CN114990372A - 一种具有超导热性能的铝材 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有超导热性能的铝材，涉及铝合金领域，所述铝材的制备方法如下：环氧树脂复合材料的制备：将环氧树脂和除泡剂溶解在溶剂中，再加入填料混合搅拌形成环氧树脂复合材料；将制得环氧树脂复合材料和固化剂涂覆在铝合金的表面，烘干固化超导热铝材。所述环氧树脂复合材料中环氧树脂的质量份为50‑60份，溶剂的质量份为15‑20份，除泡剂的质量份为15‑20份，填料的的质量份为6‑10份；氮化硼和氮化硅在环氧树脂上可以相互接触，然后形成导热通路，进而将形成的环氧树脂复合材料注入铝合金的内腔，极大提升铝合金的导热效率。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金领域，具体公开了一种应用于电器设备的具有超导热性能的铝材
背景技术
铝材主要为铝合金，铝合金是以铝为基础添加一定量其他合金化元素的合金，是轻金属材料之一，铝合金具有密度低、力学性能佳、加工性能好等特点，在电子电器、船用行业、化工行业、航空航天、金属包装、交通运输等领域广泛使用。近年来，铝合金的用途范围不断扩大，在金属材料中其产量在钢铁之后居第二位，在有色金属材料中居首位。
虽然铝合金的力学强度远远高于纯铝，但是铝合金的导热性能低于纯铝，因此导致铝合金在作为各种金属包装使用时，虽然大大提升了金属外包装的结构强度，可以大大提升金属包装的使用寿命，但是铝合金在散热性能上的不足，制约了铝合金在对散热要求较高条件下的使用；
例如铝合金散热件虽然可以满足大部分电器设备使用时散热的需求，但是在电器设备长时间的使用或者外界温度较高的条件下，对于电器设备散热件就需要更高的散热要求。电器设备的散热件质量无法保证的话,在使用中很容易出现死机现象,甚至直接造成电器设备的损坏；而现有电器设备散热件散热性能更好的为银散热件和铜散热件，但是银和铜的价格比较贵且加工难度较高，因此本发明主要想要解决的问题在于如何提升铝合金的散热性能。热导率越高,金属的导热性能就越好,主要与合金材料的成分和内部组织有关，即提高铝合金热导率的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有超导热性能的铝材，基于现有的铝合金导热性能不足的问题进行了改进；
本发明所要解决的技术问题：针对铝合金在用作金属包装材料或者电器设备的散热部件时，由于铝合金材料导热性能的不足，导致铝合金材料本身散热性不足，容易导致热封包装物品的损坏或者电器设备过热运行故障的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种超导热的铝材，所述铝材的制备方法如下：
将导热材料和固化剂涂覆在铝合金的表面，烘干固化得到超导热铝材；
所述导热材料为环氧树脂复合材料，所述环氧树脂复合材料的具体制备方法如下：将环氧树脂和除泡剂溶解在溶剂中，再加入填料混合搅拌形成环氧树脂复合材料。
所述环氧树脂复合材料中环氧树脂的质量份为50-60份，溶剂的质量份为15-20份，除泡剂的质量份为15-20份，填料的的质量份为6-10份。
所述溶剂包括乙醇，所述除泡剂包括磷酸三丁酯，所述固化剂包括二乙烯三胺，所述填料至少包括氮化硼和氮化硅其中一种。
氮化硼和氮化硅具有高的表面活性，在环氧树脂基体中能够比较均匀的分布，分散性较好，利于热量的传递，复合材料的整体热导性能提升，进而氮化硼和氮化硅在环氧树脂上可以相互接触，然后形成导热通路。
超导热铝材中的铝合金制备过程如下：
步骤一：利用氯化铈对氧化石墨烯进行改性处理，制得氯化铈-石墨烯复合材料；
