CN117165874A - 一种短切石墨纤维-铜基复合材料的制备方法及短切石墨纤维-铜基复合材料 - Google Patents
一种短切石墨纤维-铜基复合材料的制备方法及短切石墨纤维-铜基复合材料 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117165874A CN117165874A CN202310947617.3A CN202310947617A CN117165874A CN 117165874 A CN117165874 A CN 117165874A CN 202310947617 A CN202310947617 A CN 202310947617A CN 117165874 A CN117165874 A CN 117165874A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- copper
- composite material
- graphite fiber
- based composite
- chopped
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 200
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 200
- 239000010439 graphite Substances 0.000 title claims abstract description 200
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 123
- 239000010949 copper Substances 0.000 title claims abstract description 123
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 112
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 22
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 148
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 74
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 73
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 70
- MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N trimethyl(1,1,2,2,2-pentafluoroethyl)silane Chemical compound C[Si](C)(C)C(F)(F)C(F)(F)F MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 55
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims abstract description 40
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 36
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 34
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 32
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 29
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 29
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 29
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 28
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 24
- 238000009835 boiling Methods 0.000 claims abstract description 20
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000000967 suction filtration Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims abstract description 12
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims abstract description 12
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 8
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 20
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims description 14
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 12
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 11
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 6
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 claims description 6
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 claims description 5
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 3
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 3
- 238000004321 preservation Methods 0.000 claims description 2
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 claims 1
- WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M Potassium chloride Chemical compound [Cl-].[K+] WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 17
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- AHADSRNLHOHMQK-UHFFFAOYSA-N methylidenecopper Chemical compound [Cu].[C] AHADSRNLHOHMQK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 11
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 10
- 235000011164 potassium chloride Nutrition 0.000 description 8
- 239000001103 potassium chloride Substances 0.000 description 8
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 7
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- KWGKDLIKAYFUFQ-UHFFFAOYSA-M lithium chloride Chemical compound [Li+].[Cl-] KWGKDLIKAYFUFQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 4
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 4
- 238000004100 electronic packaging Methods 0.000 description 4
- 239000005022 packaging material Substances 0.000 description 4
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 2
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 2
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 2
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 2
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 1
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 159000000009 barium salts Chemical class 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000005056 compaction Methods 0.000 description 1
