CN115233043A - 一种定向高导热铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种定向高导热铝基复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种定向高导热铝基复合材料及其制备方法，所述材料包括铝基体，以及若干个定向均匀分布于铝基体中的石墨微片。首先将表面清洗之后的铝箔与柔性石墨膜交替叠片制成层叠坯料，之后将层叠坯料卷曲并装入铝包套中，将铝包套抽真空后放入加热炉加热保温，之后进行热挤压成形制成具有圆形截面或矩形截面的定向高导热率铝基复合材料挤压材。通过挤压变形使得铝箔发生塑性延伸变形，柔性石墨膜断裂形成片状颗粒，从而一步制得石墨微片定向均匀分布的铝基复合材料，其热导率较铝合金提高40％～200％。该方法工艺简单、成本低，适合于制备棒材、板材、型材等挤压件，工艺适应性较好。

Description

一种定向高导热铝基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属基复合材料技术领域，具体涉及一种定向高导热铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
近几年来，随着5G通信技术的开发和在终端消费电子领域的应用，消费电子设备平均运行功率大幅升高，设备产生的热量成倍增长，散热需求日益紧迫，散热结构与材料已逐渐成为终端消费电子升级的技术门槛之一。同时，消费电子的设计趋于轻量化和精密化，采用低密度的铝基材料已成为主要趋势。为此，近年来研究人员通过引入碳化硅、硅、金刚石、石墨等高导热功能体，开发了铝基高导热复合材料，提高铝合金的热导率，如碳化硅/铝、硅/铝、金刚石/铝、石墨/铝等。材料的制备方法是决定材料性能水平及可产业化能力的主要因素。上述几种铝基高导热复合材料通常采用粉末冶金、压力浸渗等传统金属基复合材料的制备方法，需要先制备复合材料坯料(棒材、板材等)，再进行二次加工成型产品，工序流程一般较长，工艺成本较高，制约了材料推广应用。
发明内容
针对上述已有技术存在的不足，本发明提供一种定向高导热铝基复合材料及其制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种定向高导热铝基复合材料，其特征在于，所述材料包括铝基体，以及若干个定向均匀分布于铝基体中的石墨微片。
进一步地，所述的定向均匀分布，是指若干个石墨微片间隔呈铝基复合材料制品横截面形状由铝基复合材料制品的中心向外层层分布。
进一步地，所述铝基复合材料制品横截面形状为圆形或者矩形；所述铝基复合材料制品横截面形状为圆形时，所述若干个石墨微片间隔呈圆形由铝基复合材料制品的中心向外层层分布；所述铝基复合材料制品横截面形状为矩形时，所述若干个石墨微片间隔呈矩形由铝基复合材料制品的中心向外层层分布。
进一步地，所述铝基体为6061、6063或1060铝合金；所述石墨微片为厚度为0.025～0.07微米、平均粒径为100～500微米的片状石墨颗粒，所述石墨微片占复合材料的体积分数百分含量为14vol％～30vol％。
一种上述的定向高导热铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法步骤包括：
(1)将规定厚度及成分的铝箔进行表面化学清洗，去除氧化膜和其他污染物(例如油污)；
(2)将经步骤(1)得到的铝箔与规定厚度的柔性石墨膜进行交替叠片，制成层叠坯料；
(3)将层叠坯料卷曲，然后装入铝包套中制成棒状挤压坯料；
(4)将挤压坯料加热保温；
(5)将经步骤(4)得到的挤压坯料进行挤压成形，获得定向高导热铝基复合材料制品。
进一步地，所述铝箔为合金牌号为6061、6063或者1060铝合金，铝箔的厚度为0.05mm～0.15mm。
进一步地，所述步骤(1)中化学清洗是指采用NaOH水溶液对铝箔进行浸湿，所述NaOH水溶液浓度为2％～10％。
进一步地，所述步骤(2)中柔性石墨膜的厚度为0.025mm～0.07mm，柔性石墨膜的面内热导率为1000W/mK～1800W/mK。
进一步地，所述步骤(3)中铝包套采用与铝箔相同牌号的铝合金，铝包套的壁厚为2mm～5mm。
进一步地，所述步骤(4)将挤压坯料放入加热炉中加热保温，加热温度为380℃～520℃，保温时长为30～180min。
进一步地，所述步骤(5)将经步骤(4)得到的挤压坯料放入热挤压机中进行挤压变形，挤压速率为0.3mm/s～1mm/s，挤压比为4～31。
