CN116791012A - 一种高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料及其制备方法，包括：将高导热石墨连续纤维原料石墨化处理，然后放置于分体式双温区压力浸渗装置的真空气压浸渗炉下腔室，银铜合金置于感应加热炉上腔室；抽真空、加热，浇注；快速撤除上腔室，旋入下腔室炉盖；下腔室通入惰性气体，银铜合金熔液在气压作用下浸渗到石墨连续纤维中，且银铜合金中铬或锆元素与石墨连续纤维反应，在纤维表面形成厚度为50‑200nm的碳化物。由于银铜合金熔点低，流动性好，浸渗过程中石墨连续纤维不发生热损伤，碳化物厚度可精确控制，因此可获得比石墨连续纤维/铜更高密度、高热导的复合材料。1台上腔室能够与2‑5台下腔室组合步进生产，设备效能和产能明显提高。

Description

一种高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于高导热金属基复合材料技术领域，具体涉及一种高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料及其制备方法。

背景技术

随着电子设备朝着高性能、小型化和高度集成化方向快速发展，电子元器件的功率密度越来越大，单位面积的发热量迅速攀升，散热问题已成为制约电子信息产业发展的技术瓶颈之一。为提高电子元器件的工作稳定性和安全可靠性，高性能热管理材料应运而生，它能够将电子元器件产生的多余热量及时排除，使温度始终保持在正常工作允许的范围内。热管理材料通常需具备较高的热导率，与半导体器件相匹配的热膨胀系数、轻量化及高强度等特点。

石墨连续纤维/铜复合材料热导高，膨胀系数低，而且密度低于其他常用的高导热材料，是一种极具潜力的新型热管理材料。石墨连续纤维室温热导率有600-1200W/(m·K)，铜室温热导率400W/(m·K)，理论上石墨连续纤维/铜复合材料的热导率可达300-600W/(m·K)。然而，由于材料特性及制备工艺问题，石墨连续纤维/铜复合材料实际热导率仅有200-400W/(m·K)左右。首先，由于石墨连续纤维与纯铜湿润性差，如果不对石墨连续纤维进行表面改性处理，即通过物理或化学的方法在石墨纤维表面形成一层较薄的碳化物层，石墨连续纤维与纯铜基体只有物理结合，界面热阻大，导致复合材料热导率低。其次，由于纯铜熔点高(1083℃)，石墨连续纤维/铜复合材料制备温度高达1130-1300℃，高温环境会造成石墨连续纤维热损伤，降低石墨连续纤维的本征热导率。同时，较高的制备温度还会导致石墨纤维表面碳化物层厚度过大，进而影响复合材料的热导率。再次，由于液态铜表面张力较大，高温下铜流动性较差，容易粘模，不能很好地填充到石墨连续纤维孔隙中，导致复合材料致密度较低。复合材料中间的孔隙会增大热阻，降低复合材料的热导。除了以上问题，现有的石墨连续纤维/铜复合材料还存在制备时间长、工艺过程复杂，高温环境对设备要求高，制造成本高等问题。

以上问题限制了石墨连续纤维/铜复合材料热导率的提升，也很难大幅降低石墨连续纤维/铜的制备成本。

因此，亟需寻找一种制备温度低、基体流动性好的石墨连续纤维增强金属基复合材料，并且能够简便制备，降低生产成本，提高生产率。

发明内容

针对上述已有技术存在的不足，本发明提供了一种高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料及其制备方法，是一种高导热、高致密度的石墨连续纤维增强银铜基复合材料及其低成本、高效率制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：将热导率为600-1200W/m·K的高导热石墨连续纤维原料放置于成形石墨模具中，然后在高温石墨化炉中于2800-3200℃进行石墨化处理；

S2：将上步骤石墨化处理后的高导热石墨连续纤维连同成形石墨模具一起放置于分体式双温区压力浸渗装置的真空气压浸渗炉下腔室中，将银铜基体合金放置于分体式双温区压力浸渗装置的感应加热炉上腔室的熔金属坩埚；然后对感应加热炉上腔室、真空气压浸渗炉下腔室抽真空，当真空度降至10-10^-2Pa后，加热，待感应加热炉上腔室、真空气压浸渗炉下腔室分别达到设定的温度恒温后，将熔化的银铜基体合金熔液浇注到成型模具中；停止感应加热炉上腔室加热和抽真空，再从真空气压浸渗炉下腔室通入高纯惰性气体，增加炉内压力至常压后停止通气；

所述的银铜基体合金为银铜铬合金或银铜锆合金，银铜基体合金成分按质量百分比计为Ag：60-70％、Cr或Zr：0.5-1.2％、Cu：余量；

所述的感应加热炉上腔室设定温度为950-1050℃，真空气压浸渗炉下腔室设定温度为860-950℃；

S3：快速拆装感应加热炉上腔室(1)，旋入真空气压浸渗炉下腔室(2)的炉盖；对真空气压浸渗炉下腔室(2)通入高压高纯惰性气体至5-20MPa后，银铜基体合金熔液在气体压力作用下浸渗到石墨连续纤维孔隙中，与此同时银铜基体合金熔液中的铬或锆元素与石墨连续纤维反应，在石墨连续纤维表面生成厚度为50-200nm的碳化铬或碳化锆，恒温恒压5-20min后再关闭加热电源随炉冷却到200℃以下，获得高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料；

步骤S2所述的分体式双温区压力浸渗装置，包括可快拆快装的感应加热炉上腔室、真空气压浸渗炉下腔室、真空系统、充气系统和电气控制系统；其中的真空气压浸渗炉下腔室与真空系统、充气系统连接，电气控制系统控制整个分体式双温区压力浸渗装置；