- 238000000748 compression moulding Methods 0.000 description 1
- 238000000280 densification Methods 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 1
- 230000008707 rearrangement Effects 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 150000003751 zinc Chemical class 0.000 description 1
Landscapes
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
Abstract
本发明涉及电子元器件复合材料技术领域，公开一种短切石墨纤维‑铜基复合材料的制备方法及短切石墨纤维‑铜基复合材料。包括步骤：将短切石墨纤维、能溶于水的盐以及钛粉混合均匀；加热混合物，在短切石墨纤维表面形成碳化钛涂层，其中，混合物的加热温度控制在高于盐的熔点的30℃‑120℃；将反应产物冷却后置于装有沸水的容器中，使得盐溶化，且碳化钛涂层表面活性钛位点氧化生成氧化钛，然后将其抽滤、洗涤、干燥，得到生长有氧化碳化钛涂层的短切石墨纤维；将生长有氧化碳化钛涂层的短切石墨纤维与铜粉均匀混合，通过粉末冶金法制得短切石墨纤维‑铜基复合材料。短切石墨纤维‑铜基复合材料由上述方法制得，导热性能较好。
Description
技术领域
本发明涉及电子元器件复合材料制备技术领域，尤其涉及一种短切石墨纤维-铜基复合材料的制备方法及短切石墨纤维-铜基复合材料。
背景技术
金属铜因其优良的热性能，低热膨胀系数和成本效益被广泛应用于航空航天、汽车和电子工业等领域作为电子封装材料，但也存在热机械疲劳性能低等缺点。石墨纤维增强铜基复合材料中纤维作为增强体恰恰可以满足这一性能要求，而且可以增强导热，强度和模量，提供了比铜更低的密度和良好的机械加工性。石墨纤维具有很多其他材料无法比拟的优异性能，如密度小，强度和模量高，耐高温和低温性能好，很小的热膨胀系数和优于银铜等金属的超高热导率。然而碳铜界面浸润性差，界面结合强度低。如何提高碳铜界面浸润性对增强复合材料的导热性具有重要意义，现有技术中，通过熔盐法在石墨纤维的表面制得碳化物涂层，以提高碳铜界面浸润性，但是纯碳化钛涂层不能完全浸润铜，碳铜界面浸润性提高有限，使得最终得到的石墨纤维-铜基复合材料导热性不够高。
因此，亟需一种短切石墨纤维-铜基复合材料的制备方法及短切石墨纤维-铜基复合材料来解决上述问题。
发明内容
基于以上所述，本发明的目的在于提供一种短切石墨纤维-铜基复合材料的制备方法及短切石墨纤维-铜基复合材料，短切石墨纤维与铜的浸润性和粘附性较高，碳铜界面结合强度较佳，短切石墨纤维-铜基复合材料的导热性能较好。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种短切石墨纤维-铜基复合材料的制备方法，包括：
将短切石墨纤维、能溶于水的盐以及钛粉混合均匀；
加热混合物，以所述盐为溶剂使得所述短切石墨纤维和所述钛粉发生反应，在所述短切石墨纤维表面形成碳化钛涂层，其中，所述混合物的加热温度控制在高于所述盐的熔点的30℃-120℃；
将反应产物冷却后置于装有沸水的容器中，使得所述盐溶化，且所述碳化钛涂层表面活性钛位点氧化生成氧化钛，然后将其抽滤、洗涤、干燥，得到生长有氧化碳化钛涂层的短切石墨纤维；
将所述生长有氧化碳化钛涂层的短切石墨纤维与铜粉均匀混合，通过粉末冶金法制得短切石墨纤维-铜基复合材料。
作为一种短切石墨纤维-铜基复合材料的制备方法的优选方案，所述盐与所述短切石墨纤维的摩尔比为：1:1-30:1；所述钛粉与所述短切石墨纤维的比例为1:30-8:1。
作为一种短切石墨纤维-铜基复合材料的制备方法的优选方案，所述混合物的加热反应时间为5h-15h。
作为一种短切石墨纤维-铜基复合材料的制备方法的优选方案，所述短切石墨纤维的长度为0.5mm-3mm。
作为一种短切石墨纤维-铜基复合材料的制备方法的优选方案，将所述生长有氧化碳化钛涂层的短切石墨纤维与所述铜粉均匀混合后，将其在第一预设压力下冷压得到短切石墨纤维-铜基复合材料坯体，之后将所述坯体置于反应设备内，通入氢气和氩气混合气体，以预设升温速率在800-1000℃下烧结并保温一定时间得到所述短切石墨纤维-铜基复合材料；或将所述生长有氧化碳化钛涂层的短切石墨纤维与所述铜粉均匀混合后，将其在第二预设压力下通过热压快速烧结得到所述短切石墨纤维/铜复合材料。
作为一种短切石墨纤维-铜基复合材料的制备方法的优选方案，所述预设升温速率为V1，0＜V1≤10℃/min。
作为一种短切石墨纤维-铜基复合材料的制备方法的优选方案，所述生长有氧化碳化钛涂层的短切石墨纤维的含量为0.5％-30％。
作为一种短切石墨纤维-铜基复合材料的制备方法的优选方案，所述烧结时的保温时间为0.5h-5h。
作为一种短切石墨纤维-铜基复合材料的制备方法的优选方案，所述第一预设压力为300MPa-600MPa；所述第二预设压力为30MPa-50MPa。
