一種納米碳纖維-銅復(fù)合材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了屬于電子元器件復(fù)合材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】的一種納米碳纖維-銅復(fù)合材料的制備方法。此方法首先通過化學(xué)鍍或電鍍將納米碳纖維鍍覆一定體積分?jǐn)?shù)的銅或銅-鎳合金，在氫氣中還原金屬化的納米碳纖維，之后將其通過熱等靜壓或放電等離子體燒結(jié)制備納米碳纖維-銅復(fù)合材料坯件，最后經(jīng)過熱軋開坯，冷軋達(dá)到納米碳纖維的定向排布，最后制得納米碳纖維-銅復(fù)合材料。制備的納米碳纖維復(fù)合材料比銅密度低、熱膨脹系數(shù)可調(diào)，平行纖維方向熱導(dǎo)率高，可廣泛用于微電子封裝、激光二極管、IGBT和半導(dǎo)體、散熱片和蓋板。
【專利說明】一種納米碳纖維-銅復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子元器件復(fù)合材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種納米碳纖維-銅復(fù)合材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)電子器件的散熱采用高導(dǎo)熱金屬如銅、銀作為散熱材料，但是熱沉與電子基板連接處的熱機(jī)械疲勞導(dǎo)致電子器件壽命縮短。在低膨脹系數(shù)、高導(dǎo)熱的材料中碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料不但可以減小熱膨脹系數(shù)，降低密度，而且可以增強(qiáng)強(qiáng)度、模量、熱導(dǎo)，提高其高溫性能，與其他高導(dǎo)熱材料相比易加工。
[0003]納米碳纖維具有高的比強(qiáng)度、比模量，良好的潤滑與耐磨損特性，具有一定的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，長徑比大，比表面積大、結(jié)構(gòu)致密等優(yōu)點(diǎn)。由于納米碳纖維獨(dú)特的細(xì)長結(jié)構(gòu)，使得其熱傳導(dǎo)性在平行于軸線與垂直于軸線方向上表現(xiàn)出很大的不同，平行于軸線方向的熱傳導(dǎo)性可以與具有最高的熱傳導(dǎo)率的金剛石相媲美，而垂直于軸線方向上，熱傳導(dǎo)率非常小，但是具有軸向方向?yàn)樨?fù)值的熱膨脹系數(shù)。將碳纖維與銅復(fù)合制成的復(fù)合材料可應(yīng)用于微電子封裝、激光二極管、IGBT和半導(dǎo)體、散熱片和蓋板,與傳統(tǒng)的Cu合金相比熱導(dǎo)率相當(dāng)，但最大的優(yōu)勢是熱膨脹系數(shù)可根據(jù)纖維體分可調(diào)，且密度大大降低。
[0004]現(xiàn)有納米碳纖維的制備工藝主要是將碳纖維與銅粉通過機(jī)械混合，用粉末冶金方法制成所需的復(fù)合材料，但是銅與纖維的潤濕性不好，碳纖維與銅的界面只是通過機(jī)械互鎖連在一起，因此界面之間的結(jié)合較差。H.Weidmueller等用粉末冶金法制備納米碳纖維增強(qiáng)銅復(fù)合材料，采用直徑150nm、長度20微米的納米碳纖維和亞微米級銅粉，先利用超聲振動(dòng)儀在乳化劑的幫助下將納米碳纖維分散為穩(wěn)定的懸浮液，再加入亞微米級銅粉與微量元素，再攪拌狀態(tài)干燥，得到的混合粉在還原氣體下還原，再分別通過擠壓、熱等靜壓、熱壓做成不同樣品。以上制備工藝成率低，成本高，且碳纖維與銅之間沒有結(jié)合，沒有實(shí)現(xiàn)碳纖維的定向排布，χ-y取向的高導(dǎo)熱性不能充分發(fā)揮。
