CN117206614B - 一种轻量化柔性高导热石墨烯导热索的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种轻量化柔性高导热石墨烯导热索的制备方法，所述导热索柔性段由多层高导热石墨烯薄膜及保护性铜箔组成，导热索两端为柔性段与导热金属接头的钎焊结构。1)采用银铜钛钎料箔包覆多层石墨烯薄膜叠层两端钎焊区域并在其顶层和底层各置一层保护性铜箔，装配好后置于真空钎焊炉内，加热到银铜钛钎料钎焊温度，得到完整导热索柔性段；2)对导热金属接头进行预处理；3)将导热索柔性段与导热金属接头填充锡基钎料，装配好后置于真空钎焊炉内，加热到锡基钎料钎焊温度，得到完整的导热索。本发明石墨烯导热索采用二次钎焊的方法，显著降低了接头热应力，减少装配时间以及提高成品率，整体结合强度提高，隔振性强，产品可靠性更高，使用寿命更长。
Description
技术领域
本发明属于异种材料连接领域，特别涉及本发明的目的是提供一种轻量化柔性高导热石墨烯导热索制备方法。
背景技术
近年来，随着中国航天技术的快速发展，航天器负载类型和卫星功耗不断增加，大型集成电路在卫星中的应用已十分广泛，高密度集成化已成为各类电子元器件的发展方向。高集成度和紧凑的封装技术极大地减少了器件的散热空间，导致器件的功率密度快速增加，并且在器件内部的狭窄空间中积累了废热；高局部温度、不均匀的热流分布和小空间内高热流密度等散热问题越来越明显。一般卫星发热电子部件是通过热管技术解决散热问题，现阶段，很多空间技术提出了发热元件与冷板之间的隔振和相对运动的需求。而刚性的热管不能满足其要求，因此，需要一种柔性散热通道把发热电子部件和冷板连接在一起。
碳材料因具有高导热率、低密度、低热膨胀系数、耐高温等优异性能，一直以来作为很有发展潜力的高导热材料受到广泛关注。柔性高导热石墨烯(石墨烯)是一种特殊的碳材料，除具有上述优异性能之外，还具有特殊的热性能、质量轻、优异的柔韧性、耐腐蚀氧化、耐辐射、优良的热稳定性等性能优势，其片层方向导热率高达880-2000W·m-1·K-1，垂直于石墨烯片层方向的热导率只2-20W·m-1·K-1，石墨烯导热率是传统导热金属铜的5倍以上，且密度小于铜的四分之一，因此石墨烯相较于金属导热材料有无可比拟的优势，所以，急需解决石墨烯薄膜连接发热电子部件和冷板的问题。
目前采用钎焊的方法连接多层石墨烯薄膜叠层与金属，直接钎焊会导致装配过程繁琐且成品率低，因此，急需解决多层石墨烯薄膜叠层与金属之间高效连接的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种轻量化柔性高导热石墨烯导热索制备方法。
一种轻量化柔性高导热石墨烯导热索的制备方法，其特征在于，所述导热索柔性段是两端金属化后具有保护性铜箔的多层石墨烯薄膜叠层，两端为导热索柔性段与导热金属接头钎焊结构，制备步骤如下：
1)采用银铜钛钎料箔包覆多层石墨烯薄膜叠层两端钎焊区域后在其顶层和底层各置一层保护性铜箔，装配好后置于真空钎焊炉内，加热到银铜钛钎料钎焊温度后保温、冷却，完成第一步金属化，得到完整导热索柔性段；
2)导热金属接头进行预处理；
3)将导热索柔性段两端金属化区域与导热金属之间填充锡基钎料箔，装配好后置于真空钎焊炉内，加热到锡基钎料钎焊温度后保温、冷却，完成第二步软钎焊，得到完整的导热索。
进一步地，步骤1)中所述银铜钛钎料箔厚度在0.03mm-0.2mm之间，保护性铜箔厚度为0.05mm-0.2mm。
进一步地，步骤1)中所述银铜钛钎钎料成分为Ag60-75/Ti 1-8/Cu BAL(wt.％)。
进一步地，步骤1)中所述柔性石墨烯薄膜长度5mm-400mm，宽度5mm-30mm，所述石墨烯薄膜10-120层，导热膜厚度为0.02mm-0.2mm。
进一步地，步骤1)中所述保护性铜箔长度和宽度与石墨烯薄膜裁剪一致。
进一步地，步骤1)中所述包覆后的多层石墨烯薄膜叠层两端整体形状呈长方体金属壳体且保证两端包覆长度不超过20mm。
进一步地，步骤2)中所述导热金属接头为紫铜或者铝合金，预处理包括，化学除油、清洗，化学镀镍或者电镀。
进一步地，步骤3)中所述锡基钎料箔厚度在0.02mm-0.2mm之间；所述填充锡基钎料后导热索柔性段与导热金属之间无间隙。
进一步地，步骤1)、3)中所述真空开始加热真空度要优于5×10-3Pa·m3/s，并且加热过程中炉内真空度优于10-3Pa·m3/s。
进一步地，步骤1)、3)所述保温时间与设定程序相同，加热速度为10℃/mi n，保温结束随炉冷却。
本发明制备的轻量化高导热柔性石墨烯导热索，主要特点是操作简单，成品率高，高导热，高寿命，抗扭折，质量轻，具体如下：
本发明所使用的二次钎焊方法的装配时间是一次钎焊方法的几分之一，且成品率极高。
本发明制备的轻量化高导热柔性石墨烯导热索的导热效果是导热金属的数倍，重量是铜，铝导热索的几分之一。
导热索端部位置石墨烯与银铜钛箔材之间是完全冶金结合，界面热阻小，并且金属化后的端部尺寸与导热金属更契合，传热过程中石墨烯薄膜实际使用率高即导热率更高。
本发明在叠层后的石墨烯顶层和底层放置一层保护性铜箔，对导热索整体起保护作用，抗弯折、抗扭转及抗撕裂能力提高，有效增加导热索使用寿命。
附图说明
图1是本发明轻量化高导热柔性石墨烯导热索整体设计结构图。
图2是本发明轻量化高导热柔性石墨烯导热索柔性段金属化层装配后的结构图。