步骤二：将氯化铈-石墨烯复合材料和铝合金进行粉碎混合，制得石墨烯-铝合金复合粉末；
步骤三：对石墨烯-铝合金复合粉末进行烧结，制得石墨烯-铝合金复合型材。
氯化铈对石墨烯进行改性处理的具体过程如下：
将氯化铈加入到乙醇中，再添加尿素和氯化铵制成混合溶液，利用无机酸将混合溶液的pH调至4-6，然后利用超声将石墨烯分散到N-N二甲基甲酰胺中，加入NaBH4搅拌10-20min，再加入到混合溶液中得到复合溶液，超声波下处理复合溶液3-5h，得到氯化铈-石墨烯溶液，最后对氯化铈-石墨烯溶液进行充分离心，在温度80-100℃通过真空干燥箱处理24-48h，得到氯化铈-石墨烯复合材料。
以重量计，所述步骤一中添加的氯化铈为0.1-1份，乙醇为95-99份，尿素为0.1-1份，氯化铵为0.1-1份，氧化石墨烯为5-10份。
所述步骤二铝合金和石墨烯具体粉碎混合的过程如下：
将重量比为2000:1-5的铝合金和氯化铈-石墨烯复合材料，将二者混合并加入至球磨机中，向球磨机中加入无水乙醇，在100-300r/min的的转速将将铝合金和氯化铈-石墨烯复合材料进行球磨混合3-5h，球磨混合过程中不断通入氮气，得到石墨烯-铝合金混合粉体，球磨完成后在80-100℃的温度下真空烘干8-10h得到石墨烯-铝合金复合粉末。
所述步骤三对石墨烯-铝合金复合粉末进行烧结的具体过程如下：
将得到的石墨烯-铝合金复合粉末先通过压力机施加20-40MPa压力，利用模具获得需要的形状并充分压实，得到复合粉末的预制件，然后在真空度25-50Pa，温度830-870℃的条件下，对预制件进行放电等离子烧结8-15min，得到石墨烯-铝合金复合型材。
在对石墨烯进行改性时，由于石墨烯之中的C-C原子的化学键具有很高的能量，铈元素无法与其直接产生反应。但是铈作为一种稀土元素，具有强极化作用，同时能够与C、H、O等非金属之间发生亲和，使得二者混合时，氯化铈能够吸附在石墨烯表面，减弱了C-C原子之间化合键的作用力，同时，铈元素和氧元素之间的亲和力较强，容易在二者之间产生配位键，从而实现氯化铈对石墨烯的改性。
相对于现有技术，本发明的有益效果：
(1)本发明对铝合金进行改进，先对石墨烯进行改性，由于石墨烯之中的C-C原子的化学键具有很高的能量，铈元素无法与其直接产生反应。但是铈作为一种稀土元素，具有强极化作用，同时能够与C、H、O等非金属之间发生亲和，使得二者混合时，氯化铈能够吸附在石墨烯表面，减弱了C-C原子之间化合键的作用力，同时，铈元素和氧元素之间的亲和力较强，容易在二者之间产生配位键，从而实现氯化铈对石墨烯的改性，在家改性后的石墨烯与铝合金进行粉碎混合，再进行烧结，制得的铝合金具有更高的导热效率。
(2)进一步地，由于稀土铈性能活泼，在高温下容易氧化，在铝合金中添加铈时，虽然极大提升了导热效率，但由于铈容易氧化，导致铝合金在高温下不稳定，长时间高温使用容易被氧化，造成导热效率下降，降低散热效果，因此本发明通过将环氧树脂涂覆在铈铝合金的表面，防止了铈铝合金表面的氧化，提升使用寿命，保证散热效果。
(3)更近一步地，但是环氧树脂固化后其表面会形成凹凸不平的形状，从而与铝合金基体接触的位置存在空隙，而空隙的存在会降低热量的传递，实现隔热，因此会降低环氧树脂在铝合金中的热量传递，因此本发明在环氧树脂中添加了氮化硼和氮化硅，由于氮化硼和氮化硅具有高的表面活性，在环氧树脂基体中能够比较均匀的分布，分散性较好，利于热量的传递，进而在环氧树脂涂覆在铝合金表面固化时，氮化硼和氮化硅由于沉积作用，会下落并与铝合金表面接触，从而减少环氧树脂固化后于铝合金表面产生的空隙，进而在涂覆环氧树脂复合材料后，保证了超导热铝材的导热效率，提升了散热效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明对比例3中铝材截面下环氧树脂的SEM图；
