CN117187617A - 高导热复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高导热复合材料及其制备方法。高导热复合材料包括：铜基材料和氮掺杂碳量子点，铜基材料与氮掺杂碳量子点复合形成高导热复合材料，该高导热复合材料的导热率可以达到458W/MK以上。制备方法包括以下步骤：将铜基材料与氮掺杂碳量子点水浴反应，得到材料粉末；压胚成型材料粉末，并煅烧。本发明通过水浴加热、压胚以及煅烧步骤复合铜基材料与氮掺杂碳量子点，可实现铜基材料与氮掺杂碳量子点的通过C‑O‑Cu键牢固结合，可使氮掺杂碳量子点在铜基材料中均匀分散，在后续的加工和使用过程中，能够降低出现量子点的分布偏析的问题，大大提高了使用效率和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种导热材料，尤其涉及一种高导热复合材料及其制备方法。
背景技术
目前电子产品对集成电路封装性能要求越来越高，由于电子元器件集成度高、运行速度快，导致集成电路产品发出的热量增加，易导致系统热失效，从而影响电子元器件的稳定性，因此需要依靠有高热导率、低热膨胀系数、一定强度的热管理材料及时将热量传递至热沉或外部空间以保证电子系统的正常工作。
目前热管理材料通常是采用具有低膨胀、高热导率且密度小的增强相，如碳纤维、石墨等碳素材料，与金属基材复合获得高强度、高导热率的复合材料，对于电子产品的散热具有重大意义。而铜基复合材料与铝基复合材料相比，铜基复合材料只需添加更少量的增强体，热膨胀系数即可与半导体相匹配，并易于获得更高热导率。更重要的是，铜基复合材料不仅可集成高导热、低膨胀系数以满足热管理功能特性，还具有良好的耐热、耐蚀与化学稳定性，可在更大程度上满足高温、腐蚀环境等极端条件的要求。因此，铜基复合材料往往是先进热管理材料的理想选择。
在实现本发明过程中，申请人发现铜基与石墨烯、金刚石的复合材料至少存在以下技术问题：
（1）现在使用的电子设备越来越偏向轻量化，减轻质量的同时，热导率也会出现降低的趋势。
（2）制备的复合材料，常会出现团聚严重的现象，导致导热效率降低。
（3）由于石墨烯昂贵的价格，造成了合成的复合材料，成本较大。
（4）石墨烯、铜复合材料虽然在一定程度上提高了导热效率，但是提升的幅度任然不够。
发明内容
本发明实施例提供一种高导热复合材料及其制备方法，解决铜基与石墨烯、金刚石的复合材料提高热导率的幅度不够且成本高的问题。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
第一方面，提供了一种高导热复合材料，其包括：铜基材料和氮掺杂碳量子点，铜基材料与氮掺杂碳量子点复合形成高导热复合材料。
在一些实施例中，氮掺杂碳量子点的直径为10nm。
在一些实施例中，氮掺杂碳量子点为铜基材料的0.05wt%-2wt%。
在一些实施例中，高导热复合材料的形状为圆柱形。
在一些实施例中，高导热复合材料的直径为13mm、高度大于等于20mm。
第二方面，提供一种高导热复合材料的制备方法，其包括以下步骤：将铜基材料与氮掺杂碳量子点水浴反应，得到材料粉末；压胚成型材料粉末，并煅烧。
在一些实施例中，水浴反应的温度为70-90℃。
在一些实施例中，压胚成型的压力为10Mpa-45Mpa。
在一些实施例中，煅烧的温度为850-950℃。
在一些实施例中，粉末的压胚体在通入惰性气体保护情况下或者在真空情况下煅烧。
在本发明实施例中， 通过铜基材料与氮掺杂碳量子点复合形成高导热复合材料，该高导热复合材料的导热率可以达到458W/MK以上。同时本发明通过水浴加热、压胚以及煅烧步骤复合铜基材料与氮掺杂碳量子点，可实现铜基材料与氮掺杂碳量子点的通过C-O-Cu键牢固结合，可使氮掺杂碳量子点在铜基材料中均匀分散，在后续的加工和使用过程中，能够降低出现量子点的分布偏析的问题，大大提高了使用效率和稳定性。并且，本发明可实现对高导热复合材料的连续制备，减小了传统方法的多步制备流程，不需要大量的人工和机器，大幅降低了成本，具有较好的发展前景。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明一实施例的高导热复合材料的示意图。
图2是本发明一实施例的高导热复合材料的制备方法的步骤流程示意图。
具体实施方式
