一種泡沫石墨烯骨架增強(qiáng)銅基復(fù)合材料及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開(kāi)了一種泡沫石墨烯骨架增強(qiáng)銅基復(fù)合材料及制備方法，屬于復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯(Graphene)是從石墨材料中剝離出來(lái)、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈.蓋姆和康斯坦丁.諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨烯，證實(shí)它可以單獨(dú)存在，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯既是最薄的材料，也是最強(qiáng)韌的材料，斷裂強(qiáng)度比最好的鋼材還要高200倍。同時(shí)它又有很好的彈性，拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、強(qiáng)度最高的材料，如果用一塊面積I平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足I毫克便可以承受一只一千克的貓。作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”，科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”。
[0003]2014年05月08日，中航工業(yè)航材院的一組年輕科研人員在國(guó)際石墨烯研究領(lǐng)域首倉(cāng)IJ“烯合金”材料，這一具有里程碑意義的重大自主創(chuàng)新，不但發(fā)明了一類具有優(yōu)異性能的新型高端合金材料，也使我國(guó)成為石墨烯這一材料科學(xué)前沿基礎(chǔ)和應(yīng)用研究的領(lǐng)跑者。烯合金的研制成功，宣告一代新型具有特殊優(yōu)異性能的系列材料橫空出世，填補(bǔ)了世界材料科學(xué)領(lǐng)域的空白，進(jìn)而將這門學(xué)科推向全新的領(lǐng)域。
[0004]石墨稀是目前熱導(dǎo)率(最高可達(dá)5300W/mK)最高的人造材料，而且熱膨脹系數(shù)和密度極低，將石墨烯作為增強(qiáng)相與高導(dǎo)熱金屬?gòu)?fù)合，在保證擁有理想熱膨脹系數(shù)和低密度的同時(shí)，可獲得更為優(yōu)異的導(dǎo)熱性能。由于Cu具有比Al更高的熱導(dǎo)率和導(dǎo)電率，同時(shí)熱膨脹系數(shù)比Al低，將Cu作為基體金屬來(lái)制備石墨烯粉增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，可實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料熱物理性能的進(jìn)一步提升。同時(shí)，Cu的熔點(diǎn)高，也使Cu/金剛石復(fù)合材料具有更廣的使用范圍。因此，將石墨烯與銅復(fù)合使其兼具高熱導(dǎo)、高導(dǎo)電、低熱膨脹和耐高溫等優(yōu)異的綜合性能，現(xiàn)已成為新一代電子封裝材料的研究熱點(diǎn)。
[0005]然而，就傳統(tǒng)的石墨烯粉增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料而言，此種復(fù)合結(jié)構(gòu)中的石墨烯粉末(熱導(dǎo)率5300W/mK)猶如一座座由金屬鋁(熱導(dǎo)率237W/mK)連接的導(dǎo)熱孤島，既增加了兩相界面數(shù)量，又難產(chǎn)生協(xié)同作用，使石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)熱性能難以充分發(fā)揮。本發(fā)明的創(chuàng)新思路是在復(fù)合材料中構(gòu)建連續(xù)的石墨烯網(wǎng)絡(luò)骨架，變高導(dǎo)熱孤島為高導(dǎo)熱通道。然而，對(duì)于傳統(tǒng)的顆粒增強(qiáng)型復(fù)合材料，網(wǎng)絡(luò)互穿結(jié)構(gòu)的制備難度很大。
[0006]中國(guó)發(fā)明專利CN105112754A提出了一種三維網(wǎng)絡(luò)金剛石骨架增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料及制備方法，其中金屬三維網(wǎng)絡(luò)骨架襯底采用機(jī)械加工方法制備或采用金屬線編織而成。然而，傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法屬于多維加工，加工工序多，成本較高。此外，機(jī)械加工受制于傳統(tǒng)機(jī)械加工手段和設(shè)備的束縛，對(duì)三維多孔骨架內(nèi)部孔徑、聯(lián)通性的精細(xì)控制難度較大。采用金屬線編織的方法，存在三維孔隙間含有縫隙，且工藝流程復(fù)雜等問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足而提供一種泡沫石墨烯骨架增強(qiáng)銅基復(fù)合材料及制備方法，本發(fā)明通過(guò)化學(xué)氣相沉積技術(shù)復(fù)制泡沫金屬的結(jié)構(gòu)，使高導(dǎo)熱材料以無(wú)縫連接的方式構(gòu)成一個(gè)全連通的整體，與鋁基形成網(wǎng)絡(luò)互穿結(jié)構(gòu)，使復(fù)合材料具有優(yōu)異的連續(xù)導(dǎo)熱能力、電荷傳導(dǎo)能力和極低的密度。
[0008]本發(fā)明泡沫石墨烯骨架增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，所述復(fù)合材料包括增強(qiáng)體、基體材料，所述增強(qiáng)體包括泡沫骨架襯底、石墨烯強(qiáng)化層，所述泡沫骨架襯底表面設(shè)有石墨烯強(qiáng)化層；所述泡沫骨架襯底選自泡沫金屬骨架、泡沫陶瓷骨架、泡沫碳骨架中的至少一種，所述基體材料選自銅及其合金。
[0009]本發(fā)明泡沫石墨烯骨架增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，所述泡沫金屬骨架選自泡沫鎳、泡沫銅、泡沫鈦、泡沫鈷、泡沫鎢、泡沫鉬、泡沫鉻、泡沫鐵鎳、泡沫鋁中的一種;所述泡沫陶瓷骨架選自泡沫Al 203、泡沫ZrO2、泡沫Si C、泡沫Si3N4、泡沫BN、泡沫B4C、泡沫A1N、泡沫WC、泡沫Cr7C3中的一種。
[0010]本發(fā)明泡沫石墨烯骨架增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，所述泡沫骨架襯底中，泡沫孔徑為
0.0l-lOmm，開(kāi)孔率40-99.9%，泡沫孔洞均勻分布或隨機(jī)分布;泡沫骨架為平面結(jié)構(gòu)或三維立體結(jié)構(gòu)。
[0011]本發(fā)明泡沫石墨烯骨架增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，所述石墨烯強(qiáng)化層選自石墨烯膜、石墨烯墻、石墨烯包覆金剛石、碳納米管包覆石墨烯中的一種。
[0012]本發(fā)明泡沫石墨烯骨架增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，石墨烯強(qiáng)化層中，石墨烯包覆金剛石是指在金剛石表面原位生長(zhǎng)石墨烯，且石墨烯垂直于金剛石表面形成石墨烯墻；
[0013]碳納米管包覆石墨烯是指在石墨烯表面催化生長(zhǎng)碳納米管，且碳納米管垂直于石墨稀表面形成碳納米管林。
[0014]本發(fā)明泡沫石墨烯骨架增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，基體材料中還添加有強(qiáng)化顆粒，強(qiáng)化顆粒選自高導(dǎo)熱顆粒、超硬耐磨顆粒、導(dǎo)電顆粒中的至少一種;所述高導(dǎo)熱顆粒選自金剛石粉、石墨烯、碳納米管、石墨烯包覆金剛石微球、碳納米管包覆金剛石微球、碳納米管包覆石墨烯中的至少一種;超硬耐磨顆粒選自金剛石粉、SiC、TiC、TiN、AlN、Si3N4、Al203、BN、WC、MoC、Cr7C3中的至少一種;導(dǎo)電顆粒選自石墨、碳納米管、石墨稀中的至少一種。
[0015]本發(fā)明泡沫石墨烯骨架增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，復(fù)合材料中，各組分的體積百分含量為:基體材料40-99.9%,增強(qiáng)體0.01-60%,強(qiáng)化顆粒體積分?jǐn)?shù)為0_30%。
[0016]本發(fā)明泡沫石墨烯骨架增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，強(qiáng)化相中，石墨烯強(qiáng)化層體積分?jǐn)?shù)為
0.01-80%,泡沫骨架體積分?jǐn)?shù)為0.1-20%。
[0017]本發(fā)明泡沫石墨烯骨架增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，在基體中，增強(qiáng)體以單體增強(qiáng)或多體陣列增強(qiáng)，所述多體陣列增強(qiáng)是指增強(qiáng)體以層片狀平行分布或以柱狀平行分布于基體中。
[0018]—種泡沫石墨烯骨架增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備方法，包括下述步驟:
[0019]第一步:增強(qiáng)體的制備
[0020]將泡沫骨架襯底清洗、烘干后，采用化學(xué)氣相沉積在泡沫骨架表面原位生長(zhǎng)石墨烯膜，得到增強(qiáng)體;沉積參數(shù)為:
[0021 ]沉積石墨烯膜:含碳?xì)怏w占爐內(nèi)全部氣體質(zhì)量流量百分比為0.5-80.0%；生長(zhǎng)溫度為400-1200°C，生長(zhǎng)氣壓為5-105Pa;
[0022]或
[0023]將泡沫骨架襯底清洗、烘干后，采用化學(xué)氣相沉積在泡沫骨架表面原位生長(zhǎng)石墨烯墻、石墨烯包覆金剛石、碳納米管包覆石墨烯，沉積過(guò)程中在泡沫骨架襯底上施加等離子輔助生長(zhǎng)，并通過(guò)在襯底底部添加磁場(chǎng)把等離子體約束在泡沫骨架近表面，強(qiáng)化等離子對(duì)泡沫骨架表面的轟擊，使石墨烯垂直于泡沫骨架表面生長(zhǎng)，形成石墨烯墻，得到增強(qiáng)體;沉積工藝為:
[0024]沉積石墨烯墻:含碳?xì)怏w占爐內(nèi)全部氣體質(zhì)量流量百分比為0.5-80 % ;生長(zhǎng)溫度為400-1200°C，生長(zhǎng)氣壓為5-105Pa;等離子電流密度為0-50mA/cm2;沉積區(qū)域中磁場(chǎng)強(qiáng)度為100高斯至30特斯拉；
[0025]沉積石墨烯包覆金剛石:首先，采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)在襯底表面沉積金剛石，沉積參數(shù)為:含碳?xì)怏w質(zhì)量流量百分比為0.5-10% ;生長(zhǎng)溫度為600-1000°C，生長(zhǎng)氣壓為13-1O4Pa;然后，再在金剛石表面沉積石墨烯墻，石墨烯垂直于金剛石表面生長(zhǎng)，形成石墨烯墻，沉積參數(shù)為:含碳?xì)怏w占爐內(nèi)全部氣體質(zhì)量流量百分比為0.5-80% ;生長(zhǎng)溫度為400-1200°C，生長(zhǎng)氣壓為5-105Pa;等離子電流密度為0-50mA/cm