石墨-金屬導(dǎo)熱復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于導(dǎo)熱復(fù)合材料領(lǐng)域。具體地，本發(fā)明涉及石墨-金屬導(dǎo)熱復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著在電子技術(shù)行業(yè)的快速發(fā)展，器件單位面積散發(fā)的熱量越來越多，對(duì)熱管理材料的性能提出了更為嚴(yán)格的要求。電子封裝材料的開發(fā)作為重要一環(huán)，要求材料具有高熱導(dǎo)率，低膨脹系數(shù)、輕質(zhì)、成本低的特點(diǎn)。然而傳統(tǒng)的Al/SiC復(fù)合材料、Cu/W復(fù)合材料以及Cu/Mo復(fù)合材料等特殊合金材料雖然熱膨脹系數(shù)較低，但都經(jīng)過特殊加工，犧牲了材料在熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)方面的性能；金剛石以及金剛石復(fù)合材料雖然熱導(dǎo)率高，但由于金剛石的超高硬度，難以加工。
[0003]石墨-金屬?gòu)?fù)合材料由于具有熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)小、熱擴(kuò)散系數(shù)高等特性，在熱管理材料應(yīng)用中受到越來越多的關(guān)注。然而石墨-金屬?gòu)?fù)合材料的制備難點(diǎn)在于:石墨與金屬之間潤(rùn)濕性差，結(jié)合性差，且常用的石墨-金屬?gòu)?fù)合材料制備過程中，如石墨-鋁反應(yīng)會(huì)廣生易水解相Al4C3,石墨-銅—者之間結(jié)合能力低。為提聞石墨顆粒與金屬之間的結(jié)合強(qiáng)度，現(xiàn)有大部分工藝采用電鍍和化學(xué)鍍法，這些方法對(duì)設(shè)備要求很高，且工藝復(fù)雜，粉體表面均勻鍍覆效果不好，不能解決上述問題。
[0004]因此，本領(lǐng)域迫切需要一種二者結(jié)合強(qiáng)度高，復(fù)合材料性能穩(wěn)定以及熱導(dǎo)率高的石墨-金屬?gòu)?fù)合材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種結(jié)合強(qiáng)度高、導(dǎo)熱效果好的石墨-金屬?gòu)?fù)合材料。
[0006]在本發(fā)明的第一方面提供了一種石墨-金屬?gòu)?fù)合材料，所述石墨-金屬?gòu)?fù)合材料包括金屬基體和分布于所述金屬基體內(nèi)部和/或表面的石墨復(fù)合體；
[0007]所述石墨復(fù)合體包括石墨顆粒、碳化物層和碳化物形成元素層，其中，所述碳化物層結(jié)合于所述石墨顆粒表面，所述碳化物形成元素層結(jié)合于碳化物層表面；所述碳化物形成元素選自下組:B、S1、Cr、W、Mo ;所述碳化物選自下組:碳化硼、碳化硅、碳化鎢、碳化鉻、碳化鑰。
[0008]在另一優(yōu)選例中，所述石墨復(fù)合體通過碳化物形成層跟所述金屬基體結(jié)合。
[0009]在另一優(yōu)選例中，所述石墨顆粒為石墨粉。
[0010]在另一優(yōu)選例中，所述石墨包括天然石墨、人造石墨以及多層石墨烯。
[0011]在另一優(yōu)選例中，所述石墨顆粒的粒徑為0.Ιμ???1000 μ m。
[0012]在另一優(yōu)選例中，所述石墨復(fù)合體具有以下特征:
[0013]形成的碳化物層有碳化硼、碳化硅、碳化鎢、碳化鉻、碳化鑰等；
[0014]所述碳化物層的厚度為I?100nm ;和/或
[0015]所述碳化物形成元素層的厚度為0.001?10 μ m。
[0016]在另一優(yōu)選例中，所述金屬基體和石墨復(fù)合體的質(zhì)量比為10%?90%。
[0017]在另一優(yōu)選例中，所述復(fù)合材料具有如下的一種或多種特征:
[0018]所述復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為200?650W/m.K ；
[0019]所述復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)為I?10PPM/K。
[0020]在另一優(yōu)選例中，所述金屬基體包括:銅基體、鋁基體、銀基體、鎂基體、鈦基體、鎳基體，或其組合等。
[0021]本發(fā)明第二方面提供了一種本發(fā)明第一方面提供的所述石墨-金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括步驟:
[0022](a)提供石墨復(fù)合體和金屬基體的混合物；
[0023](b)將所述石墨復(fù)合體和金屬基體的混合物進(jìn)行壓力熔滲反應(yīng)，得到所述石墨-金屬?gòu)?fù)合材料。
[0024]在另一優(yōu)選例中，所述石墨復(fù)合體包括石墨顆粒、碳化物層和碳化物形成元素層，其中，所述碳化物層結(jié)合于所述石墨顆粒表面，所述碳化物形成元素層結(jié)合于所述碳化物層表面；所述碳化物形成元素選自下組:B、S1、Cr、W、Mo ;所述碳化物選自下組:碳化硼、碳化硅、碳化鎢、碳化鉻、碳化鑰。
[0025]在另一優(yōu)選例中，在所述步驟(b)中，所述壓力熔滲反應(yīng)是指進(jìn)行熱壓燒結(jié)處理。