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他实施例，都属于本发明保护的范围。
此外，关于本文中所使用的“第一”、“第二”等，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的组件或操作而已。
请参阅图1，其是本发明一实施例的高导热复合材料的示意图；如图所示，高导热复合材料1包括铜基材料2和氮掺杂碳量子点（N-CQDs）2。在本实施例中，氮掺杂碳量子点3是碳量子点（CQDs）与氮掺杂而成，而碳量子点（CQDs）是近年来开发出来的一种直径为2-10nm的准零维球状碳纳米材料，具有优良的机械性能和导热性能。氮掺杂碳量子点3的直径优选为10nm。
本实施例通过铜基材料2与氮掺杂碳量子点3复合形成高导热复合材料1。在本实施例中，氮掺杂碳量子点3为铜基材料2的0.05wt%-2wt%，例如可以是0.05wt%、0.2wt%、0.5wt%、1.0wt%等。由于氮掺杂碳量子点3中的碳量子点表面含有丰富的官能团，可实现铜基材料与氮掺杂碳量子点的通过C-O-Cu键牢固结合，增大润湿性，从而解决石墨烯等材料增强铜基体时容易出现的团聚问题。另外，由于碳量子点与铜不同的晶格参数，可以对高导热复合材料1形成位错结构，对材料的强度也会有较大的提升。如此复合形成的高导热复合材料1的导热率可以达到458W/MK以上，并且通过C-O-Cu键牢固结合，可使氮掺杂碳量子点在铜基材料中均匀分散，在后续的加工和使用过程中，能够降低出现量子点的分布偏析的问题，大大提高了使用效率和稳定性。
在本实施例中，高导热复合材料1的形状为圆柱形，其直径为13mm、高度大于等于20mm，高导热复合材料1的高度例如可以是20mm、30mm、40mm、50mm或者60mm等。
请参阅图2，其是本发明一实施例的高导热复合材料的制备方法的步骤流程示意图；如图所示，本实施例高导热复合材料的制备方法S包括以下步骤S1与步骤S2。本实施例制备方法S在制备高性能导热复合材料1时，首先在步骤S1中将铜基材料2与氮掺杂碳量子点3水浴反应，得到材料粉末。在本实施例中，水浴反应的温度为70-90℃。具体而言，通过水热法制备氮掺杂碳量子点（N-CQDs），然后称取适量的氮掺杂碳量子点3与铜基材料2/超细铜粉均匀混合，并进行水浴反应，水浴反应的温度优选为80℃。
在步骤S2中压胚成型材料粉末，并煅烧。在本实施例中，压胚成型的压力为10Mpa-45Mpa，煅烧的温度为850-950℃。具体而言，将步骤S1中的粉末放入压胚磨具中，并设置压胚磨具的压力优选为20Mpa，得到压胚体，然后将压胚体放入管式炉中，在通入惰性气体保护情况下或者在真空情况下煅烧，煅烧的温度优选为900℃，如此制得高性能导热复合材料1。
本实施例高导热复合材料的制备方法S通过水浴加热、压胚以及煅烧步骤复合铜基材料与氮掺杂碳量子点，可实现铜基材料与氮掺杂碳量子点的紧密结合，可在后续的加工和使用过程中，降低出现量子点的分布偏析的问题，大大提高了使用效率和稳定性。同时，本发明可实现对高导热复合材料的连续制备，减小了传统方法的多步制备流程，不需要大量的人工和机器，大幅降低了成本，具有较好的发展前景。
以下将结合具体实施例进一步说明本发明高导热复合材料及其制备方法的有益效果。
实施例1
步骤1，铜粉(10g)与0.05wt%N-CQDs(0.005g)在70℃下水浴反应，水浴反应的时间为4小时；
步骤2，将步骤1中得到的粉末加入到压胚磨具中，在10Mpa的压力下进行压胚，接着在将压胚体放入管式炉中，在通入惰性气体保护情况下煅烧，煅烧的温度为850℃，制得高性能导热复合材料。
测试上述所制备的高性能导热复合材料的性能，其热导率为528.41W/(m·K)，热膨胀系数为0.165*10-4m/℃，化学稳定性良好，具有较好的耐热性。
实施例2
步骤1，铜粉(10g)与0.06wt%N-CQDs(0.006g)在75℃下水浴反应，水浴反应的时间为4.2小时；
步骤2，将步骤1中得到的粉末加入到压胚磨具中，在18Mpa的压力下进行压胚，接着在将压胚体放入管式炉中，在通入惰性气体保护情况下煅烧，煅烧的温度为870℃，制得高性能导热复合材料。
测试上述所制备的高性能导热复合材料的性能，其热导率为530.86W/(m·K)，热膨胀系数为0.165*10-4m/℃，化学稳定性良好，具有良好的耐热性。
实施例3
步骤1，铜粉(10g)与0.08wt%N-CQDs(0.008g)在80℃下水浴反应，水浴反应的时间为5小时；