图2为本发明实施例1中铝材截面下环氧树脂复合材料的SEM图；
图3为本发明利用氯化铈改性氧化石墨烯后的FT-IR图
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
对比例1：市面上常见的6063铝合金。
对比例2：铝材的制备
首先将800g铝锭加入加热炉中，加热到750℃，等到铝锭熔化成熔融状态的铝熔浆，再向铝熔浆中加入30g铝硅合金、2.5g铝锰合金和3.7g铜屑，等到上述物质完全熔化后，等待5分钟，然后投放6.4g镁锭，当镁锭熔融后，保温20分钟；再加入再通入3g精炼剂，在氮气氛围下进行精炼，通气精炼20分钟，静置10分钟后，浇注得到铝合金型材。
之后将浇注得到的铝合金型材，在高温炉中进行处理，处理的温度温度550℃，处理时间为8小时，采用喷水急冷，再将处理后的铝合金型材在510℃下在挤压机上进行挤压，挤出所需形状及尺寸的型材，再将型材在190℃条件下保温7小时进行时效处理，制得铝合金产品。
实施例1：
(1)环氧树脂复合材料的制备：
称取25g环氧树脂，放在100℃的烘箱中先烘一个小时，以去除环氧树脂中的气泡，并使其粘度降低，同时，称取12.5g乙醇和12.5g磷酸三丁酯放在三口烧瓶中，称量完成以后将三口烧瓶放在80℃的水浴锅中，先磁力搅拌1h后再加入2.5g氮化硼和2.5g氮化硅，然后继续搅拌1h后，最后在烧瓶中加入上述烘好的环氧树脂，接着在60℃的水浴锅中磁力搅拌一个小时后制得环氧树脂复合材料。
(2)超导热铝材的制备：
利用对比例2中的方法制得铝合金，并将铝合金预热到80℃后，再将步骤(1)中制得得环氧树脂复合材料和固化剂二乙烯三胺涂覆在铝合金的表面，并对铝合金进行烘干处理，在100℃烘干固化1h，得到超导热铝材。
对比例3：
称取25g环氧树脂，放在100℃的烘箱中先烘一个小时，以去除环氧树脂中的气泡，并使其粘度降低，同时，称取12.5g乙醇和12.5g磷酸三丁酯放在三口烧瓶中，称量完成以后将三口烧瓶放在80℃的水浴锅中，然后继续搅拌1h后，最后在烧瓶中加入上述烘好的环氧树脂，接着在60℃的水浴锅中磁力搅拌一个小时后制得环氧树脂。
铝材的制备：
利用对比例2中的方法制得铝合金，并将铝合金预热到80℃后，再将制得的环氧树脂和固化剂二乙烯三胺涂覆在铝合金的表面，并对铝合金进行烘干处理，在100℃烘干固化1h，得到铝材。
本发明扫描电子显微镜(SEM)：利用型号为FESEM,Nova NanoSEM450对样品进行分析
环氧树脂虽然具有很好的保护性能，但是环氧树脂固化后其表面会形成凹凸不平的形状，如图2所示，从而与铝合金基体接触的位置存在空隙，而空隙的存在会降低热量的传递，实现隔热，因此会降低环氧树脂在铝合金中的热量传递；
如图1所示，本发明将氮化硅和氮化硼与环氧树脂复合，填料氮化硅和氮化硼随机分散在环氧树脂的裂纹上，使复合材料的断面形貌发生了转变，如图2所示，氮化硅和氮化硼颗粒随机分布在环氧树脂扩展方向上，氮化硅和氮化硼的存在，起到了吸收热量的作用，氮化硅和氮化硼在环氧树脂上可以相互接触，然后形成导热通路，因此本发明实施例1中环氧树脂复合材料的热导率提高，在本实施例中环氧树脂复合材料的热导率达到了0.63W/(m*k)；而对比例3中的环氧树脂的热导率仅仅只有0.43W/(m*k)，正好验证了环氧树脂复合材料导热性能的提高。
环氧树脂的耐热度测试：在氮气氛围下，将试样放在DSC中，将升温速率设定为5℃/min，温度升到250℃，恒温5min，接着将温度从250℃降低到20℃，然后以5℃/min的速率从20℃升温至250℃，测得实施例1中的环氧树脂复合材料和对比例3中环氧树脂的玻璃化温度，结果如表1，
