[发明专利]一种定向高导热低膨胀石墨铝复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属基石墨复合材料及其制备方法。

背景技术

随着电子设备向高性能、小型化发展，导致功率密度增加、热流密度增大，功率器件的热管理显得愈加重要，设计领域的技术瓶颈对新型高性能热管理材料产生迫切需求。作为一个理想的热管理材料，鳞片石墨铝新型复合材料具有质量轻、较低的和可剪裁的热膨胀系数、高导热性能、低制造成本和适宜的机械加工性能，在热管理领域呈现出巨大的技术优势。

从2001年到2010年，金属基复合材料在热管理领域需求量从886吨上升到1562吨，依然无法满足需求。如今，在电子封装热管理领域应用的金属基复合材料主要为SiC/Al、Diamond/Cu、C_f/Al等。SiC/Al复合材料在商业应用领域取得了巨大的进展，是目前电子封装领域商业化最成熟、最广泛的金属基复合材料。美国CPS Technologies公司设计开发了新型净近成型工艺，以适合批量生产，其产品在SiC/Al复合材料领域市场占有量在一半以上。但随着高功率密度的电子和微电子器件的发展，相对低的热导率使SiC/Al复合材料（SiC/Al热导率最高报导为250W/mK）在热管理领域的应用受到限制。为了进一步提高金属基复合材料的导热性能，碳作为极具吸引力的增强体被世界各国科学家争相研究，如石墨（石墨颗粒、石墨泡沫、热解石墨和晶质鳞片石墨等），纳米碳管、碳纤维和金刚石等。Diamond/C具有高导热率（最高可达600W/mK以上）和低热膨胀系数的特点，满足高功率密度电子封装热管理的要求，但可加工性差，生产成本过于昂贵。纳米碳管具有非常高的导热率，最高可达3000W/mK，但纳米碳管在金属基体中的分散和定向排列一直是技术上的难点，使其一直停留在实验室阶段，无法走向大规模应用。C_f/Al具有较高的热导率，特别是短纤维C_f/Al呈现出巨大的应用潜力，已成功应用于国外军用飞机，但是制备工艺困难以及高昂的价格，使其无法普及。电子封装热管理领域对高性能新材料的巨大需求，以及金刚石铜的昂贵价格，市场对性能优异的石墨/金属复合材料产生迫切需求。

鳞片石墨具有较高的石墨化度、完美的晶体取向、较大的晶粒尺寸和广泛的分布，用其作为增强体可呈现优异的热物理性能，低成本和优良的可加工性，石墨鳞片/金属复合材料在热管理领域已呈现出巨大的优势，具有替代金刚石铜的潜力。鳞片石墨的热导率呈现明显的各向异性，鳞片石墨沿片层方向热导率最大，垂直鳞片片层方向热导率低。大的石墨鳞片是由小鳞片亚结构组成，经粉碎可形成无数小片。理论分析认为，理想情况下，石墨鳞片高度定向排列可获得最佳热导率，高致密、无夹杂是获得高品质复合材料的最佳条件。但是，难点在于如何使石墨和铝基体润湿、界面结合，并使铝浸渗到石墨片亚结构内部，制备出没有空隙，没有杂质的的复合材料。