[发明专利]一种石墨晶须增强铝基复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明是一种高导热石墨晶须增强铝基复合材料及其制备方法，属于金属基复合材料技术领域。

背景技术

随着电子技术的迅速发展，现代电子电路设计中对电子封装材料的性能要求日益增长，这就要求电子封装材料具有高热导率（TC）、低膨胀系数（CTE）、轻质、加工性能良好以及较低的价格。传统的金属电子封装材料中W-Cu和Mo-Cu合金热导率较低、SiC-Al热导率可以达到200 W/(m·K)，但是后续的加工性能不佳，限制了它的广泛应用。

高导热石墨晶须是一种新型的高性能导热材料，其轴向热导率高达1000 W/(m·K)，CTE为-1.45ppm/K，同时具有密度低2.3g/cm³，其良好的物理性能，已成为最理想的电子封装材料之一，在航空航天、国防领域应用前景巨大。目前，制备铝基复合材料的工艺方法很多，其中，熔渗法制备复合材料由于可以制成所需形状，尺寸可以精确控制，制备工艺过程相对简单，成本较低而被认为是一种极具潜力的金属基复合材料制备方法。用熔渗法制备石墨晶须/铝复合材料的过程中，由于在低温下石墨与铝之间不润湿，即使加压也难以克服界面间的毛细阻力，使浸渗不能完全，留下一定的孔隙，这对高导热电子封装材料是致命的弱点。而采取镀覆金属镀层的方法，能有效改善界面结合，促进浸渗过程，解决了复合材料其界面结合问题。同时避免了石墨纤维在高温熔渗过程中的反应生成不良产物Al₄C₃，这种脆性相会使和材料在潮湿的环境下吸湿而粉化失效。

发明内容

       本发明目的是解决石墨晶须/铝复合材料其界面结合问题。同时避免了石墨纤维在高温熔渗过程中的反应生成不良产物Al₄C₃，这种脆性相会使和材料在潮湿的环境下吸湿而粉化失效。

针对现代金属基电子封装材料的高导热、低膨胀、轻质的要求，本发明提供了一种石墨晶须/铝电子封装复合材料的制备方法，，其过程主要包括两方面：预制坯体的制备和真空压力熔渗。先将表面镀覆钛或铜的石墨晶须增强体与粘结剂混合，模压成形，脱脂烧结形成有多孔预制坯体；再将预制坯体与铝或铝合金置于石墨模具内，一并放入压力真空熔渗炉中进行压力熔渗。具体工艺为：

采用化学镀或盐浴镀的方法在石墨晶须表面镀覆铜或钛的金属镀层，化学镀铜的主要工艺路线主要为：除油─粗化─敏化─活化─化学镀，镀液的组成：五水硫酸铜15g/L、质量分数为36%的甲醛溶液10ml/L、酒石酸钾钠14g/L、EDTA 19.5g/L 、氢氧化钠14.5g/L 、二联吡啶0.02g/L 、亚铁氰化钾0.01g/L。镀铜工艺条件：镀液pH为 12.0-12.5、 镀覆温度42-44℃、施镀时间2-15min。

镀钛的主要工艺路线为：除油─混粉─真空微蒸发镀。具体工艺为：将除油后的石墨晶须与三氯化钛、氰化钛粉末混合，置于镀覆容器中，并一同装入真空室中，石墨晶须：三氯化钛：氰化钛的比例为：100:1:8；真空室抽至真空度10^-3Pa，开始加热，至650-850℃，此时真空室压力升至（1-10Pa），镀覆0.5-5小时，在石墨晶须表面形成钛层。再抽至高真空(10^-3Pa)，排除残余的反应气相，冷却取出后过筛，获得镀层均匀的石墨晶须。

预制坯体的制备：将已镀覆的石墨晶须、粘结剂石蜡和有机溶剂正庚烷按一定比例混合，搅拌均匀，放入烘箱80℃的烘箱中蒸干后研磨均匀。粘结剂石蜡的体积约为石墨晶须体积的40-65%，粘结剂石蜡和有机溶剂正庚烷的比例为40-50g/L。混后的晶须和粘结剂采取模压的方式在模具中压制成形，在放入脱脂炉进行脱脂。脱脂具体工艺过程为：以5-10℃/min的速度从室温升至350-450℃，保温30-60min，再以10℃/min的速度升至550-650℃，保温30-60min后随炉冷却，制成多孔预制坯体。

熔渗工艺：采用真空压力熔渗的方法，制备铝基复合材料。将所制得的多孔预制坯体放入模具中，上面叠放一定比例的纯铝块或铝基合金，铝基合金成分包括Al-Si-X系合金（X=Ti，Cu，Mg），铝合金成分重量百分比为Si:X=8-12:0.5-4，其余部分用铝填充。纯铝块或铝基合金与预制坯体的体积比为：40-65:60-35。将模具置于真空压力炉内，抽真空至0.6-1Pa。加热至600-800℃，保温20-60min进行熔渗过程，压力大小为0.5-3MPa。熔渗完成后，用压头保压后随炉冷却。压力大小为20-50MPa，保压时间为10-40min。