图3是本发明轻量化高导热柔性石墨烯导热索整体结构示意图。
图4是本发明轻量化高导热柔性石墨烯导热索柔性段与导热金属接头第二步钎焊结构示意图。
图5是本发明轻量化高导热柔性石墨烯导热索整体第二步钎焊后的实际宏观图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进一步详细说明。
一种轻量化柔性高导热石墨烯导热索，导热索柔性段金属化层装配后的结构如附图2所示。图中1为银铜钛钎料，2为柔性石墨烯薄膜叠层，3为保护性铜箔，两端为柔性石墨薄膜金属化层结构。
图3是本发明轻量化高导热柔性石墨烯导热索整体的结构图。图中4、5为导热金属接头，6为导热索柔性段。
图4是本发明轻量化高导热柔性石墨烯导热索柔性段与导热金属接头第二步钎焊结构示意图。
实例1
1)对石墨烯薄膜、铜箔和银铜钛箔材进行裁剪，石墨烯薄膜40层，厚度为75μm，保护性铜箔2片，石墨烯薄膜和铜箔长度为100mm，宽度为15mm，银铜钛箔材厚度为0.05mm。
2)装配，柔性石墨烯叠层后，先将银铜钛箔材包覆两端金属化区域，再在其顶层和底层各放一片保护性铜箔，保护性铜箔厚度为0.1mm，且两端银铜钛箔材包覆长度各为10mm，参考图2。
3)将装配好的导热索柔性段放置在真空钎焊炉内，炉内抽真空，加热到银铜钛钎料钎焊温度，保温，冷却，得到石墨烯柔性段整体钎焊件，所述真空包括开始加热真空度优于5×10-3Pa·m3/s以及加热过程中炉内真空度优于10-3Pa·m3/s；所述保温时间不超过10mi n，加热速度为10℃/mi n，保温结束随炉冷却。
4)将铝合金接头，进行化学除油，清洗及化学镀处理。
5)装配，将金属化后的导热索柔性段与镀镍铝合金接头间隙填满锡基钎料箔材，锡基钎料箔材厚度为0.1mm，参考图3，图4。
6)将装配好的石墨烯导热索本体放置在真空钎焊炉内，炉内抽真空，加热到锡基钎料钎焊温度，保温，冷却，得到石墨烯导热索本体钎焊件，所述真空包括开始加热真空度优于5×10-3Pa·m3/s以及加热过程中炉内真空度优于10-3Pa·m3/s；所述保温时间不超过20mi n，加热速度为10℃/mi n，保温结束随炉冷却，最终制得的导热索本体实际宏观形貌见图5。
对实例制备的铝合金端头的柔性石墨导热索进行性能测试，得到柔性石墨烯薄膜与铝合金界面间完全冶金结合，无裂缝、孔洞等缺陷，加热功率为5.0W，测得导热索等效导热系数不低于800.0W/m2·K，等效热导不低于0.5W·k-1。
以上已对本发明的技术方案进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，基于本发明方案熟悉本领域的技术人员还可做出种种等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (6)
1.一种轻量化柔性高导热石墨烯导热索的制备方法，其特征在于，所述导热索柔性段是两端金属化后具有保护性铜箔的多层石墨烯薄膜叠层，两端为导热索柔性段与导热金属接头钎焊结构：
1)采用银铜钛钎料箔包覆多层石墨烯薄膜叠层两端钎焊区域后在其顶层和底层各置一层保护性铜箔，装配好后置于真空钎焊炉内，加热到银铜钛钎料钎焊温度后保温、冷却，完成第一步金属化，得到完整导热索柔性段；
2)导热金属接头进行预处理；
3)将导热索柔性段两端金属化区域与导热金属之间填充锡基钎料箔，装配好后置于真空钎焊炉内，加热到锡基钎料钎焊温度后保温、冷却，完成第二步软钎焊，得到完整的导热索；
步骤1)中所述银铜钛钎钎料成分为Ag60-75/Ti 1-8/Cu BAL(wt.％)；
步骤3)中所述锡基钎料箔厚度在0.02mm-0.2mm之间；所述填充锡基钎料后导热索柔性段与导热金属之间无间隙；
步骤1)、3)中所述真空开始加热真空度要优于5×10-3Pa·m3/s，并且加热过程中炉内真空度优于10-3Pa·m3/s；
步骤1)、3)所述保温时间与设定程序相同，加热速度为10℃/min，保温结束随炉冷却。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤1)中所述银铜钛钎料箔厚度在0.03mm-0.2mm之间，保护性铜箔厚度为0.05mm-0.2mm。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤1)中所述柔性石墨烯薄膜长度5mm-400mm，宽度5mm-30mm，所述石墨烯薄膜10-120层，导热膜厚度为0.02mm-0.2mm。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤1)中所述保护性铜箔长度和宽度与石墨烯薄膜裁剪一致。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤1)中所述包覆后的多层石墨烯薄膜叠层两端整体形状呈长方体金属壳体且保证两端包覆长度不超过20mm。
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤2)中所述导热金属接头为紫铜或者铝合金，预处理包括，化学除油、清洗，化学镀镍或者电镀。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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