一种短切石墨纤维-铜基复合材料，由上述任一技术方案所述的短切石墨纤维-铜基复合材料的制备方法制得。
本发明的有益效果为：
本发明提供一种短切石墨纤维-铜基复合材料的制备方法，通过将短切石墨纤维、能溶于水的盐以及钛粉混合物的加热温度控制在高于盐熔点的30℃-120℃，使得短切石墨纤维表面能得到碳化钛涂层且纤维表面不会发生固结，然后通过将反应物在沸水中溶解，使得碳化钛涂层的活性钛位点能氧化生成氧化钛，从而得到表面生成氧化碳化钛涂层的短切石墨纤维；再通过粉末冶金法制备得到的铜基复合材料。通过上述方法使得短切石墨纤维涂层表面能量较高，通过高氧化钛含量能提高短切石墨纤维与铜的浸润性与粘附性，从而提高碳铜界面结合，进一步提升短切石墨纤维-铜基复合材料的导热性能，即上述方法制备得到的铜基复合材料具有各向异性导热，在平面内具有较高的导热性能。
本发明还提供一种短切石墨纤维-铜基复合材料，由上述方法制得，导热性能相较于现有技术中的只具有纯碳化钛涂层的石墨纤维-铜基复合材料高，能更好地作为电子封装材料。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1提供的生成有氧化碳化钛涂层的短切石墨纤维的SEM照片；
图2是本发明实施例1提供的生成有氧化碳化钛涂层的短切石墨纤维的XRD图；
图3是本发明实施例3提供的短切石墨纤维-铜基复合材料沿x-y方向的低倍SEM照片和高倍SEM照片；
图4是本发明实施例3提供的短切石墨纤维-铜基复合材料沿z方向的低倍SEM照片和高倍SEM照片；
图5是本发明对比例3提供的生成有碳化钛涂层的短切石墨纤维的SEM照片；
图6是本发明对比例3提供的生成有碳化钛涂层的短切石墨纤维的XRD照片；
图7是本发明对比例1提供的短切石墨纤维-铜基复合材料的沿z方向的低倍SEM照片；
图8是本发明对比例2提供的短切石墨纤维-铜基复合材料的沿z方向的低倍SEM照片；
图9是本发明对比例3提供的短切石墨纤维-铜基复合材料的沿z方向的低倍SEM照片；
图10是本发明实施例提供的短切石墨纤维-铜基复合材料坯体的结构示意图。
图中：
1、短切石墨纤维-铜基复合材料坯体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
金属铜因其优良的热性能，低热膨胀系数和成本效益被广泛应用于航空航天、汽车和电子工业等领域作为电子封装材料，但也存在热机械疲劳性能低等缺点。石墨纤维增强铜基复合材料中纤维作为增强体恰恰可以满足这一性能要求，而且可以增强导热，强度和模量，提供了比铜更低的密度和良好的机械加工性。石墨纤维具有很多其他材料无法比拟的优异性能，如密度小，强度和模量高，耐高温和低温性能好，很小的热膨胀系数和优于银铜等金属的超高热导率。然而碳铜界面浸润性差，界面结合强度低。如何提高碳铜界面浸润性对增强复合材料的导热性具有重要意义，现有技术中，通过熔盐法在石墨纤维的表面制得碳化物涂层，以提高碳铜界面浸润性，但是纯碳化钛涂层不能完全浸润铜，碳铜界面浸润性提高有限，使得最终得到的石墨纤维-铜基复合材料导热性不够高。
基于上述技术问题，本实施例提供一种短切石墨纤维-铜基复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
S1：将短切石墨纤维、能溶于水的盐以及钛粉混合均匀。
在本实施例中，盐与短切石墨纤维的摩尔比为：1：1-30：1；短切石墨纤维与钛粉的摩尔比为30：1-1：8，例如盐、短切石墨纤维、钛粉的摩尔比为10：1：3、30：1：6、1：1：8、30：1：8、30：30：1、1：1：1等。
可选地，短切石墨纤维的长度为0.5mm-3mm，例如短切石墨纤维的长度为0.5mm、1mm或3mm，具体根据实际需求设置。短切石墨纤维超过一定的长度会影响粉末冶金过程中的压坯导致结合不紧密，甚至可能无法成型；且通过控制短切石墨纤维的长径比在一定程度上会增强导热。
可选地，能溶于水的盐包括锂盐(LiCl)、钠盐(NaCl)、钾盐(KCl)、钙盐(CaCl2)、锌盐(ZnCl2)、钡盐(BaCl2)等，每种盐的熔点不同，例如，LiCl的熔点为700℃、NaCl的熔点为800℃、KCl的熔点为770℃、CaCl2的熔点为772℃、ZnCl2的熔点为365℃、BaCl2的熔点为958℃。
S2：加热混合物，以盐为溶剂使得短切石墨纤维和钛粉发生反应，在短切石墨纤维表面形成碳化钛涂层，其中，混合物的加热温度控制在高于盐熔点30℃-120℃。
在本实施例中，将短切石墨纤维、能溶于水的盐以及钛粉混合置于氧化铝坩埚中，控制氧化铝坩埚内的温度至盐的熔点附近，氧化铝坩埚坚固耐熔、耐高温、耐酸碱、耐寒极热以及耐化学腐蚀。其中，氧化铝坩埚内温度需要根据盐的类型严格控制，以KCl为例，加热混合物时控制温度在800℃-890℃之间，加热温度小于890℃。保证盐熔化，短切石墨纤维与钛充分反应，同时避免短切石墨纤维表面固化导致后续无法生成氧化钛。
可选地，混合物的加热反应时间为5h-15h。例如，混合物在氧化铝坩埚内反应5h、7h或15h，具体根据实际需求设置。