所述的感应加热炉上腔室为中频感应炉，从外至内依次是中频感应炉炉壳、感应线圈和熔金属坩埚；所述的感应加热炉上腔室通过电缆与中频电源连接，其中电缆为快拆快接结构；

所述的真空气压浸渗炉下腔室，从外至内依次是钟罩式保温筒、石墨发热体、浸渗复合模具；所述的真空气压浸渗炉下腔室的底部设置充气接口和真空接口；

在感应加热炉上腔室的底部与真空气压浸渗炉下腔室的钟罩式保温筒顶部均设置有金属液体流通小孔，感应加热炉上腔室和真空气压浸渗炉下腔室通过旋入式卡槽配合连接；

所述的感应加热炉上腔室1台与真空气压浸渗炉下腔室2-5台组合，进行步进生产。

本发明中：

步骤S1中所述的石墨连续纤维的热导率为600-1200W/(m·K)，在其它条件相同时，随石墨连续纤维本征热导率的增加，石墨连续纤维表面碳化物厚度愈薄，界面热阻越小，高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料热导率逐渐增加，综合热导率和成本考虑，石墨连续纤维的热导率优选为600-1200W/(m·K)。

步骤S1中所述的石墨连续纤维选自单向铺排、正交铺排、二维编织、二维编织穿刺或者三维编织结构中的一种。

步骤S2具体为：首先将装有高导热石墨连续纤维的成形模具放入分体式双温区压力浸渗装置的真空气压浸渗炉下腔室钟罩式保温筒内的石墨坩埚中，将银铜基体合金置于分体式双温区压力浸渗装置的感应加热炉上腔室的熔金属坩埚中；其次通过真空泵对感应加热炉上腔室和真空气压浸渗炉下腔室同时抽真空，当腔内真空度降至10-10^-2Pa后，启动加热装置使感应加热炉上腔室和真空气压浸渗炉下腔室达到各自设定的温度进行恒温；恒温结束后，提起感应加热炉上腔室熔金属坩埚中的提升杆，银铜基体合金熔液自流通小孔流入真空气压浸渗炉下腔室的成形模具中；随后停止感应加热炉上腔室加热，再停止抽真空，从气压浸渗炉下腔室充入高纯惰性气体，待感应加热炉上腔室和真空气压浸渗炉下腔室至常压后停止充气。

在步骤S2中，所述银铜基体合金为银铜铬合金或银铜锆合金，银铜基体合金成分按质量百分比计为Ag：60-70％、Cr或Zr：0.5-1.2％、Cu：余量，该合金熔点为779-820℃。有研究表明，980℃以上石墨纤维会出现较明显的似月球表面的凹坑，并且出现部分表层脱落，使石墨纤维的本征热导有所下降。本发明选用共晶成分附近的Ag-30-40wt.％Cu合金作为基体，熔点低、流动性好，制备温度860-950℃即可(比熔点高80-130℃)，较低的制备温度可有效避免石墨连续纤维的热损伤问题，保证石墨连续纤维的高导热性能，最终获得高导热复合材料。另外，由于石墨连续纤维与银铜基体合金润湿性较差，二者界面结合弱，界面热阻较高，严重影响了复合材料热导率。因此，在银铜基体合金中添加了质量分数为0.5-1.2％的铬或锆元素，高温高压浸渗过程中铬或锆会与石墨连续纤维发生界面反应生成碳化铬或碳化锆反应层，从而明显改善石墨连续纤维与银铜基体合金的界面结合，降低界面热阻，有利于获得具有较高热导率的复合材料。铬或锆元素含量过低时，生成的碳化铬或碳化锆反应层较薄，达不到改善界面结合效果；铬或锆元素含量过高时，生成的碳化铬或碳化锆反应层较厚，使得界面热阻增加，同时银铜基体合金的热导率也会随铬或锆元素含量的增加而降低，因此优选质量分数为0.5-1.2％的铬或锆。

在步骤S2中，所述的感应加热炉上腔室设定温度为950-1050℃，真空气压浸渗炉下腔室设定温度为860-950℃，银铜基体合金的熔点为779-820℃，感应加热炉上腔室温度设定为950-1050℃是为了确保银铜基体合金充分熔化并具有较好的流动性，有利于银铜基体合金熔液自上而下流入真空气压浸渗炉下腔室与成形模具进行浸渗复合，真空气压浸渗炉下腔室温度860-950℃为浸渗温度，是为了避免破坏石墨连续纤维原本的热导性能。

在步骤S2中，所述的感应加热炉上腔室的加热采用感应加热，升温速率为200-300℃/min，感应加热的目的是使银铜基体合金迅速升温熔化，从而避免合金氧化，并提高生产效率；所述真空气压浸渗炉下腔室的加热采用石墨发热体加热，升温速率为10-20℃/min，石墨发热体加热可精确控制真空气压浸渗炉下腔室浸渗温度，并控制石墨连续纤维与银铜基体合金中铬或锆的扩散反应速率，从而达到精确控制石墨连续纤维表面碳化铬或碳化锆层厚度的效果。

步骤S2所述的感应加热炉上腔室设置有提升杆，提升杆从感应加热炉上腔室顶部穿过熔金属坩埚底部与流通小孔对应；所述的电缆，做成快拆快接结构是为了在银铜基体合金熔液浇注后能够快速撤除感应加热炉上腔室，避免撤除过程中真空气压浸渗炉下腔室温度的大幅波动和空气进入。

步骤S2所述的真空气压浸渗炉下腔室设置有炉盖，真空气压浸渗炉下腔室与炉盖通过旋入式卡槽配合连接；所述的真空气压浸渗炉下腔室的浸渗复合模具，包括石墨坩埚和成形模具；所述的石墨发热体和石墨坩埚表面均有一薄层化学气相沉积所得的碳化硅材料，以提高石墨发热体和石墨坩埚抗氧化性能。