[0005]為了解決碳纖維的定取向問題，Jang等采用液體浸滲法制備出定向排列的納米碳纖維增強(qiáng)銅復(fù)合材料，將納米碳纖維裝入銅管拉成直徑為0.2mm的細(xì)絲，然后通過熱等靜壓后纖維表面的碳原子進(jìn)入銅基體，使得碳纖維與銅基體形成機(jī)械咬合。US2003/002461 IAl中也提到以上類似方法制備非連續(xù)碳纖維金屬基復(fù)合材料的工藝方法，特別指出可以在預(yù)制件的模具中疊層放置多層定向排布的碳纖維預(yù)制件，在脫脂和熔滲過程中成為一體。以上存在的問題是，即使通過壓制預(yù)制件過程中實(shí)現(xiàn)碳纖維的定向排布，纖維的取向度也較差，并且納米纖維預(yù)制件熔滲是毛細(xì)力較大，難以實(shí)現(xiàn)，且設(shè)備的要求較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種納米碳纖維-銅復(fù)合材料的制備方法。
[0007]一種納米碳纖維-銅復(fù)合材料的制備方法，在納米碳纖維表面均勻鍍覆納米碳纖維質(zhì)量50%-90%的銅或銅-鎳合金，將金屬化的納米碳纖維在氫氣氣氛下還原，然后熱壓燒結(jié)制得納米碳纖維-銅復(fù)合材料坯件，之后進(jìn)行熱軋開坯，壓下率為50-70%，然后再冷軋，壓下率為5-10%，使納米碳纖維定向排布，制得納米碳纖維-銅復(fù)合材料。
[0008]氫氣還原溫度為400°C，還原時(shí)間為1小時(shí)。
[0009]所述熱壓燒結(jié)的方法為熱等靜壓或放電等離子體(SPS)燒結(jié)。
[0010]所述熱等靜壓燒結(jié)的壓力為90-120MPa，溫度為800-1000°C，時(shí)間為20_40min。
[0011]所述放電等離子體燒結(jié)的溫度為600-800°C，燒結(jié)時(shí)間10-15min，壓力為60-80MPa0
[0012]本發(fā)明方法的有益效果為:利用本范明方法制備的納米碳纖維-銅復(fù)合材料比銅密度低、熱膨脹系數(shù)可調(diào)，平行纖維方向熱導(dǎo)率高，可廣泛用于微電子封裝、激光二極管、IGBT和半導(dǎo)體、散熱片和蓋板，此方法實(shí)現(xiàn)了納米碳纖維的定向排布，且工序簡單易行。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為納米碳纖維-銅復(fù)合材料及其制備方法流程示意圖。
[0014]圖2為納米碳纖維-銅復(fù)合材料的金相組織；
[0015]其中2-1、2-2為垂直納米碳纖維χ-y方向的的金相組織,2-3為平行納米碳纖維x-y方向的金相組織，2-4為納米碳纖維-銅復(fù)合材料的整體金相組織。
[0016]圖3為納米碳纖維-銅復(fù)合材料的金相組織全體圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]實(shí)施例1
[0018]按照圖1所示的流程，在納米碳纖維表面化學(xué)鍍銅層，銅層為納米碳纖維質(zhì)量的90%，氫氣還原溫度為400 V，還原時(shí)間為I小時(shí)，在90MPa壓力下，900 °C熱等靜壓25min，得到納米碳纖維-銅坯件，之后經(jīng)過熱軋，壓下率為70%，冷軋的壓下率為10%，得到納米碳纖維-銅復(fù)合材料，如圖2-3所示。材料的密度為8.2g/cm3，平行于纖維χ-y方向的熱導(dǎo)率為250W/mK，熱膨脹系數(shù)為8ppm/°C，垂直纖維z軸方向熱導(dǎo)率為120W/mK，熱膨脹系數(shù)為17ppm/°C ο
[0019]實(shí)施例2
[0020]按照圖1所示的流程，在納米碳纖維表面化學(xué)鍍銅層，銅層為納米碳纖維質(zhì)量的80%，氫氣還原溫度為400°C，還原時(shí)間為1小時(shí)，在95MPa壓力下，950°C熱等靜壓25min，得到納米碳纖維-銅坯件，之后經(jīng)過熱軋，壓下率為65%，冷軋壓下率為8%，得到納米碳纖維-銅復(fù)合材料，如圖2-3所示。材料的密度為7.5g/cm3，平行于纖維x-y方向的熱導(dǎo)率為280W/mK，熱膨脹系數(shù)為IOppm/°C，垂直纖維z軸方向熱導(dǎo)率為150W/mK，熱膨脹系數(shù)為16.5ppm/°C。
[0021]實(shí)施例3
[0022]按照圖1所示的流程，在納米碳纖維表面化學(xué)鍍銅-鎳層，為納米碳纖維質(zhì)量的65%，氫氣還原溫度為400°C，還原時(shí)間為1小時(shí)，在10OMPa壓力下，1000°C熱等靜壓30min，得到納米碳纖維-銅坯件，經(jīng)過熱軋壓下率控制在60%，之后冷軋，壓下率控制在5%，得到納米碳纖維-銅復(fù)合材料，如圖2-3所示。材料的密度為6.5g/cm3，平行于纖維χ-y方向的熱導(dǎo)率為300W/mK，熱膨脹系數(shù)為9ppm/°C，垂直纖維z軸方向熱導(dǎo)率為180W/mK，熱膨脹系數(shù)為 16ppm/°C。