表1
在添加氮化硼和氮化硅之后，环氧树脂复合材料的玻璃化转变温度大大提高，环氧树脂复合材料相较于普通的环氧树脂的耐热性更高。
实施例2：石墨烯铝合金复合型材的制备：
称取对比例2中制得的铝合金型材100g和氧化石墨烯0.05g，将二者混合并加入至球磨机中，向球磨机中加入10g无水乙醇，在200r/min的的转速将将铝合金和石墨烯进行球磨混合4h，球磨混合过程中不断通入氮气，得到石墨烯-铝合金混合粉体，球磨完成后将混合粉体加入真空烘干机，在100℃真空烘干8h得到石墨烯-铝合金复合粉末；
再将得到的复合粉末通过压力机施加40MPa压力，利用模具获得需要的形状并充分压实，得到复合粉末的预制件，然后在真空度35Pa，温度850℃的条件下，对预制件进行放电等离子烧结10min，得到石墨烯-铝合金复合型材。
实施例3：仅将实施例1中用到对比例2中的铝合金替换为实施例2中的石墨烯铝合金复合型材，制得导热铝材，其余条件与制备过程不变。
实施例4：氯化铈-石墨烯复合材料的制备
将10ml0.05mol/L氯化铈加入到500ml的无水乙醇中，再添加10ml尿素和氯化铵制成混合溶液，利用硝酸将混合溶液的PH调至5，然后利用超声波清洗机将50mg的石墨烯分散到N-N二甲基甲酰胺中15min后加入NaBH4搅拌10min，再将分散后的石墨烯加入到混合溶液中得到复合溶液，继续利用超声波清洗机对复合溶液在120W的超声波下处理4h，制备氯化铈-石墨烯溶液。最后对氯化铈-石墨烯溶液进行充分离心，在100℃通过干燥箱干燥24h，得到氯化铈-石墨烯复合材料。
再将得到的氯化铈-石墨烯复合材料通过压力机施加40MPa压力，利用模具获得需要的形状并充分压实，得到复合粉末的预制件，然后在真空度35Pa，温度850℃的条件下，对预制件进行放电等离子烧结10min，得到氯化铈-石墨烯复合铝合金；
傅里叶红外光谱仪对改性氧化石墨烯的检测，本发明利用傅里叶红外光谱仪(FT-IR)检测改性后的氧化石墨烯，观察比较氧化石墨烯改性前后官能团的峰位的变化，所用设备是由德国布鲁克公司制造的ALPHA型红外光谱仪。
如图3所示，经过改性后的检测，在561cm-1的黑色圆圈处出现了Ce-O键的特征峰，说明氧化石墨烯表面的含氧基团可以与铈元素相互作用，形成新的物质。
实施例5：将实施例1中用到的铝合金替换为实施例4制得的氯化铈-石墨烯复合铝合金，制得导热铝材，其余条件与制备过程不变。
铝材的维氏硬度测试
将烧结后的对比例2、实施例2和实施例4中的铝材砂纸打磨，用酒精擦拭后，吹风机吹干。放于HV-5显微硬度计载物台上，进行硬度测试。设置压力为2N，保压时间10S，得到表2，
| 对比例2 | 实施例2 | 实施例4 | |
| 维氏硬度 | 42HV | 56HV | 64HV |
表2
可知在添加了石墨烯的铝合金的维氏硬度达到了56HV，相较于未添加石墨烯的铝合金的42HV更高，而通过氯化铈对石墨烯的改性后的得到的铝合金的维氏硬度达到了64HV，较高的硬度可以保证在使用时能够经受更大的挤压和碰撞。
性能测试：铝材导热系数测定：利用激光导热仪测定导热系数，采用型号为德国耐驰NETZSCH LFA457直接测得水平方向热扩散系数，导热系数＝热扩散*比热*密度
测试实施例1中超导热铝材、实施例2中石墨烯-铝合金复合型材、实施例3中的导热铝材、实施率4中的氯化铈-石墨烯复合铝合金、实施例5中的导热铝材和对比例3的铝材的导热系数，结果如表3所示，
表3
由实施例1添加环氧树脂复合材料的超导热铝材和对比例3的普通环氧树脂复配的铝材的对比可知，实施例1中由于加入氮化硼和氮化硅之后，得到的铝材的导热性能明显增加；