步骤S2所述的真空气压浸渗炉下腔室中的钟罩式保温筒的内外层为金属薄板，金属薄板采用铆接或焊接工艺连接，在两层薄板之间填充有保温材料。

步骤S2所述的感应加热炉上腔室和真空气压浸渗炉下腔室均为双层水循环金属壳体；所述的感应加热炉上腔室和真空气压浸渗炉下腔室通过旋入式卡槽配合连接，旋入式卡槽配合连接可满足感应加热炉上腔快拆快装要求；同时，满足抽真空和充气时感应加热炉上腔室和真空气压浸渗炉下腔室连接处密封要求。

步骤S2所述的将熔化的银铜基体合金熔液浇注到成型模具中，是恒温结束后，提起感应加热炉上腔室的熔金属坩埚中的提升杆，银铜基体合金熔液自流通小孔流入真空气压浸渗炉下腔室的成形模具中。

步骤S3具体为：打开感应加热炉上腔室和真空气压浸渗炉下腔室两侧旋入式卡槽，快速撤除感应加热炉上腔室，旋入真空气压浸渗炉下腔室炉盖，密封真空气压浸渗炉下腔室；对真空气压浸渗炉下腔室充入高压高纯惰性气体至5-20MPa后，恒温恒压保持5-20min，完成银铜基体合金与石墨连续纤维之间的复合；停止真空气压浸渗炉下腔室加热，随炉冷却，待冷却到200℃以下时取出高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料；恒温恒压保持5-20min的目的一是使银铜基体合金熔液浸渗到石墨连续纤维孔隙中，另一目的是使银铜基体合金熔液中的铬或锆元素与石墨连续纤维发生反应，在石墨连续纤维表面形成50-200nm厚的碳化铬或碳化锆。由于碳化锆或碳化铬的热导率为20-120W/(m·K)，热导率较低，因此在制备石墨连续纤维增强金属基复合材料时，在碳化铬或碳化锆覆盖完整基础上，碳化铬或碳化锆层的厚度愈薄，石墨连续纤维增强金属基复合材料的热导率愈高。

步骤S2所述的感应加热炉上腔室1台与真空气压浸渗炉下腔室2-5台组合，进行步进生产，具体为：在感应加热炉上腔室与第1台真空气压浸渗炉下腔室组合工作时，第2-5台真空气压浸渗炉内放置好装有石墨连续纤维坯料的成形模具，并按步进生产流程先后开启加热电源，在惰性气体保护下加热；感应加热炉上腔室熔化银铜基体合金并浇注到第1台真空气压浸渗炉下腔室的成形模具后，将感应加热炉上腔室与第1台真空气压浸渗炉下腔室快速分离，第1台真空气压浸渗炉下腔室进而进行步骤S3操作；打开第2台真空气压浸渗炉下腔室炉盖，旋入感应加热炉上腔室，快速接好感应加热炉上腔室电缆；再打开感应加热炉炉盖，放入银铜基体合金，开启电源升温熔化银铜基体合金；接下来第2台真空气压浸渗炉下腔室打开真空系统，开始抽真空，待感应加热炉上腔室、真空气压浸渗炉下腔室达到程序设定温度后，按照“提起提升杆-银铜基体合金熔液浇注-关闭真空系统-充气至常压-感应加热炉上腔室与真空气压浸渗炉下腔室分离-真空气压浸渗炉下腔室进行步骤S3操作”进行，之后感应加热炉上腔室参照以上步骤依次与第3、第4、第5台真空气压浸渗炉下腔室陆续组合，进行步进生产。

步骤S3中所述的高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料中石墨连续纤维增强相体积分数为30-45％。

本发明还涉及一种高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料，采用上述一种高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料的制备方法得到，所述的高石墨连续纤维增强银铜基复合材料中石墨连续纤维增强相体积分数为30-45％，石墨连续纤维表面碳化铬或碳化锆层厚度为50-200nm，复合材料致密度达99.1-99.5％，热导率为330-582W/(m·K)。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明所述的一种高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料，采用银铜合金做复合材料基体，制备温度可低至950℃及以下，石墨连续纤维发生高温热损伤的可能性大大降低；同时，较低的制备温度可促使银铜基体合金中铬或锆元素与石墨连续纤维的反应速率明显降低，从而能够精确控制碳化铬或碳化锆反应层厚度，确保获得低界面热阻、高热导率的石墨连续纤维增强银铜基复合材料；另外，银铜合金的流动性优于纯铜。熔体流动性与熔体表面张力和黏度有关，纯铜中加入银后可以降低熔体表面张力，减小黏度，提高熔体的流动性。如1085℃时液态纯Cu的表面张力为1330mN/m，而液态Ag-40％Cu合金的表面张力为940mN/m，表面张力随Ag含量的增加而降低。银铜合金较好的流动性有利于其自上而下流入石墨连续纤维孔隙中进行浸渗复合，从而确保了复合材料较好的致密性。

2、本发明所述的一种高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料的制备方法，采用分体式双温区压力浸渗装置的感应加热炉上腔室与真空气压浸渗炉下腔室通过旋入式卡槽配合连接，满足抽真空和充气时上下腔连接处密封要求；同时，满足感应加热炉上腔室快拆快装要求。当感应加热炉上腔室完成银铜基体合金的熔炼、浇注任务后即被快速撤除，然后迅速旋入真空气压浸渗炉下腔室的炉盖，密封真空气压浸渗炉下腔室，在真空气压浸渗炉下腔室内完成气压浸渗任务。与现有的压力浸渗装置相比，本装置的真空气压浸渗部分的装置尺寸明显减小，设备制造、维护和运营成本显著降低。