[0023]實(shí)施例4
[0024]按照圖1所示的流程，在納米碳纖維表面化學(xué)鍍銅層，銅層為納米碳纖維質(zhì)量的50%，氫氣還原溫度為400°C，還原時(shí)間為I小時(shí)，在IlOMPa壓力下，1000°C熱等靜壓35min，得到納米碳纖維-銅坯件，經(jīng)過熱軋，壓下率控制在50%，之后冷軋，壓下率控制在5%，得到納米碳纖維-銅復(fù)合材料，如圖2-3所示。材料的密度為5.5g/cm3，平行于纖維χ-y方向的熱導(dǎo)率為400W/mK，熱膨脹系數(shù)為7ppm/°C，垂直纖維z軸方向熱導(dǎo)率為200W/mK，熱膨脹系數(shù)為 16ppm/°C。
[0025]實(shí)施例5
[0026]按照圖1所示的流程，在納米碳纖維表面化學(xué)鍍銅層，銅層為納米碳纖維質(zhì)量的50%，氫氣還原溫度為400°C，還原時(shí)間為I小時(shí)，在70MPa壓力下，700°C SPS燒結(jié)lOmin，得到納米碳纖維-銅坯件，經(jīng)過熱軋，壓下率控制在50 %，之后冷軋，壓下率控制在5%，得到納米碳纖維-銅復(fù)合材料，如圖2-3所示。材料的密度為5.6g/cm3，平行于纖維χ-y方向的熱導(dǎo)率為390W/mK，熱膨脹系數(shù)為6.9ppm/°C，垂直纖維z軸方向熱導(dǎo)率為190W/mK，熱膨脹系數(shù)為 16ppm/°C。
【權(quán)利要求】
1.一種納米碳纖維-銅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，在納米碳纖維表面均勻鍍覆納米碳纖維質(zhì)量50%-90%的銅或銅-鎳合金，將金屬化的納米碳纖維在氫氣氣氛下還原，然后熱壓燒結(jié)制得納米碳纖維-銅復(fù)合材料坯件，之后進(jìn)行熱軋開坯，壓下率為50-70%，然后再冷軋，壓下率為5-10%，使納米碳纖維定向排布，制得納米碳纖維-銅復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米碳纖維-銅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，在納米碳纖維表面鍍覆銅或銅-鎳合金的方法為電鍍或化學(xué)鍍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米碳纖維-銅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，氫氣還原溫度為400°C，還原時(shí)間為I小時(shí)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米碳纖維-銅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述熱壓燒結(jié)的方法為熱等靜壓或放電等離子體燒結(jié)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的納米碳纖維-銅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述熱等靜壓燒結(jié)的壓力為90-120MPa，溫度為800-1000°C，時(shí)間為20_40min。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的納米碳纖維-銅復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述放電等離子體燒結(jié)的溫度為600-800°C， 燒結(jié)時(shí)間10-15min，壓力為60-80 MPa。
【文檔編號】C22C101/10GK103882349SQ201210563340
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月21日
【發(fā)明者】張習(xí)敏, 郭宏, 尹法章, 范葉明, 韓媛媛, 徐駿 申請人:北京有色金屬研究總院