步骤2，将步骤1中得到的粉末加入到压胚磨具中，在25Mpa的压力下进行压胚，接着在将压胚体放入管式炉中，在通入惰性气体保护情况下煅烧，煅烧的温度为890℃，制得高性能导热复合材料。
测试上述所制备的高性能导热复合材料的性能，其热导率为534.49W/(m·K)，热膨胀系数为0.163*10-4m/℃，化学稳定性良好，较为耐热。
实施例4
步骤1，铜粉(10g)与0.09wt%N-CQDs(0.009g)在82℃下水浴反应，水浴反应的时间为5小时；
步骤2，将步骤1中得到的粉末加入到压胚磨具中，在30Mpa的压力下进行压胚，接着在将压胚体放入管式炉中，在通入惰性气体保护情况下煅烧，煅烧的温度为900℃，制得高性能导热复合材料。
测试上述所制备的高性能导热复合材料的性能，其热导率为541.02W/(m·K)，热膨胀系数为0.163*10-4m/℃，化学稳定性较为稳定，耐热性能较好。
实施例5
步骤1，铜粉(10g)与1wt%N-CQDs(0.1g)在84℃下水浴反应，水浴反应的时间为5小时；
步骤2，将步骤1中得到的粉末加入到压胚磨具中，在40Mpa的压力下进行压胚，接着在将压胚体放入管式炉中，在通入惰性气体保护情况下煅烧，煅烧的温度为910℃，制得高性能导热复合材料。
测试上述所制备的高性能导热复合材料的性能，其热导率为589.56W/(m·K)，热膨胀系数为0.161*10-4m/℃，化学稳定性良好，耐热性能较好。
实施例6
步骤1，铜粉(10g)与1.6wt%N-CQDs(0.16g)在88℃下水浴反应，水浴反应的时间为5小时；
步骤2，将步骤1中得到的粉末加入到压胚磨具中，在45Mpa的压力下进行压胚，接着在将压胚体放入管式炉中，在通入惰性气体保护情况下煅烧，煅烧的温度为930℃，制得高性能导热复合材料。
测试上述所制备的高性能导热复合材料的性能，其热导率为547.19W/(m·K)，热膨胀系数为0.157*10-4m/℃，化学稳定性较好，耐热性能较好。
综上所述，本发明提供一种高导热复合材料及其制备方法。本发明通过铜基材料与氮掺杂碳量子点复合形成高导热复合材料，该高导热复合材料的导热率可以达到458W/MK以上。同时本发明通过水浴加热、压胚以及煅烧步骤复合铜基材料与氮掺杂碳量子点，可实现铜基材料与氮掺杂碳量子点的通过C-O-Cu键牢固结合，可使氮掺杂碳量子点在铜基材料中均匀分散，在后续的加工和使用过程中，能够降低出现量子点的分布偏析的问题，大大提高了使用效率和稳定性。并且，本发明可实现对高导热复合材料的连续制备，减小了传统方法的多步制备流程，不需要大量的人工和机器，大幅降低了成本，具有较好的发展前景。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种高导热复合材料，其特征在于，包括：铜基材料和氮掺杂碳量子点，所述铜基材料与所述氮掺杂碳量子点复合形成所述高导热复合材料。
2.根据权利要求1所述的高导热复合材料，其特征在于，所述氮掺杂碳量子点的直径为10nm。
3.根据权利要求1所述的高导热复合材料，其特征在于，所述氮掺杂碳量子点为所述铜基材料的0.05wt%-2wt%。
4.根据权利要求1所述的高导热复合材料，其特征在于，所述高导热复合材料的形状为圆柱形。
5.根据权利要求4所述的高导热复合材料，其特征在于，所述高导热复合材料的直径为13mm、高度大于等于20mm。
6.一种高导热复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将铜基材料与氮掺杂碳量子点水浴反应，得到材料粉末；
压胚成型所述材料粉末，并煅烧。
7.根据权利要求6所述的高导热复合材料的制备方法，其特征在于，水浴反应的温度为70-90℃。
8.根据权利要求6所述的高导热复合材料的制备方法，其特征在于，压胚成型的压力为10Mpa-45Mpa。
9.根据权利要求6所述的高导热复合材料的制备方法，其特征在于，煅烧的温度为850-950℃。
10.根据权利要求6所述的高导热复合材料的制备方法，其特征在于，所述粉末的压胚体在通入惰性气体保护情况下或者在真空情况下煅烧。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
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