S3：将反应产物冷却后置于装有沸水的容器中，使得盐溶化，且碳化钛涂层表面活性钛位点氧化生成氧化钛，然后将其抽滤、洗涤、干燥，得到生长有氧化碳化钛涂层的短切石墨纤维。
经过步骤S2加热后，短切石墨纤维表面生成碳化钛涂层，待反应物冷却后，取出反应物放置在沸水中，使得盐溶化，由于在步骤S2中反应温度严格控制，使得短切石墨纤维表面为多孔颗粒状，在沸水中，水能有效渗透，在短切石墨纤维表面生成氧化钛涂层，即氧化钛在碳化钛涂层上反应生成，短切石墨纤维表面包覆一层碳化钛层，碳化钛层外包覆一层氧化钛。然后经过抽滤、洗涤、干燥，得到表面生长氧化碳化钛涂层的短切石墨纤维。通过上述方法使得涂层表面能量较高，通过高氧化钛含量能提高短切石墨纤维与铜的浸润性与粘附性，从而提高碳铜界面结合。
S4：将生长有氧化碳化钛涂层的短切石墨纤维与铜粉均匀混合，通过粉末冶金法制得短切石墨纤维-铜基复合材料。
本实施例提供的方法通过生长有氧化碳化钛涂层的短切石墨纤维增强铜基复合材料，克服了现有技术中的具有纯碳化钛涂层的石墨纤维不能完全浸润铜，导致铜与碳化钛表面粘附性较差的缺点。即上述方法制备得到的铜基复合材料具有各向异性导热，在平面内具有较高的导热性能。
具体地，在步骤S4中，还包括步骤：
S41：将生长有氧化碳化钛涂层的短切石墨纤维与铜粉均匀混合后，将其在第一预设压力下冷压得到短切石墨纤维-铜基复合材料坯体1，然后将短切石墨纤维-铜基复合材料坯体1置于反应设备内，通入氢气和氩气混合气体，以预设升温速率在800-1000℃下烧结并保温一定时间得到短切石墨纤维-铜基复合材料；或将生长有氧化碳化钛涂后的短切石墨纤维与铜粉均匀混合后，将其在第二预设压力下通过热压快速烧结得到短切石墨纤维/铜复合材料。
可选地，将含量在0.5％-30％范围内的生长有氧化碳化钛涂的短切石墨纤维与铜粉混合，例如生长有氧化碳化钛涂的短切石墨纤维的含量为0.5％、20％或30％。
在一个实施例中，将生长氧化碳化钛涂层后的短切石墨纤维与铜粉均匀混合后，将其放在冷压机中以300MPa-600MPa压力压制坯体，例如冷压机压力为300MPa、400MPa或600MPa，如图10所示，A方向为生长氧化碳化钛涂层后的短切石墨纤维与铜粉混合后在冷压机中受压方向；然后将短切石墨纤维-铜基复合材料坯体1放入反应设备中，反应设备可选但不限于是水平管式炉，也可以是立式管式炉或马弗炉；优选地，反应设备设有尾气回收装置，对环境友好，节约成本。反应设备内通入氢气和氩气混合气体，反应设备中以初始温度以及V1的温升速率升温，其中，0＜V1≤10℃/min，反应设备内温度不超过1000℃，生长有氧化碳化钛涂层的短切石墨纤维与铜粉在还原气氛中反应0.5h-5h后，例如反应0.5h、1h或5h，得到短切石墨纤维/铜复合材料。采用冷压法制得的短切石墨纤维/铜复合材料产量较大、致密化较高。
在另一个实施例中，将生长氧有化碳化钛涂层的短切石墨纤维与铜粉均匀混合后，将其放在专用的热压机中一次加压成型烧结成短切石墨纤维/铜复合材料。热压法工艺简单、烧结密度高、质量好，且烧结时间短，有利于提高制备效率。其中，热压时的压力为30MPa-50MPa，例如热压时的压力为30MPa、35MPa、45MPa或50MPa。
本实施例还提供一种短切石墨纤维-铜基复合材料，短切石墨纤维-铜基复合材料由上述方法制得，导热性能相较于现有技术中的只具有纯碳化钛涂层的石墨纤维/铜基复合材料高，能更好地作为电子封装材料。
以下通过五个实施例和三个对比例，具体说明本发明提供的短切石墨纤维-铜基复合材料的制备方法。实施例中对部分参数以范围值进行描述，本领域技术人员可以在上述公开范围的基础上经过有限次的实验得出与本发明公开的相同或基本相同的技术效果，因此本发明已得到充分公开。
实施例1
本实施例制备方法的具体步骤是：
将氯化钾、短切石墨纤维与钛粉以30：1：8的摩尔比混合均匀；
将混合物置于氧化铝坩埚中，加热至800℃，反应5h；
冷却后取出，将反应物置于沸水中溶解，之后将其依次抽滤，洗涤和干燥得到生长有氧化碳化钛涂层的短切石墨纤维；
随后将含量为10％的长有氧化碳化钛涂层的短切石墨纤维与铜粉混合均匀，混合物置于模具中在600MPa下压制成坯体；
将压制坯体置于水平管式炉中，通入氩气和氢气的混合气，在850℃下以10℃/min的反应速率反应5h得到短切石墨纤维/铜复合材料。
经过检测，得到的短切石墨纤维/铜复合材料沿x-y方向的导热系数为381.16W·(m·K)-1，沿z方向的导热系数为361.76W·(m·K)-1。
实施例2
本实施例制备方法的具体步骤是：
将氯化钾、短切石墨纤维与钛粉以15：1：5的摩尔比混合均匀；
将混合物置于氧化铝坩埚中，加热至850℃反应5h；
冷却后取出，将反应物置于沸水中溶解，之后将其依次抽滤，洗涤和干燥得到涂覆有氧化碳化钛涂层的短切石墨纤维；
将含量为5％的长有氧化碳化钛涂层的短切石墨纤维与铜粉混合均匀，混合物置于模具中在400MPa下压制成坯体；
将压制坯体置于水平管式炉中，通入氩气和氢气的混合气，在950℃下以5℃/min的反应速率反应0.5h得到高导热短切石墨纤维/铜复合材料。
经过检测，得到的短切石墨纤维/铜复合材料沿x-y方向的导热系数为387.53W·(m·K)-1，沿z方向的导热系数为362.07W·(m·K)-1。