3、本发明所述的一种高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料的制备方法，采用的分体式双温区压力浸渗装置的感应加热炉上腔室0.5小时即可熔化银铜基体合金，且可以快拆快装；而真空气压浸渗炉下腔室预热、浸渗和冷却模具通常需要数小时，因此1台感应加热炉上腔室能够与2-5台真空气压浸渗炉下腔室组合，进行步进生产，设备效能和产能高，满足实际生产线不间断浸渗产品要求，且材料制造成本明显降低。

附图说明

图1为本发明实施例所述的制备高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料的分体式双温区压力浸渗装置的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的制备高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料的分体式双温区压力浸渗装置撤除感应加热炉上腔室后的结构示意图；

图3为本发明实施例2所述的一种高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料的制备方法得到的高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料实物图(图3左：实施例2得到的单向铺排石墨连续纤维增强银铜基复合材料；图3右：实施例5得到的二维编织石墨连续纤维增强银铜基复合材料)；

其中，附图中标记为：

1、感应加热炉上腔室；2、真空气压浸渗炉下腔室；3、中频感应炉炉壳；4、熔金属坩埚；5、感应线圈；6、充气接口；7、真空接口；8、石墨发热体；9、成形模具；10、钟罩式保温筒；11、流通小孔；12、炉盖；13、石墨坩埚；14、提升杆。

具体实施方式

以下通过实施例进一步详细描述本发明，但这些实施例不应认为是对本发明的限制。

下面将结合本发明实施例中的附图，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的一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

一种高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：将高导热石墨连续纤维原料放置于成形石墨模具中，然后在高温石墨化炉中于2800-3200℃进行石墨化处理；

S2：将所述高导热石墨连续纤维连同成形石墨模具一起放置于分体式双温区压力浸渗装置的真空气压浸渗炉下腔室，银铜基体合金放置于分体式双温区压力浸渗装置的感应加热炉上腔室；然后对上下腔室抽真空、加热，待感应加热炉上腔室和真空气压浸渗炉下腔室分别达到设定的温度恒温后，将熔化的银铜基体合金熔液浇注到成形模具中；停止感应加热炉上腔室加热和抽真空，再通入高纯惰性气体，增加炉内压力至常压后停止通气；

S3：快速撤除感应加热炉上腔室，旋入真空气压浸渗炉下腔室的炉盖；对真空气压浸渗炉下腔室通入高压高纯惰性气体，银铜基体合金熔液在气体压力作用下浸渗到石墨连续纤维孔隙中，与此同时银铜基体合金熔液中的铬或锆元素与石墨连续纤维发生反应，在石墨连续纤维表面生成厚度为50-200nm的碳化铬或碳化锆层，恒温恒压5-20min后再关闭加热电源随炉冷却，获得石墨连续纤维/银铜基复合材料；

实施例1-6中，分体式双温区压力浸渗装置示意图如图1-2所示，包括可快拆快装的感应加热炉上腔室1、真空气压浸渗炉下腔室2、真空系统、充气系统和电气控制系统；

所述感应加热炉上腔室1为中频感应炉，从外至内依次是中频感应炉炉壳3、熔金属坩埚4和感应线圈5；所述感应加热炉上腔室1通过电缆与中频电源连接，其中电缆为快拆快接结构；所述真空气压浸渗炉下腔室2从外至内依次是钟罩式保温筒10、石墨发热体8和浸渗复合模具；所述的真空气压浸渗炉下腔室2的底部设置充气接口6和真空接口7；

在感应加热炉上腔室1底部与真空气压浸渗炉下腔室2的钟罩式保温筒顶部均设置有金属液体流通小孔11，感应加热炉上腔室1和真空气压浸渗炉下腔室2通过旋入式卡槽配合连接；旋入式卡槽配合连接可满足感应加热炉上腔室1快拆快装要求；同时，满足抽真空和充气时感应加热炉上腔室1和真空气压浸渗炉下腔室2连接处密封要求；电缆做快拆快接结构是为了银铜基体合金熔化浇注后能够快速拆挪感应加热炉上腔室1，避免拆挪过程中真空气压浸渗炉下腔室2温度的大幅波动和氧气进入；

感应加热炉上腔室1内设置提升杆14，提升杆14从感应加热炉上腔室1顶部穿过熔金属坩埚4底部与流通小孔11对应；

真空气压浸渗炉下腔室2设置炉盖12，真空气压浸渗炉下腔室2与炉盖12通过旋入式卡槽配合连接，该连接可在充气和抽真空时保证真空气压浸渗炉下腔室2和真空气压浸渗炉炉盖12连接部位的密封性；真空气压浸渗炉下腔室2的浸渗复合模具包括石墨坩埚13和成形模具9，钟罩式保温筒10内外层为金属薄板，金属薄板采用铆接或焊接工艺连接，在两层薄板之间填充有保温材料，感应加热炉上腔室1和真空气压浸渗炉下腔室2均为双层水循环金属壳体；

步骤S2具体为：首先将装有高导热石墨连续纤维的成形模具放入分体式双温区压力浸渗装置的真空气压浸渗炉下腔室钟罩式保温筒内的石墨坩埚中，将银铜基体合金置于分体式双温区压力浸渗装置的感应加热炉上腔室的熔金属坩埚中；其次通过真空泵对感应加热炉上腔室和真空气压浸渗炉下腔室同时抽真空，当腔内真空度降至10-10^-2Pa后，启动加热装置使感应加热炉上腔室和真空气压浸渗炉下腔室达到各自设定的温度进行恒温；恒温结束后，提起感应加热炉上腔室熔金属坩埚中的提升杆，银铜基体合金熔液自流通小孔流入真空气压浸渗炉下腔室的成形模具中；随后停止感应加热炉上腔室加热，再停止抽真空，从气压浸渗炉下腔室充入高纯惰性气体，待感应加热炉上腔室和真空气压浸渗炉下腔室至常压后停止充气；