进一步地，获得的定向高导热铝基复合材料制品，其截面形状是圆形或矩形。
发明原理：本发明的定向高导热铝基复合材料，属于典型的金属基复合材料，基体为铝合金，功能体为石墨微片。石墨微片在铝基体中沿着平行于挤压方向定向排布，通过发挥石墨微片面内的高热导率，来提高铝基复合材料的热导率。
本发明的定向高导热铝基复合材料采用热挤压方法一步成形制成。首先将铝箔与柔性石墨膜交替叠层并卷曲制成挤压坯料，使得柔性石墨膜在挤压坯料内部以坯料轴心为中心轴由内向外螺旋分布。在此后的挤压成形步骤中，当坯料受挤压压力经过挤压模具的工作带时，该部分坯料直径随型减小、长度伸长，铝箔在轴向拉伸应力作用下发生塑性变形并按照挤压比例伸长。柔性石墨膜由于不具备塑性变形的能力，在其两侧铝箔的拉伸作用下发生断裂，形成不规则微片。在挤压横向压力的作用下石墨膜断裂之后形成的缺口区域由该石墨膜两侧的铝箔焊合填补，从而形成石墨微片平行于挤压方向定向分布、垂直于挤压方向呈环形或者矩形分布。通过合理选取挤压比(铝膜伸长比例)等参数可以进一步调控石墨微片的尺寸，实现对复合材料微观组织和性能的调控。
采用该方法制备的铝基复合材料在平行于挤压方向可以获得较高的热导率，达到挤压件定向高导热的目的。根据所使用柔性石墨膜的厚度规格及热导率、铝箔的厚度及石墨的体积分数不同，所制得的铝基复合材料挤压件沿挤压方向的热导率为250～400W/mK，较6061等典型铝合金提高40％～200％。
本发明的有益技术效果：
(1)本发明的定向高导热铝基复合材料，在平行于挤压成形方向具备较高的热导率，较6061等典型铝合金提高40％～200％。
(2)本发明的定向高导热铝基复合材料具有良好的综合性能。由于其内部的铝基体完全连续，石墨微片分布均匀，复合材料除了具备较高的热导率之外，还具有良好的力学性能。由于挤压坯料包覆一定厚度的铝箔，挤压件的外表面无石墨暴露，挤压件的耐腐蚀性与常规铝合金挤压件相当。
(3)本发明的定向高导热铝基复合材料采用热挤压一步成形方法制造获得，不适用金属基复合材料的传统制备方法(如搅拌铸造、粉末冶金等)，工艺简单、成本低，是典型的短流程制备成形方法。
(4)本发明的定向高导热铝基复合材料的制造方法，适用于棒材、板材、型材等常规挤压件的制备，工艺适应性较好。
附图说明
图1为本发明的一种定向高导热铝基复合材料横截面的微观结构示意图；
图2为本发明的一种定向高导热铝基复合材料纵截面的微观结构示意图；
图3为层叠坯料示意图；
图4为挤压坯料示意图。
附图标记说明：1石墨微片，2铝基体，3铝箔，4柔性石墨膜，5层叠坯料，6铝包套，7挤压坯料。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，定向高导热铝基复合材料的横截面(以挤压圆棒为例)结构示意图中，由黑色的石墨微片1和白色的铝基体2构成，石墨微片1以挤压棒的轴心为中心沿多圈圆周分布，其粒径尺寸为100～500微米。在图2的定向高导热铝基复合材料的纵截面示意图中，石墨微片1沿挤压方向定向排布，即石墨微片的平面方向平行于挤压方向，使得其高面内热导率得以发挥。
本发明的一种定向高导热铝基复合材料，包括铝基体，以及若干个定向均匀分布于铝基体中的石墨微片，其中，铝基体为6061、6063或1060铝合金；石墨微片为厚度为0.025～0.07微米、平均粒径为100～500微米的片状石墨颗粒，石墨微片占复合材料的体积分数百分含量为14vol％～30vol％。
进一步地，所述的定向均匀分布，是指若干个石墨微片间隔呈铝基复合材料制品横截面形状由铝基复合材料制品的中心向外层层分布；铝基复合材料制品横截面形状可以为圆形或者矩形；当铝基复合材料制品横截面形状为圆形时，若干个石墨微片间隔呈圆形由铝基复合材料制品的中心向外层层分布；当铝基复合材料制品横截面形状为矩形时，若干个石墨微片间隔呈矩形由铝基复合材料制品的中心向外层层分布。
如图3-4所示，本发明的定向高导热铝基复合材料的制备方法，步骤包括：
(1)将规定厚度及成分的铝箔3采用NaOH水溶液对铝箔进行浸湿进行表面化学清洗，去除氧化膜和其他污染物(例如油污)。其中，NaOH水溶液浓度为2％～10％；铝箔3为合金牌号为6061、6063或者1060铝合金，铝箔3的厚度为0.05mm～0.15mm；
(2)将经步骤(1)得到的铝箔3与规定厚度的柔性石墨膜4进行交替叠片，制成层叠坯料5；其中，柔性石墨膜的厚度为0.025mm～0.07mm，柔性石墨膜的面内热导率为1000W/mK～1800W/mK；
(3)将层叠坯料5卷曲，然后装入铝包套6中制成棒状挤压坯料7；铝包套6采用与铝箔相同牌号的铝合金，铝包套的壁厚为2mm～5mm；