实施例3
本实施例制备方法的具体步骤是：
将氯化钾、短切石墨纤维与钛粉以20：1：7的摩尔比混合均匀；
将混合物置于氧化铝坩埚中，加热至890℃反应7h；
冷却后取出，将反应物置于沸水中溶解，之后将其依次抽滤，洗涤和干燥得到涂覆有氧化碳化钛涂层的短切石墨纤维；
将含量为10％的长有氧化碳化钛涂层的短切石墨纤维与铜粉混合均匀，混合物置于模具中在500MPa下压制成坯体；
将压制坯体置于水平管式炉中，通入氩气和氢气的混合气，在950℃下以2℃/min的反应速率反应3h得到高导热短切石墨纤维/铜复合材料。
经过检测，得到的短切石墨纤维/铜复合材料沿x-y方向的导热系数为420.73W·(m·K)-1，沿z方向的导热系数为376.25W·(m·K)-1。
实施例4
本实施例制备方法的具体步骤是：
将氯化钠、短切石墨纤维与钛粉以25：1：8的摩尔比混合均匀；
将混合物置于氧化铝坩埚中，加热至920℃反应8h；
冷却后取出，将反应物置于沸水中溶解，之后将其依次抽滤，洗涤和干燥得到涂覆有氧化碳化钛涂层的短切石墨纤维；
将含量为30％的长有氧化碳化钛涂层的短切石墨纤维与铜粉混合均匀，混合物置于模具中在300MPa下压制成坯体；
将压制坯体置于水平管式炉中，通入氩气和氢气的混合气，在800℃下以7℃/min的反应速率反应1.5h得到高导热短切石墨纤维/铜复合材料。
经过检测，得到的短切石墨纤维/铜复合材料沿x-y方向的导热系数为382.24W·(m·K)-1，沿z方向的导热系数为370.57W·(m·K)-1。
实施例5
本实施例制备方法的具体步骤是：
将氯化锂、短切石墨纤维与钛粉以30：30：1的摩尔比混合均匀；
将混合物置于氧化铝坩埚中，加热至820℃反应6h；
冷却后取出，将反应物置于沸水中溶解，之后将其依次抽滤，洗涤和干燥得到涂覆有氧化碳化钛涂层的短切石墨纤维；
将含量为20％的长有氧化碳化钛涂层的短切石墨纤维与铜粉混合均匀，混合物置于模具中经SPS快速烧结得到高导热短切石墨纤维/铜复合材料，即以100℃/min的升温速率在800℃下进行烧结并保温5min，烧结压力为38MPa。
经过检测，得到的短切石墨纤维/铜复合材料沿x-y方向的导热系数为370.16W·(m·K)-1，沿z方向的导热系数为361.18W·(m·K)-1。
对比例1
将氯化钾、短切石墨纤维与钛粉以10：1：3的摩尔比混合均匀；
将混合物置于氧化铝坩埚中，加热至900反应5h；
冷却后取出，将反应物置于沸水中溶解，之后将其依次抽滤，洗涤和干燥得到纯碳化钛涂层的短切石墨纤维；
将压制坯体置于水平管式炉中，通入氩气和氢气的混合气，在950℃下以5℃/min的反应速率反应0.5h得到短切石墨纤维/铜复合材料。
采用熔盐法对短切石墨纤维进行改性，当控制熔盐温度为900℃，反应时间为5h时，纤维表面固结，在沸水中溶解时，水几乎无法渗透，短切纤维表面生成纯TiC涂层。后续采用粉末冶金法制备得到短切石墨纤维/铜复合材料沿z方向的低倍SEM照片如图7所示，纤维与铜结合不紧密，存在很多缝隙，两相浸润性很差。且检测得到的短切石墨纤维/铜复合材料沿x-y方向的导热系数为199.94W·(m·K)-1，沿z方向的导热系数为171.67W·(m·K)-1。
对比例2
将氯化钾、短切石墨纤维与钛粉以10：1：3的摩尔比混合均匀；
将混合物置于氧化铝坩埚中，加热至800℃反应7h；
冷却后取出，将反应物置于非沸水中溶解，之后将其依次抽滤，洗涤和干燥得到纯碳化钛涂层的短切石墨纤维；
将压制坯体置于水平管式炉中，通入氩气和氢气的混合气，在950℃下以5℃/min的反应速率反应0.5h得到高导热短切石墨纤维/铜复合材料。
采用熔盐法对短切石墨纤维进行改性，当控制熔盐温度为800℃，反应时间为7h时，纤维表面为多孔颗粒状，在非沸水中溶解时，水渗透较少，短切纤维表面几乎无氧化钛涂层。后续采用粉末冶金法制备得到短切石墨纤维/铜复合材料沿z方向的低倍SEM照片如图8所示，纤维与铜结合不紧密，存在很多缝隙，两相浸润性很差。且检测得到的短切石墨纤维/铜复合材料的沿x-y方向的导热系数为161.31W·(m·K)-1，沿z方向的导热系数为60.97W·(m·K)-1。
对比例3
将氯化钾、短切石墨纤维与钛粉以10：1：3的摩尔比混合均匀；
将混合物置于氧化铝坩埚中，加热至950℃反应3h；
冷却后取出，将反应物置于沸水中溶解，之后将其依次抽滤，洗涤和干燥得到纯碳化钛涂层的短切石墨纤维；
将压制坯体置于水平管式炉中，通入氩气和氢气的混合气，在950℃下以5℃/min的反应速率反应0.5h得到高导热短切石墨纤维/铜复合材料。
采用熔盐法对短切石墨纤维进行改性，当控制熔盐温度为950℃，反应时间为3h时，纤维表面高度固结，在沸水中溶解时，水无法渗透，短切纤维表面生成纯TiC涂层。后续采用粉末冶金法制备得到短切石墨纤维/铜复合材料沿z方向的低倍SEM照片如图9所示，纤维与铜结合不紧密，存在很多缝隙，两相浸润性很差。且检测得到的短切石墨纤维/铜复合材料沿x-y方向的导热系数为178.34W·(m·K)-1，沿z方向的导热系数为69.53W·(m·K)-1。