S3的具体操作为：快速撤除感应加热炉上腔室1，旋入真空气压浸渗炉下腔室的炉盖12；从充气接口6向真空气压浸渗炉下腔室通入高压高纯惰性气体至5-20MPa，银铜基体合金熔液在气体压力作用下浸渗到石墨连续纤维孔隙中，与此同时银铜基体合金熔液中的铬或锆元素与石墨连续纤维反应，在石墨连续纤维表面生成50-200nm的碳化铬或碳化锆，恒温恒压5-20min后再关闭加热电源随炉冷却，获得高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料。

实施例2：

一种高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：将热导率为600W/(m·K)的石墨连续纤维原料单向铺排填装在石墨成形模具中，在高温石墨化炉中于2800℃恒温1小时进行石墨化处理；

S2：将装有石墨连续纤维的成形模具放入分体式双温区压力浸渗装置的真空气压浸渗炉下腔室，将70Ag-29.2Cu-0.8Cr合金置于分体式双温区压力浸渗装置的感应加热炉上腔室的熔金属坩埚内；首先通过真空气压浸渗炉下腔室一侧的真空泵对感应加热炉上腔室和真空气压浸渗炉下腔室同时抽真空，当腔内真空度降至10Pa后，启动加热装置使感应加热炉上腔室温度为950℃，真空气压浸渗炉下腔室温度为860℃，待感应加热炉上腔室70Ag-29.2Cu-0.8Cr合金在熔化后，提起感应加热炉上腔室熔金属坩埚中的提升杆，使感应加热炉上腔室70Ag-29.2Cu-0.8Cr合金熔液自流通小孔流入真空气压浸渗炉下腔室的成形模具中；随后停止感应加热炉上腔室加热，再停止抽真空，从气压浸渗炉下腔室充入高纯惰性气体，待感应加热炉上腔室和真空气压浸渗炉下腔室至常压后停止充气；

S3：打开感应加热炉上腔室和真空气压浸渗炉下腔室两侧旋入式卡槽，快速撤除感应加热炉上腔室，旋入真空气压浸渗炉下腔室炉盖，密封真空气压浸渗炉下腔室；对真空气压浸渗炉下腔室充入高压高纯惰性气体至5MPa后，恒温恒压保持5min，完成银铜基体合金与石墨连续纤维之间的复合；停止真空气压浸渗炉下腔室加热，随炉冷却，待冷却到200℃以下时取出高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料；

图3为本实施例制备的高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料实物图，该高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料的尺寸为150×50×15mm，尺寸精度为±0.1mm，表面粗糙度Ra为0.8μm，从图中可以看出该复合材料表面平整，完整，没有明显缺陷，说明本实施例工艺参数合理，银铜基体合金实现了优异的浸渗效果；

经取样测试，本实施例获得的高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料中石墨连续纤维体积分数为30％，石墨连续纤维表面碳化铬层厚度为50nm，复合材料致密度达99.2％，沿纤维方向的热导率为377W/(m·K)。

实施例3：

一种高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：将热导率为1200W/(m·K)的石墨连续纤维原料单向铺排填装在石墨成形模具中，在高温石墨化炉中于3200℃恒温2小时进行石墨化处理；

S2：将装有石墨连续纤维的成形模具放入分体式双温区压力浸渗装置的真空气压浸渗炉下腔室，将70Ag-29.3Cu-0.7Zr合金置于分体式双温区压力浸渗装置的感应加热炉上腔室的熔金属坩埚内；首先通过真空气压浸渗炉下腔室一侧的真空泵对感应加热炉上腔室和真空气压浸渗炉下腔室同时抽真空，当腔内真空度降至10^-1Pa后，启动加热装置使感应加热炉上腔室温度为980℃，真空气压浸渗炉下腔室温度为890℃，待感应加热炉上腔室70Ag-29.3Cu-0.7Zr合金熔化后，提起感应加热炉上腔室熔金属坩埚中的提升杆，使感应加热炉上腔室70Ag-29.3Cu-0.7Zr合金熔液自上而下流入真空气压浸渗炉下腔室的成形模具中；随后停止感应加热炉上腔室加热，再停止抽真空，从真空气压浸渗炉下腔室充入高纯惰性气体，待感应加热炉上腔室和真空气压浸渗炉下腔室至常压后停止充气；

S3：打开感应加热炉上腔室和真空气压浸渗炉下腔室两侧旋入式卡槽，快速撤除感应加热炉上腔室，旋入真空气压浸渗炉下腔室炉盖，密封真空气压浸渗炉下腔室；对真空气压浸渗炉下腔室充入高压高纯惰性气体至20MPa后，恒温恒压保持20min，完成银铜基体合金熔液与石墨连续纤维之间的复合；停止真空气压浸渗炉下腔室加热，随炉冷却，待冷却到200℃以下时取出高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料；

经测，本实施例获得的高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料中石墨连续纤维体积分数为45％，石墨连续纤维表面碳化锆层厚度为200nm，复合材料致密度达99.5％，沿纤维方向的热导率为582W/(m·K)。

实施例4：

一种高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将热导率为1000W/(m·K)的石墨连续纤维原料正交铺排填装在石墨成形模具中，在高温石墨化炉中于3000℃恒温1.5小时进行石墨化处理；将装有石墨连续纤维的成形模具放入分体式双温区压力浸渗装置的真空气压浸渗炉下腔室，将60Ag-38.8Cu-1.2Cr合金置于分体式双温区压力浸渗装置的感应加热炉上腔室的熔金属坩埚内；

