；自支撑金刚石膜片为采用CVD法制备的自支撑金刚石膜片，热导率≥1000 W/（m·K）；

上述高热导率金刚石碳纤维复合材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：根据对自支撑金刚石膜片的尺寸要求，选择合适直径及厚度的自支撑金刚石膜，采用激光修面机进行厚度修整和表面光滑处理；

步骤2：采用激光切割机切割所需尺寸的自支撑金刚石膜片和金刚石条，设计自支撑金刚石膜片的开孔阵列，并通过激光切割机进行切割开孔；

步骤3：将树脂和无水乙醇调配均匀形成粘结剂，将碳纤维置于粘结剂中浸润1~5分钟，取出后在空气中放置10~30分钟；将浸润过粘结剂的碳纤维平铺、粘合于自支撑金刚石膜片上除过开孔的位置处，然后在碳纤维上再放置一层自支撑金刚石膜片，这样交替平铺浸润过粘结剂的碳纤维和自支撑金刚石膜片的过程，直至复合厚度达到要求，其中各层自支撑金刚石膜片上的开孔对齐后形成贯穿孔；

步骤4：将金刚石条插入贯穿孔内，并对金刚石条和贯穿孔的间隙注入粘结剂，得到复合层结构；

步骤5：通过夹持架对复合层结构的侧面进行夹持以保证其平整度，同时在顶层自支撑金刚石膜片表面放置重物，依靠其法向静压力排出碳纤维内富余粘结剂及弥散于粘结剂内的气泡，然后在保持侧面夹持及顶层施加压力的状态下对粘结剂进行加热固化；

步骤6：去除夹持架及重物，对复合层结构的表面进行打磨和超声清洗，最终得到所述的高热导率金刚石碳纤维复合材料。

2.根据权利要求1所述的高热导率金刚石碳纤维复合材料，其特征在于：自支撑金刚石膜片的厚度为0.3 mm~1 mm，碳纤维层的厚度为0.2 mm~0.4 mm，自支撑金刚石膜片的层数为2~10层。

3.根据权利要求1所述的高热导率金刚石碳纤维复合材料，其特征在于：自支撑金刚石膜片的平整度≤0.1 mm，平行度≤0.1 mm，粗糙度Ra≤0.05 mm。

4.根据权利要求1所述的高热导率金刚石碳纤维复合材料，其特征在于：制备方法的步骤3中，树脂采用钡酚醛树脂、环氧树脂或改性环氧树脂。

5.根据权利要求1所述的高热导率金刚石碳纤维复合材料，其特征在于：制备方法的步骤3中，树脂和无水乙醇的调配比例为1:1～1:5。

6.根据权利要求1所述的高热导率金刚石碳纤维复合材料，其特征在于：制备方法的步骤5中，加热固化的加热温度为200 ℃~300 ℃，保温时间为1~10 h。

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