由实施例2的石墨烯-铝合金复合型材和实施例4氯化铈-石墨烯复合铝合金对比可知，在利用氯化铈在改性处理氧化石墨烯后，铝材的导热性能大大提升。
而本发明的实施例5利用氯化铈改性石墨烯复合铝材，再向表面涂覆环氧树脂复合材料后得到的导热铝材，相较于实施例1-4，以及对比例3中的得到的铝材，实施例5中的铝材其导热性能达到283W/(m*k)，使得实施例5中的导热铝材具有更好的散热效果。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (8)
1.一种具有超导热性能的铝材，其特征在于，所述铝材的制备方法如下：
将导热材料和固化剂涂覆在铝合金的表面，烘干固化得到超导热铝材；
所述导热材料为环氧树脂复合材料，所述环氧树脂复合材料的具体制备方法如下：将环氧树脂和除泡剂溶解在溶剂中，再加入填料混合搅拌形成环氧树脂复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种具有超导热性能的铝材，其特征在于，按重量份计，所述环氧树脂复合材料中环氧树脂的质量份为50-60份，溶剂的质量份为15-20份，除泡剂的质量份为15-20份，填料的的质量份为6-10份。
3.根据权利要求1所述的一种具有超导热性能的铝材，其特征在于，所述溶剂包括乙醇，所述除泡剂包括磷酸三丁酯，所述固化剂包括二乙烯三胺，所述填料至少包括氮化硼和氮化硅其中一种。
4.根据权利要求1所述的一种具有超导热性能的铝材，其特征在于，超导热铝材中的铝合金制备过程如下：
步骤一：利用氯化铈对氧化石墨烯进行改性处理，制得氯化铈-石墨烯复合材料；
步骤二：将氯化铈-石墨烯复合材料和铝合金进行粉碎混合，制得石墨烯-铝合金复合粉末；
步骤三：对石墨烯-铝合金复合粉末进行烧结，制得石墨烯-铝合金复合型材。
5.根据权利要求4所述的一种具有超导热性能的铝材，其特征在于，所述步骤一氯化铈对石墨烯进行改性处理的具体过程如下：
将氯化铈加入到乙醇中，再添加尿素和氯化铵制成混合溶液，利用无机酸将混合溶液的pH调至4-6，然后利用超声将石墨烯分散到N-N二甲基甲酰胺中，加入NaBH4搅拌10-20min，再加入到混合溶液中得到复合溶液，超声波下处理复合溶液3-5h，得到氯化铈-石墨烯溶液，最后对氯化铈-石墨烯溶液进行充分离心，在温度80-100℃通过真空干燥箱处理24-48h，得到氯化铈-石墨烯复合材料。
6.根据权利要求5所述的一种具有超导热性能的铝材，其特征在于，以重量份计，所述步骤一的氯化铈-石墨烯复合材料中添加的氯化铈为0.1-1份，乙醇为95-99份，尿素为0.1-1份，氯化铵为0.1-1份，氧化石墨烯为5-10份。
7.根据权利要求4所述的一种具有超导热性能的铝材，其特征在于，所述步骤二铝合金和石墨烯具体粉碎混合的过程如下：
将重量比为2000:1-5的铝合金和氯化铈-石墨烯复合材料，将二者混合并加入至球磨机中，向球磨机中加入无水乙醇，在100-300r/min的的转速将将铝合金和氯化铈-石墨烯复合材料进行球磨混合3-5h，球磨混合过程中不断通入氮气，得到石墨烯-铝合金混合粉体，球磨完成后在80-100℃的温度下真空烘干8-10h得到石墨烯-铝合金复合粉末。
8.根据权利要求4所述的一种具有超导热性能的铝材，其特征在于，所述步骤三对石墨烯-铝合金复合粉末进行烧结的具体过程如下：
将得到的石墨烯-铝合金复合粉末先通过压力机施加20-40MPa压力，利用模具获得需要的形状并充分压实，得到复合粉末的预制件，然后在真空度25-50Pa，温度830-870℃的条件下，对预制件进行放电等离子烧结8-15min，得到石墨烯-铝合金复合型材。
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