首先通过真空气压浸渗炉下腔室一侧的真空泵对感应加热炉上腔室和真空气压浸渗炉下腔室同时抽真空，当腔内真空度降至5×10^-1Pa后，启动加热装置使感应加热炉上腔室温度为1050℃，真空气压浸渗炉下腔室温度为950℃，待感应加热炉上腔室60Ag-38.8Cu-1.2Cr合金熔化后，提起感应加热炉上腔室熔金属坩埚中的提升杆，使感应加热炉上腔室60Ag-38.8Cu-1.2Cr合金熔液自流通小孔流入真空气压浸渗炉下腔室的成形模具中；随后停止感应加热炉上腔室加热，再停止抽真空，从真空气压浸渗炉下腔室充入高纯惰性气体，待感应加热炉上腔室和真空气压浸渗炉下腔室至常压后停止充气；

打开感应加热炉上腔室和真空气压浸渗炉下腔室两侧旋入式卡槽，快速撤除感应加热炉上腔室，旋入真空气压浸渗炉下腔室炉盖，密封真空气压浸渗炉下腔室；对真空气压浸渗炉下腔室充入高压高纯惰性气体至10MPa后，恒温恒压保持10min，完成银铜基体合金与石墨连续纤维之间的复合；停止真空气压浸渗炉下腔室加热，随炉冷却，待冷却到200℃以下后取出高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料；

经测，本实施例获得的高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料中石墨体积分数为40％，石墨连续纤维表面碳化铬层厚度为166nm，复合材料致密度达99.3％，XY平面方向的热导率为382W/(m·K)。

实施例5：

一种高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将热导率为800W/(m·K)的石墨连续纤维二维编织原料铺排填装在石墨成形模具中，在高温石墨化炉中于3000℃恒温2小时进行石墨化处理；将装有石墨连续纤维的成形模具放入分体式双温区压力浸渗装置的真空气压浸渗炉下腔室，将65Ag-34Cu-1Cr合金置于分体式双温区压力浸渗装置的感应加热炉上腔室的熔金属坩埚内；

首先通过真空气压浸渗炉下腔室一侧的真空泵对感应加热炉上腔室和真空气压浸渗炉下腔室同时抽真空，当腔内真空度降至2×10^-1Pa后，启动加热装置使感应加热炉上腔室温度为990℃，真空气压浸渗炉下腔室温度为910℃，待感应加热炉上腔室65Ag-34Cu-1Cr合金熔化后，提起感应加热炉上腔室熔金属坩埚中的提升杆，使感应加热炉上腔室65Ag-34Cu-1Cr合金熔液自流通小孔流入真空气压浸渗炉下腔室的成形模具中；随后停止感应加热炉上腔室加热，再停止抽真空，从气压浸渗炉下腔室充入高纯惰性气体，待上下腔室至常压后停止充气；

打开感应加热炉上腔室和真空气压浸渗炉下腔室两侧旋入式卡槽，快速撤除感应加热炉上腔室，旋入真空气压浸渗炉下腔室炉盖，密封真空气压浸渗炉下腔室；对真空气压浸渗炉下腔室充入高压高纯惰性气体至15MPa后，恒温恒压保持10min，完成银铜基体合金与石墨连续纤维之间的复合；停止真空气压浸渗炉下腔室加热，随炉冷却，待冷却到200℃以下时取出高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料；

经测，本实施例获得的高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料中石墨连续纤维体积分数为40％，石墨连续纤维表面碳化铬层厚度为130nm，复合材料致密度达99.1％，XY平面内的热导率为330W/(m·K)。

实施例6：

一种高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将热导率为1100W/(m·K)的石墨连续纤维三维编织原料铺排填装在石墨成形模具中，在高温石墨化炉中于3200℃恒温2小时进行石墨化处理；将2个装有石墨连续纤维的成形模具分别放入1#、2#分体式双温区压力浸渗装置的真空气压浸渗炉下腔室，将65.2Ag-34.2Cu-0.5Cr合金置于分体式双温区压力浸渗装置的感应加热炉上腔室的熔金属坩埚内；

首先将2#真空气压浸渗炉下腔盖好炉盖，通入惰性气体，启加加热电源，控制温度为600℃，1#真空气压浸渗炉下腔室则与感应加热炉上腔室通过卡槽旋入式连接；通过1#真空气压浸渗炉下腔室一侧的真空泵对感应加热炉上腔室和1#真空气压浸渗炉下腔室同时抽真空，当腔内真空度降至4×10^-1Pa后，启动加热装置使感应加热炉上腔室温度为970℃，1#真空气压浸渗炉下腔室温度为900℃，待感应加热炉上腔室65.2Ag-34.2Cu-0.5Cr合金熔化后，提起感应加热炉上腔室熔金属坩埚中的提升杆，使感应加热炉上腔室的65.2Ag-34.2Cu-0.5Cr合金熔液自流通小孔流入1#真空气压浸渗炉下腔室的成形模具中；随后停止感应加热炉上腔室加热，再停止抽真空，从1#真空气压浸渗炉下腔室充入高纯惰性气体，待上下腔室至常压后停止充气；