如图5和图6所示，是对比例3所制备的短切石墨纤维表面涂层进行电镜扫描和XRD(X射线衍射)表征。通过对比图1、图2和图5、图6可以看出，通过控制熔盐温度低于900℃以及沸水溶解可以得到氧化碳化钛涂层，纤维表面为多孔颗粒状；而当熔盐温度高于900℃且在非沸水中溶解时，得到纯碳化钛涂层，纤维表面高度固结。结合图3(图3中a图为上述实施例3制得的短切石墨纤维-铜基复合材料沿x-y方向的低倍SEM照片，b图为上述实施例3制得的短切石墨纤维-铜基复合材料沿x-y方向的高倍SEM照片)、图4(图4中a图为上述实施例3制得的短切石墨纤维-铜基复合材料沿z方向的低倍SEM照片，b图为上述实施例3制得的短切石墨纤维-铜基复合材料沿z方向的高倍SEM照片)以及图7至图9的复合材料SEM图可知，生长氧化碳化钛涂层后短切石墨纤维在基体中分布均匀，与铜结合紧密，无明显缺陷，这有助于充分发挥石墨纤维的优点，进一步提高复合材料的导热性能。本实施例提供的短切石墨纤维-铜基复合材料的制备方法所制备得到的复合材料的导热系数相比纯铜烧结体有很大提高，也进一步印证了氧化碳化钛涂层与铜的浸润性良好。图7至图9为表面生长纯碳化钛涂层后石墨纤维与铜复合得到的复合材料SEM图片，从图中可以看出，纤维与铜结合不紧密，两相之间存在很大的缝隙，这将大大降低复合材料的导热性能。
综上而言，本发明所制备的氧化碳化钛涂层相比纯碳化钛涂层对于提高与金属浸润性具有明显的优势，可大大提升复合材料的性能，制备的短切石墨纤维-铜基复合材料的导热性能十分优异。此外本发明实施方式具有工艺简单，生产成本低，环境友好的特点。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种短切石墨纤维-铜基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将短切石墨纤维、能溶于水的盐以及钛粉混合均匀；
加热混合物，以所述盐为溶剂使得所述短切石墨纤维和所述钛粉发生反应，在所述短切石墨纤维表面形成碳化钛涂层，其中，所述混合物的加热温度控制在高于所述盐的熔点的30℃-120℃；
将反应产物冷却后置于装有沸水的容器中，使得所述盐溶化，且所述碳化钛涂层表面活性钛位点氧化生成氧化钛，然后将其抽滤、洗涤、干燥，得到生长有氧化碳化钛涂层的短切石墨纤维；
将所述生长有氧化碳化钛涂层的短切石墨纤维与铜粉均匀混合，通过粉末冶金法制得短切石墨纤维-铜基复合材料。
2.根据权利要求1所述的短切石墨纤维-铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述盐与所述短切石墨纤维的摩尔比为：1:1-30:1；所述钛粉与所述短切石墨纤维的比例为1:30-8:1。
3.根据权利要求1所述的短切石墨纤维-铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述混合物的加热反应时间为5h-15h。
4.根据权利要求1所述的短切石墨纤维-铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述短切石墨纤维的长度为0.5mm-3mm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的短切石墨纤维-铜基复合材料的制备方法，其特征在于，将所述生长有氧化碳化钛涂层的短切石墨纤维与所述铜粉均匀混合后，将其在第一预设压力下冷压得到短切石墨纤维-铜基复合材料坯体，之后将所述坯体置于反应设备内，通入氢气和氩气混合气体，以预设升温速率在800-1000℃下烧结并保温一定时间得到所述短切石墨纤维-铜基复合材料；或将所述生长有氧化碳化钛涂层的短切石墨纤维与所述铜粉均匀混合后，将其在第二预设压力下通过热压快速烧结得到所述短切石墨纤维/铜复合材料。
6.根据权利要求5所述的短切石墨纤维-铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述预设升温速率为V1，0＜V1≤10℃/min。
7.根据权利要求5所述的短切石墨纤维-铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述生长有氧化碳化钛涂层的短切石墨纤维的含量为0.5％-30％。
8.根据权利要求5所述的短切石墨纤维-铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述烧结时的保温时间为0.5h-5h。
9.根据权利要求5所述的短切石墨纤维-铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述第一预设压力为300MPa-600MPa；所述第二预设压力为30MPa-50MPa。