(4)将挤压坯料7抽真空并密封；
(5)将抽真空后的挤压坯料7放入加热炉中加热保温；加热温度为380℃～520℃，保温时长为30～180min；
(6)将经步骤(5)得到的挤压坯料放入热挤压机中进行挤压成形，获得定向高导热铝基复合材料制品，其中，挤压速率为0.3mm/s～1mm/s，挤压比为4～31。
获得的定向高导热铝基复合材料制品，其截面形状是圆形或矩形。
实施例1
制备外径为Φ30mm的定向高导热铝基复合材料挤压棒材，其中，石墨微片的体积百分含量为30vol.％，铝基体为1060铝合金。工艺过程如下：
选用厚度为0.05mm的1060铝箔，采用浓度10％的NaOH水溶液清洗去除铝箔表面氧化膜。选用厚度为0.025mm的柔性石墨膜(面内热导率为1500W/mK)，将铝箔和柔性石墨膜交替叠片(首先码放铝箔)，叠片层数为20层(即20层铝箔+20层柔性石墨膜)，制成总厚度为1.5mm的层叠坯料。将层叠坯料卷曲，并装入壁厚为2mm、外径为60mm的铝包套中制成挤压坯料。将挤压坯料抽真空并密封，然后放入预热的加热炉中加热保温，保温温度为380℃，保温时间为30min。将保温之后的挤压坯料立即放入热挤压机中挤压成形，其中，挤压工作带为Φ30mm的圆形截面，挤压速率为1mm/s，挤压比为4。
采用该实施例的工艺方法制备的外径为Φ30mm定向高导热铝基复合材料挤压棒材，横截面为圆形，材料中若干个石墨微片间隔呈圆形由中心向外层层分布，石墨微片为平均粒径为100～500微米的片状石墨颗粒，其平行于挤压方向的热导率为400W/mK。
实施例2
制备外径为Φ20mm的定向高导热铝基复合材料挤压棒材，其中，石墨微片的体积百分含量为15vol.％，铝基体为6063铝合金。工艺过程如下：
选用厚度为0.15mm的6063铝箔，采用浓度为5％的NaOH水溶液清洗去除铝箔表面氧化膜。选用厚度为0.04mm的柔性石墨膜(面内热导率为1200W/mK)，将铝箔和柔性石墨膜交替叠片(首先码放铝箔)，叠片层数为10层(即10层铝箔+10层柔性石墨膜)，制成总厚度为1mm的层叠坯料。将层叠坯料卷曲，并装入壁厚为5mm、外径为80mm的铝包套中制成挤压坯料。将挤压坯料抽真空并密封，然后放入预热的加热炉中加热保温，保温温度为480℃，保温时间为100min。将保温之后的挤压坯料立即放入挤压机中挤压成形，其中，挤压工作带为Φ20mm的圆形截面，挤压速率为0.5mm/s，挤压比为16。
采用该实施例的工艺方法制备的外径为Φ20mm定向高导热铝基复合材料挤压棒材，横截面为圆形，材料中若干个石墨微片间隔呈圆形由中心向外层层分布，石墨微片为平均粒径为100～500微米的片状石墨颗粒，其平行于挤压方向的热导率为250W/mK。
实施例3
制备横截面尺寸为6mm×60mm的定向高导热铝基复合材料挤压棒材，其中，石墨微片的体积百分含量为27±2vol.％，铝基体为6061铝合金。工艺过程如下：
选用厚度为0.15mm的6061铝箔，采用浓度为2％的NaOH水溶液清洗去除铝箔表面氧化膜。选用厚度为0.07mm的柔性石墨膜(面内热导率为1000W/mK)，将铝箔和柔性石墨膜交替叠片(首先码放铝箔)，叠片层数为10层(即10层铝箔+10层柔性石墨膜)，制成总厚度为2.2mm的层叠坯料。将层叠坯料卷曲，并装入壁厚为5mm、外径为100mm的铝包套中制成挤压坯料。将挤压坯料抽真空并密封，然后放入预热的加热炉中加热保温，保温温度为520℃，保温时间为180min。将保温之后的挤压坯料立即放入挤压机中挤压成形，其中，挤压工作带为6mm×60mm的矩形截面，挤压速率为0.3mm/s，挤压比为22。
采用该实施例的工艺方法制备的横截面尺寸为6mm×60mm的定向高导热铝基复合材料挤压棒材，横截面为矩形，材料中若干个石墨微片间隔呈矩形由中心向外层层分布，石墨微片为平均粒径为100～500微米的片状石墨颗粒，其平行于挤压方向的热导率为300W/mK。
实施例4
制备横截面尺寸为3mm×30mm的定向高导热铝基复合材料挤压棒材，其中，石墨微片的体积百分含量为14vol.％，铝基体为6063铝合金。工艺过程如下：
选用厚度为0.070mm的6063铝箔，采用浓度为7％的NaOH水溶液清洗去除铝箔表面氧化膜。选用厚度为0.034mm的柔性石墨膜(面内热导率为1800W/mK)，将铝箔和柔性石墨膜交替叠片(首先码放铝箔)，叠片层数为10层(即10层铝箔+10层柔性石墨膜)，制成总厚度为0.84mm的层叠坯料。将层叠坯料卷曲，并装入壁厚为2.5mm、外径为60mm的铝包套中制成挤压坯料。将挤压坯料抽真空并密封，然后放入预热的加热炉中加热保温，保温温度为500℃，保温时间为60min。将保温之后的挤压坯料立即放入挤压机中挤压成形，其中，挤压工作带为3mm×30mm的矩形截面，挤压速率为0.3mm/s，挤压比为31。