打开感应加热炉上腔室和1#真空气压浸渗炉下腔室两侧旋入式卡槽，快速撤除感应加热炉上腔室，旋入1#真空气压浸渗炉下腔室炉盖，密封1#真空气压浸渗炉下腔室；对1#真空气压浸渗炉下腔室充入高压高纯惰性气体至10MPa后，恒温恒压保持10min，完成银铜基体合金熔液与石墨连续纤维之间的复合；停止1#真空气压浸渗炉下腔室加热，随炉冷却，待冷却到200℃以下时取出高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料；1#真空气压浸渗炉下腔室随炉冷却过程中，打开2#真空气压浸渗炉下腔室炉盖，迅速旋入感应加热炉上腔室，快速接好感应加热炉上腔室电缆；再打开感应加热炉上腔室炉盖，放入65.2Ag-34.2Cu-0.5Cr合金，通过2#真空气压浸渗炉下腔室一侧的真空泵对感应加热炉上腔室和2#真空气压浸渗炉下腔室同时抽真空，当腔内真空度降至4×10^-1Pa后，启动加热装置使感应加热炉上腔室温度为970℃，将2#真空气压浸渗炉下腔室温度由600℃升高至900℃，待感应加热炉上腔室65.2Ag-34.2Cu-0.5Cr合金熔化后，提起感应加热炉上腔室熔金属坩埚中的提升杆，使感应加热炉上腔室的65.2Ag-34.2Cu-0.5Cr合金熔液自流通小孔流入2#真空气压浸渗炉下腔室的成形模具中；随后停止感应加热炉上腔室加热，再停止抽真空，从2#真空气压浸渗炉下腔室充入高纯惰性气体，待上下腔室至常压后停止充气；打开感应加热炉上腔室和2#真空气压浸渗炉下腔室两侧旋入式卡槽，快速撤除感应加热炉上腔室，旋入2#真空气压浸渗炉下腔室炉盖，密封2#真空气压浸渗炉下腔室；对2#真空气压浸渗炉下腔室充入高压高纯惰性气体至10MPa后，恒温恒压保持10min，完成银铜基体合金与石墨连续纤维之间的复合；停止2#真空气压浸渗炉下腔室加热，随炉冷却，待冷却到200℃以下时取出高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料。

实施例放前面，对比例放后面，不要穿插放一起。

原则上，一个实施例或者对比例中只能有一个句号。

对比例1：

一种高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料的制备方法，制备过程同实施例2，不同的是S2和S3步骤中将70Ag-29.2Cu-0.8Cr合金换成70Ag-30Cu合金；

经测，本对比例获得的石墨连续纤维增强银铜复合材料中，石墨连续纤维的体积分数为30％，石墨连续纤维表面无碳化铬层，复合材料热导率仅为256W/(m·K)；与实施例2相比，对比例1的银铜基体合金中未添加铬元素，在同等制备条件下热导率降低了32.1％；

因此，实施例2中银铜合金基体中的铬元素对于降低石墨连续纤维与银铜合金基体界面热阻，获得高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料起着关键作用。

对比例2：

一种高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料的制备方法，制备过程同实施例3，不同的是S2和S3步骤中将70Ag-29.3Cu-0.7Zr合金换成Cu-1.2Zr合金，且步骤S2中启动加热装置使感应加热炉上腔室温度为1250℃，真空气压浸渗炉下腔室温度为1150℃；

经测，本实施例获得的石墨连续纤维增强银铜基复合材料中石墨连续纤维的体积分数为45％，石墨连续纤维表面碳化锆层厚度为460nm，复合材料致密度为98.1％，热导率为235W/(m·K)；和实施例3相比，对比例2的基体合金由低熔点的银铜锆合金换成高熔点的铜锆合金，导致感应加热炉上腔室温度由980℃增加至1250℃，真空气压浸渗炉下腔室温度由890℃增加至1150℃；较高的制备温度使得石墨连续纤维表面碳化锆厚度增加了56.5％，复合材料致密度下降了1.4％，最终导致复合材料的热导率降低了59.6％；

因此，实施例3中银铜合金基体中的质量百分比计为60-70％的银对于降低制备温度、降低石墨纤维表面碳化物层厚度及最终获得高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料起着关键作用。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：将热导率为600-1200W/(m·K)的高导热石墨连续纤维原料放置于成形石墨模具中，然后在高温石墨化炉中于2800-3200℃进行石墨化处理；

S2：将上步骤石墨化处理后的高导热石墨连续纤维连同成形石墨模具一起放置于分体式双温区压力浸渗装置的真空气压浸渗炉下腔室(2)中，将银铜基体合金放置于分体式双温区压力浸渗装置的感应加热炉上腔室(1)的熔金属坩埚(4)；然后对感应加热炉上腔室(1)、真空气压浸渗炉下腔室(2)抽真空，当真空度降至10-10^-2Pa后，加热，待感应加热炉上腔室(1)、真空气压浸渗炉下腔室(2)分别达到设定的温度恒温后，将熔化的银铜基体合金熔液浇注到成型模具中；停止感应加热炉上腔室(1)加热和抽真空，再从真空气压浸渗炉下腔室(2)通入高纯惰性气体，增加炉内压力至常压后停止通气；

所述的银铜基体合金为银铜铬合金或银铜锆合金，银铜基体合金成分按质量百分比计为Ag：60-70％、Cr或Zr：0.5-1.2％、Cu：余量；

所述的感应加热炉上腔室设定温度为950-1050℃，真空气压浸渗炉下腔室设定温度为860-950℃；

S3：快速拆装感应加热炉上腔室(1)，旋入真空气压浸渗炉下腔室(2)的炉盖；对真空气压浸渗炉下腔室(2)通入高压高纯惰性气体至5-20MPa后，银铜基体合金熔液在气体压力作用下浸渗到石墨连续纤维孔隙中，与此同时银铜基体合金熔液中的铬或锆元素与石墨连续纤维反应，在石墨连续纤维表面生成厚度为50-200nm的碳化铬或碳化锆，恒温恒压5-20min后再关闭加热电源随炉冷却到200℃以下，获得高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料；