[0026]在另一優(yōu)選例中，所述熱壓燒結(jié)處理是把壓鑄模具放在熱壓爐中進(jìn)行的。
[0027]在另一優(yōu)選例中，所述壓力熔滲反應(yīng)包括如下的一種或多種特征:
[0028]所述壓力熔滲反應(yīng)的溫度為400?1500°C ；
[0029]所述壓力熔滲反應(yīng)的保壓時(shí)間為I?200min ；
[0030]所述壓力熔滲反應(yīng)的壓力為I?150MPa。
[0031]在另一優(yōu)選例中，所述壓力熔滲反應(yīng)的溫度為500?1500°C。
[0032]在另一優(yōu)選例中，所述壓力熔滲反應(yīng)的時(shí)間為10?50min。
[0033]在另一優(yōu)選例中，所述壓力熔滲反應(yīng)的壓力為10?lOOMPa。
[0034]在另一優(yōu)選例中，在所述步驟(a)中，以所述混合物的總重量計(jì)，所述金屬基體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10?90%。
[0035]在另一優(yōu)選例中，在所述步驟(a)之前，還包括石墨復(fù)合體的制備方法，包括步驟:
[0036](al)提供一包含石墨顆粒、碳化物形成元素與鹽的混合物；其中，所述的鹽選自下組:NaCl、KCl、NaF, KF、BaCl2, CaCl2 或其復(fù)合鹽；
[0037](a2)在真空或惰性氣氛中，將步驟(al)的混合物進(jìn)行加熱反應(yīng)，從而得到石墨復(fù)合體。
[0038]在另一優(yōu)選例中，所述步驟(a2)中，所述加熱反應(yīng)在400?1500°C下進(jìn)行；和/或所述加熱反應(yīng)進(jìn)行10?600min。
[0039]在另一優(yōu)選例中，所述步驟(a2 )中，所述惰性氣體包括氬氣、氦氣或其組合等。
[0040]在另一優(yōu)選例中，按步驟(al)的混合物總重量計(jì)算，鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 -80wt % ο
[0041]在另一優(yōu)選例中，按步驟(al)的混合物總重量計(jì)算，碳化物形成元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.1 ?10wt%o
[0042]本發(fā)明第三方面公開一種散熱部件或制品，該散熱部件或制品包括本發(fā)明第一方面所述的石墨-金屬?gòu)?fù)合材料。
[0043]應(yīng)理解，在本發(fā)明范圍內(nèi)中，本發(fā)明的上述各技術(shù)特征和在下文(如實(shí)施例)中具體描述的各技術(shù)特征之間都可以互相組合，從而構(gòu)成新的或優(yōu)選的技術(shù)方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
【附圖說明】
[0044]圖1為本發(fā)明本實(shí)施例1中石墨-碳化鉻-鉻復(fù)合體的掃描電子顯微圖(a_b)和EDS能譜圖(C)；
[0045]圖2為本發(fā)明本實(shí)施例2中石墨-碳化硼-硼復(fù)合體的掃描電子顯微圖(a-b)和EDS能譜圖(c)；
[0046]圖3為本發(fā)明本實(shí)施例3中石墨-鋁復(fù)合材料橫截面的掃描電子顯微圖(a-b)和EDS能譜圖(C)；
[0047]圖4為本發(fā)明本實(shí)施例3中石墨-鋁復(fù)合材料表面的掃描電子顯微圖(a-b^PEDS能譜圖(C)。
[0048]圖5為本發(fā)明中鍍B石墨-鋁復(fù)合材料的XRD圖，圖中顯示復(fù)合材料中無(wú)Al4C3水解相生成。
[0049]圖6為本發(fā)明對(duì)比例中有純石墨-鋁復(fù)合材料的XRD圖，圖中顯示復(fù)合材料中有Al4C3水解相生成。
【具體實(shí)施方式】
[0050]本發(fā)明人經(jīng)過廣泛而深入的研究，通過大量試驗(yàn)，首次發(fā)現(xiàn)，顆粒表面具有碳化物層和碳化物形成層的石墨復(fù)合體可與金屬基體在外界壓力作用下，形成導(dǎo)熱率高、熱膨脹系數(shù)小、熱擴(kuò)散系數(shù)高的優(yōu)質(zhì)的導(dǎo)熱復(fù)合材料，同時(shí)，該石墨-金屬?gòu)?fù)合材料中石墨與金屬的界面結(jié)合強(qiáng)度高，性能穩(wěn)定，具有高強(qiáng)度和耐磨性，在機(jī)械、電子等對(duì)散熱要求高的領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。在此基礎(chǔ)上，發(fā)明人完成了本發(fā)明。
[0051]石墨顆粒
[0052]如本文所用，本發(fā)明的石墨顆粒可以是任意尺寸的粉體，優(yōu)選粒徑為0.1?1000 μ m ;較佳地為10?1000 μ m ;更佳地為300?1000 μ m。其中鱗片石墨:晶體呈鱗片狀:這是在高強(qiáng)度的壓力下變質(zhì)而成的，有大鱗片和細(xì)鱗片之分。
[0053]碳化物形成元素
[0054]本發(fā)明所用的碳化物形成元素包括B、S1、Cr、W、Mo。所述碳化物形成元素層的厚度為 0.001 ?10 μ m。
[0055]石墨復(fù)合體
[0056]本發(fā)明的石墨復(fù)合體，包括石墨顆粒、碳化物層和碳化物形成元素層；其中，所述碳化物層結(jié)合于所述石墨粉顆粒表面，所述碳化