采用该实施例的工艺方法制备的横截面尺寸为3mm×30mm的定向高导热铝基复合材料挤压棒材，横截面为矩形，材料中若干个石墨微片间隔呈矩形由中心向外层层分布，石墨微片为平均粒径为100～500微米的片状石墨颗粒，其平行于挤压方向的热导率为310W/mK。
以上所述的仅是本发明的较佳实施例，并不局限发明。应当指出对于本领域的普通技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，还可以做出其它等同改进，均可以实现本发明的目的，都应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种定向高导热铝基复合材料，其特征在于，所述材料包括铝基体，以及若干个定向均匀分布于铝基体中的石墨微片。
2.根据权利要求1所述的一种定向高导热铝基复合材料，其特征在于，所述的定向均匀分布，是指若干个石墨微片间隔呈铝基复合材料制品横截面形状由铝基复合材料制品的中心向外层层分布。
3.根据权利要求2所述的一种定向高导热铝基复合材料，其特征在于，所述铝基复合材料制品横截面形状为圆形或者矩形；所述铝基复合材料制品横截面形状为圆形时，所述若干个石墨微片间隔呈圆形由铝基复合材料制品的中心向外层层分布；所述铝基复合材料制品横截面形状为矩形时，所述若干个石墨微片间隔呈矩形由铝基复合材料制品的中心向外层层分布。
4.根据权利要求1所述的一种定向高导热铝基复合材料，其特征在于，所述铝基体为6061、6063或1060铝合金；所述石墨微片为厚度为0.025～0.07微米、平均粒径为100～500微米的片状石墨颗粒，所述石墨微片占复合材料的体积分数百分含量为14vol％～30vol％。
5.一种如权利要求1-4任一所述的定向高导热铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法步骤包括：
(1)将规定厚度及成分的铝箔进行表面化学清洗；
(2)将经步骤(1)得到的铝箔与规定厚度的柔性石墨膜进行交替叠片，制成层叠坯料；
(3)将层叠坯料卷曲，然后装入铝包套中制成棒状挤压坯料；
(4)将挤压坯料加热保温；
(5)将经步骤(4)得到的挤压坯料进行挤压成形，获得定向高导热铝基复合材料制品。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述铝箔为合金牌号为6061、6063或者1060铝合金，铝箔的厚度为0.05mm～0.15mm。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中化学清洗是指采用NaOH水溶液对铝箔进行浸湿，所述NaOH水溶液浓度为2％～10％。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中柔性石墨膜的厚度为0.025mm～0.07mm，柔性石墨膜的面内热导率为1000W/mK～1800W/mK。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中铝包套采用与铝箔相同牌号的铝合金，铝包套的壁厚为2mm～5mm。
10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)将挤压坯料放入加热炉中加热保温，加热温度为380℃～520℃，保温时长为30～180min。
11.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)将经步骤(4)得到的挤压坯料放入热挤压机中进行挤压变形，挤压速率为0.3mm/s～1mm/s，挤压比为4～31。
12.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，获得的定向高导热铝基复合材料制品，其截面形状是圆形或矩形。
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曾凡坤等: "高定向石墨/铜复合材料的制备和热物理性能", 《复合材料学报》 *

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