步骤S3所述的分体式双温区压力浸渗装置，包括可快拆快装的感应加热炉上腔室(1)、真空气压浸渗炉下腔室(2)、真空系统、充气系统和电气控制系统；其中的真空气压浸渗炉下腔室(2)与真空系统、充气系统连接，电气控制系统控制整个分体式双温区压力浸渗装置；

所述的感应加热炉上腔室(1)为中频感应炉，从外至内依次是中频感应炉炉壳(3)、感应线圈(5)和熔金属坩埚(4)；所述的感应加热炉上腔室(1)通过电缆与中频电源连接，其中电缆为快拆快接结构；

所述的真空气压浸渗炉下腔室(2)，从外至内依次是钟罩式保温筒(10)、石墨发热体(8)、浸渗复合模具；所述的真空气压浸渗炉下腔室(2)的底部设置充气接口(6)和真空接口(7)；

在感应加热炉上腔室(1)的底部与真空气压浸渗炉下腔室(2)的钟罩式保温筒(10)的顶部均设置有金属液体流通小孔(11)，感应加热炉上腔室(1)和真空气压浸渗炉下腔室(2)通过旋入式卡槽配合连接；

所述的感应加热炉上腔室(1)1台与真空气压浸渗炉下腔室(2)2-5台组合，进行步进生产。

2.根据权利要求1所述的一种高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤S1中所述的石墨连续纤维选自单向铺排、正交铺排、二维编织、二维编织穿刺或者三维编织结构中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤S2中，所述的感应加热炉上腔室的加热采用感应加热，升温速率为200-300℃/min；所述真空气压浸渗炉下腔室的加热采用石墨发热体加热，升温速率为10-20℃/min。

4.根据权利要求1所述的一种高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤S2所述的感应加热炉上腔室(1)设置有提升杆(14)，提升杆(14)从感应加热炉上腔室(1)顶部穿过熔金属坩埚(4)底部与流通小孔(11)对应。

5.根据权利要求1所述的一种高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤S2所述真空气压浸渗炉下腔室(2)设置有炉盖(12)，真空气压浸渗炉下腔室(2)与炉盖(12)通过旋入式卡槽配合连接；

所述真空气压浸渗炉下腔室(2)的浸渗复合模具，包括石墨坩埚(13)和成形模具(9)；

所述真空气压浸渗炉下腔室(2)中的钟罩式保温筒(10)的内外层为金属薄板，金属薄板采用铆接或焊接工艺连接，在两层薄板之间填充有保温材料。

6.根据权利要求1所述的一种高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤S2所述感应加热炉上腔室(1)和真空气压浸渗炉下腔室(2)均为双层水循环金属壳体。

7.根据权利要求1所述的一种高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤S2所述的将熔化的银铜基体合金熔液浇注到成型模具(9)中，是恒温结束后，提起感应加热炉上腔室(1)的熔金属坩埚(4)中的提升杆(14)，银铜基体合金熔液自流通小孔(11)流入真空气压浸渗炉下腔室(2)的成形模具(9)中。

8.根据权利要求1所述的一种高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤S2所述的感应加热炉上腔室(1)1台与真空气压浸渗炉下腔室(2)2-5台组合，进行步进生产，具体为：在感应加热炉上腔室(1)与第1台真空气压浸渗炉下腔室(2)组合工作时，第2-5台真空气压浸渗炉内放置好装有石墨连续纤维坯料的成形模具(9)，并按步进生产流程先后开启加热电源，在惰性气体保护下加热；感应加热炉上腔室(1)熔化银铜基体合金并浇注到第1台真空气压浸渗炉下腔室(2)的成形模具(9)后，将感应加热炉上腔室(1)与第1台真空气压浸渗炉下腔室(2)快速分离，第1台真空气压浸渗炉进而进行步骤S3操作；打开第2台真空气压浸渗炉下腔室炉盖(12)，旋入感应加热炉上腔室(1)，快速接好感应加热炉上腔室电缆；再打开感应加热炉炉盖，放入银铜基体合金，开启电源升温熔化银铜基体合金；接下来第2台真空气压浸渗炉下腔室(2)打开真空系统，开始抽真空，待感应加热炉上腔室(1)、真空气压浸渗炉下腔室(2)达到程序设定温度后，按照“提起提升杆(14)-银铜基体合金熔液浇注-关闭真空系统-充气至常压-感应加热炉上腔室(1)与真空气压浸渗炉下腔室(2)分离-真空气压浸渗炉进行步骤S3操作”进行，之后感应加热炉上腔室(1)参照以上步骤依次与第3、第4、第5台真空气压浸渗炉下腔室(2)陆续组合，进行步进生产。

9.根据权利要求1所述的一种高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤S3，具体为：打开感应加热炉上腔室(1)和真空气压浸渗炉下腔室(2)两侧旋入式卡槽，快速撤除感应加热炉上腔室(1)，旋入真空气压浸渗炉下腔室炉盖(12)，密封真空气压浸渗炉下腔室(2)；对真空气压浸渗炉下腔室(2)充入高压高纯惰性气体至5-20MPa后，恒温恒压保持5-20min，完成银铜基体合金与石墨连续纤维之间的复合；停止真空气压浸渗炉下腔室(2)加热，随炉冷却，待冷却到200℃以下时取出高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料。

10.一种高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料，其特征在于：采用权利要求1-9任一所述的一种高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料的制备方法得到，所述的高导热石墨连续纤维增强银铜基复合材料中石墨连续纤维增强相体积分数为30-45％，石墨连续纤维表面碳化铬层厚度为50-200nm，复合材料致密度达99.1-99.5％，热导率为330-582W/(m·K)。