10.一种短切石墨纤维-铜基复合材料，其特征在于，由权利要求1-9任一项所述的短切石墨纤维-铜基复合材料的制备方法制得。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310947617.3A CN117165874A (zh) | 2023-07-31 | 2023-07-31 | 一种短切石墨纤维-铜基复合材料的制备方法及短切石墨纤维-铜基复合材料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310947617.3A CN117165874A (zh) | 2023-07-31 | 2023-07-31 | 一种短切石墨纤维-铜基复合材料的制备方法及短切石墨纤维-铜基复合材料 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117165874A true CN117165874A (zh) | 2023-12-05 |
Family
ID=88930788
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310947617.3A Pending CN117165874A (zh) | 2023-07-31 | 2023-07-31 | 一种短切石墨纤维-铜基复合材料的制备方法及短切石墨纤维-铜基复合材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117165874A (zh) |
-
2023
- 2023-07-31 CN CN202310947617.3A patent/CN117165874A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110803942B (zh) | 一种超高温陶瓷改性c/c复合材料的制备方法 | |
| WO2006106873A1 (ja) | 炭化チタン粉末および炭化チタン－セラミックス複合粉末とその製造方法ならびにその炭化チタン粉末の焼結体および炭化チタン－セラミックス複合粉末の焼結体とその製造方法 | |
| JP2000203973A (ja) | 炭素基金属複合材料およびその製造方法 | |
| JP2008127609A (ja) | カーボンナノ複合金属材料の製造方法及びカーボンナノ複合金属成形品の製造方法 | |
| CN107640976B (zh) | 三维碳化硅纤维预制件增强硅酸钇复合材料及其制备方法 | |
| CN110564985A (zh) | 石墨烯负载金属颗粒增强铝和铝合金基复合材料的制备方法 | |
| Cao et al. | Progress in densification and toughening of high entropy carbide ceramics | |
| CN107794396A (zh) | 一种Cu‑石墨烯杂聚体增强铝基复合材料的制备方法 | |
| US9138806B2 (en) | In-situ combustion synthesis of titanium carbide (TiC) reinforced aluminum matrix composite | |
| CN113582700B (zh) | 一种低成本硼化钛陶瓷复合材料的制备方法 | |
| CN114990499B (zh) | 一种钼合金靶材的制备方法 | |
| CN110106419A (zh) | 一种制备钼铜复合材料的装置及方法 | |
| CN111204721B (zh) | MnAlCxNn-1-x相粉末的制备方法 | |
| CN117165874A (zh) | 一种短切石墨纤维-铜基复合材料的制备方法及短切石墨纤维-铜基复合材料 | |
| JP5181329B2 (ja) | 窒化アルミニウム含有物の製造方法 | |
| CN115747552B (zh) | 一种纳米铜修饰碳纳米管增强钛基复合材料的制备方法 | |
| Weiqi et al. | In situ TiB-network-reinforced Al2O3/Ti6Al4V joints | |
| JP5308296B2 (ja) | チタンシリコンカーバイドセラミックスの製造方法 | |
| CN114892064A (zh) | FeCrCuVCo高熵合金及其制备方法 | |
| JP2002285258A (ja) | 金属−セラミックス複合材料及びその製造方法 | |
| Li et al. | Quartz and carbon black pellets for silicon production | |
| Barnett et al. | Reaction of tantalum oxide with calcium chloride–calcium oxide melts | |
| CN113528910A (zh) | 一种石墨烯增强稀土镁基复合材料及其制备方法 | |
| CN116477951B (zh) | 一种利用熔盐法制备Ta1/3Nb1/3Ti1/3C陶瓷纳米粉体的方法 | |
| CN109576528B (zh) | 一种以SiC-CDCs@TiC为增强相的铜基复合材料及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |