專利名稱：一種輕質(zhì)高導熱復合材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及導熱復合材料及其制備方法。
背景技術：
隨著微電子系統(tǒng)的功率在持續(xù)地增加，體積不斷減小。處在整個設備溫度 最高點的電子元件本身也是熱源，過高的溫升往往是導致電子系統(tǒng)故障和失效 的致命因素。為使電子系統(tǒng)(特別是敏感電路和元器件)能持續(xù)穩(wěn)定地工作， 對其進行有效可靠的散熱顯然十分重要因此，研究和開發(fā)高效率的電子散熱材 料和相關技術已刻不容緩。
金屬是首選的導熱材料。熱傳導系數(shù)很高的金、銀，由于質(zhì)地軟、密度大、
價格高而無法廣泛采用；鐵則由于熱傳導率低、密度大，無法滿足高熱密度場 合需要，不適合用于制作計算機空冷散熱片等。銅的熱傳導系數(shù)雖然很高，可 礙于密度大、成本較高、加工難度大等不利因素，在計算機相關散熱片中使用 較少。鋁作為地殼中含量最高的金屬，因熱傳導系數(shù)較高、密度小、價格低而 受到青睞；但由于純鋁硬度較小，在各種應用領域中通常會摻加各種配方材料 制成鋁合金，寄此獲得許多純鋁所不具備的特性，而成為了散熱片加工材料的 理想選擇。但是金屬材料密度高、成本大、易腐蝕、在冶煉和加工過程中能耗 和環(huán)境污染大，因此尋求一種性能較金屬優(yōu)越的輕質(zhì)復合材料，若其加工過程 能耗低，對環(huán)境影響小，必將成為新一代的散熱材料，以部分或全部取代金屬， 其市場前景十分可觀，除電子器件散熱外，還可用于LED、大功率電器散熱等 領域。
石墨是碳元素的結晶體，具有比銅和銀更大的熱導率。沿石墨片層方向上 的高導熱[理論值為數(shù)kW/(mK)]特性和垂直于石墨片層方向的低導熱[理論 值為(6W/(mK))]特性與其特殊的層狀結構有關。相比于上述金屬基導熱材料，
碳材料的導熱系數(shù)明顯高，而且自身質(zhì)輕、耐腐蝕、原料價廉，在散熱材料開 發(fā)方面具有更加優(yōu)越的前途和市場。

發(fā)明內(nèi)容
針對金屬材料在散熱領域中存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種輕質(zhì)高 導熱復合材料及其制備方法。
本發(fā)明的輕質(zhì)高導熱復合材料，其特征在于它含有重量百分比含量為 50%~95%的石墨粉，1~45%的導熱納米材料，高分子粘結劑4~5%，上述組分之
3和為100%，所說的導熱納米材料是碳納米管、納米碳纖維、SiC、 AlN和Si中 的一種或幾種混合。
上述的石墨粉的粒徑為0.1 100微米。所說的SiC、 AlN和Si是粒徑分別 在10-500納米的粉末。
本發(fā)明中，所說的石墨粉可以是天然鱗片石墨或人造石墨，其中，人造石 墨為石墨纖維、熱解石墨、酸化石墨、膨脹石墨、柔性石墨和多孔石墨中的一 種或幾種。
本發(fā)明中，所說的碳納米管是單壁碳納米管和多壁碳納米管中的一種或混 合物。
輕質(zhì)高導熱復合材料的制備方法，其特征是步驟如下
按權利要求1所說的重量百分比含量稱取石墨粉和導熱納米材料置于密閉 容器中混合，混合的同時加入高分子粘結劑，混合0.5 24小時后，烘干，制成 坯體，然后在真空或者在氬氣、氫氣或氮氣保護氣氛下，于200°C以上，大于 8MPa壓力下熱固成型。
本發(fā)明中，作為導熱納米材料的碳納米管為經(jīng)過純化的碳納米管，納米碳 纖維為經(jīng)過純化的納米碳纖維；純化方法如下將碳納米管或納米碳纖維加入 到硝酸、硫酸、鹽酸溶液或它們的混合溶液中，超聲波振蕩處理0.2-24小時， 過濾、用水反復沖洗至中性，烘干。
上述的高分子粘結劑可以是甲基纖維素、羥已基纖維素、羧甲基纖維素、 聚丙烯酰胺、聚乙烯醇和聚乙烯亞胺中的一種或混合物。
本發(fā)明制備工藝簡單，生產(chǎn)周期短。原料來源廣，價格便宜。制得的復合
材料成品密度小、材料內(nèi)部無微裂紋，機械強度好，熱導率高。
具體實施方式
實施例1
將平均粒徑為50微米天然鱗片石墨粉末、經(jīng)硝酸純化的多壁碳納米管和納 米碳纖維、平均粒徑為100納米SiC、平均粒徑為80納米A1N和平均粒徑為50 納米Si粉末按照重量百分比70 : 8 : 8 : 2 : 4 : 3混合，其余5%為甲基纖維素?；?合是在轉速10000轉/分鐘的攪拌器中進行，混合的同時加入質(zhì)量濃度為10%甲 基纖維素水溶液，混合攪拌l小時；120。C烘干，壓制成形，在真空中300'C、 30MPa壓力下熱壓成型，得到輕質(zhì)高導熱復合材料。室溫下測量其沿熱壓方向 導熱率為7.1W/m.K，垂直熱壓方向?qū)崧蕿?90W/m-K。 實施例2熱解石墨粉末、硝酸純化后單壁碳納米管和納米碳纖維，SiC、 A1N、 Si粉 末按照重量百分比70 : 10 : 10 : 2 : 3 : 1混合，其余4%為甲基纖維素?；旌鲜窃?轉速11000轉/分鐘的攪拌器中進行，混合的同時加入質(zhì)量濃度為5%甲基纖維素 水溶液，，混合攪拌l小時；100。C烘干，分散，將粉末鋼模壓制成形，在氬氣 氛中300度30MPa壓力下熱等靜壓成型，得到輕質(zhì)高導熱復合材料。室溫下測 量其沿熱壓方向?qū)崧蕿?.5W/m《，垂直熱壓方向?qū)崧蕿?11 W/m-K。 實施例3
膨脹石墨粉末、硝酸純化后多壁碳納米管和納米碳纖維，SiC、 A1N、 Si粉 末按照重量百分比75 : 2 : 2 : 3 : 10 : 3的重量比混合，其余5%為聚丙烯酰胺。 混合是在轉速10000轉/分鐘的攪拌器中進行，混合的同時加入質(zhì)量濃度為8% 的聚丙烯酰胺水溶液，混合攪拌2小時；130。C烘干，分散，將粉末鋼模壓制成 形，在真空600度50MPa壓力下超高壓燒結成型，得到輕質(zhì)高導熱復合材料。 室溫下測量其沿熱壓方向?qū)崧蕿?.0W/m.K，垂直熱壓方向?qū)崧蕿?68 W/m.K。
權利要求
1.一種輕質(zhì)高導熱復合材料，其特征在于它含有重量百分比含量為50％～95％的石墨粉，1～45％的導熱納米材料，高分子粘結劑4～5％，上述組分之和為100％，所說的導熱納米材料是碳納米管、納米碳纖維、SiC、AlN和Si中的一種或幾種混合。
2. 按權利要求1所述的輕質(zhì)高導熱復合材料，其特征是石墨粉的粒徑為0.1 100微米。
3. 按權利要求1所述的輕質(zhì)高導熱復合材料，其特征是所說的SiC、 A1N和 Si是粒徑分別在10~500納米的粉末。
4. 按權利要求1所述的輕質(zhì)高導熱復合材料，其特征在于所說的石墨粉是天 然鱗片石墨粉或人造石墨粉，其中，人造石墨為石墨纖維、熱解石墨、酸化石 墨、膨脹石墨、柔性石墨和多孔石墨中的一種或幾種。
5. 按權利要求1所述的輕質(zhì)高導熱復合材料，其特征在于所說的碳納米管是 單壁碳納米管和多壁碳納米管中的一種或混合物。
6. 按權利要求1所述的輕質(zhì)高導熱復合材料的制備方法，其特征是步驟如下按權利要求1所說的重量百分比含量稱取石墨粉和導熱納米材料置于密閉 容器中混合，混合的同時加入高分子粘結劑，混合0.5 24小時后，烘干，制成 坯體，然后在真空或者在氬氣、氫氣或氮氣保護氣氛下，于200°C以上，大于 8MPa壓力下熱固成型。
7. 按權利要求6所述的輕質(zhì)高導熱復合材料的制備方法，其特征是導熱納米 材料的碳納米管為經(jīng)過純化的碳納米管，納米碳纖維為經(jīng)過純化的納米碳纖維； 純化方法如下將碳納米管或納米碳纖維加入到硝酸、硫酸、鹽酸溶液或它們 的混合溶液中，超聲波振蕩處理0.2-24小時，過濾、用水反復沖洗至中性，烘 干。
8. 按權利要求6所述的輕質(zhì)高導熱復合材料的制備方法，其特征是所說的高 分子粘結劑是甲基纖維素、羥已基纖維素、羧甲基纖維素、聚丙烯酰胺、聚乙 烯醇和聚乙烯亞胺中的一種或混合物。
全文摘要
本發(fā)明公開的輕質(zhì)高導熱復合材料，其特征在于它含有重量百分比含量為50％～95％的石墨粉，1～45％的導熱納米材料，高分子粘結劑4～5％，上述組分之和為100％。制備步驟如下按重量百分比含量稱取石墨粉和導熱納米材料置于密閉容器中混合，混合的同時加入高分子粘結劑，混合0.5～24小時后，烘干，制成坯體，然后在真空或者在氬氣、氫氣或氮氣保護氣氛下，于200℃以上，大于8MPa壓力下熱固成型。本發(fā)明制備工藝簡單，生產(chǎn)周期短。原料來源廣，價格便宜。制得的復合材料成品密度小、材料內(nèi)部無微裂紋，機械強度好，熱導率高。
文檔編號C09K5/00GK101550330SQ200910098619
公開日2009年10月7日 申請日期2009年5月18日 優(yōu)先權日2009年5月18日
發(fā)明者丹 史, 安全福, 張孝彬, 程繼鵬 申請人:浙江大學