[发明专利]石墨/硅混杂增强高导热低膨胀铝基复合材料

说明书

技术领域

本发明属于复合材料领域，尤其是涉及一种石墨/硅混杂增强高导热低膨胀铝基复合材料。

背景技术

随着微电子设备向高性能、高密度、多功能化、小型化发展，现代微电子设备对热管理材料要求越来越高：如高导热率，低膨胀系数、轻质化、良好的可加工性以及可以接受的价格等。传统的热管理材料已经无法同时满足以上需求。例如纯铜的热导率虽然达到398W/m.K，但是热膨胀系数却高达16.5×10^-6/K，Cu/W、Cu/Mo和Invar/Cu尽管膨胀系数满足需求，但是其热导有限(200W/m.K)，密度也太大，无法满足微电子设备小型化、轻质化的需求。近年来，金属基复合材料因具备可设计热膨胀系数的特点被大量应用于热管理领域，主要有SiC/Al，金刚石/Cu等，特别是SiC/Al应用最为广泛，但是随着电子和微电子器件功率密度越来越高，SiC/Al复合材料受制于相对较低的热导率(≤250W/m.K)在热管理领域的应用受到限制。而金刚石/Cu(400-600W/m.K)虽然同时具有高热导率和低膨胀系数，其过高的原材料及制备成本和加工困难导致其难以被大规模应用。

新一代石墨材料具备成本低、密度低、高热导率和低膨胀系数等优势，利用石墨作为金属基电子封装材料的导热增强体具有诸多优势，例如石墨的实际热导率可达1100W/m.K，理论值更是可达到2000W/m.K以上。以石墨为导热增强相的金属基复合材料在热管理材料领域已呈现出巨大的优势，然而目前的主要难点何如抑制有害的界面反应相Al₄C₃，同时必须保持界面结合强度以保证复合材料的机械强度。由于铝碳复合材料界面反应的存在，实际制得的铝碳复合材料导热率并不高，机械性能差，特别是热稳定性和抗热震性极差，制得的复合材料在实际应用过程中极易发生性能恶化，如导热率下降和机械性能的下降。

经对现有技术的文献检索发现，J.K.Chen等人在composites part B(volume44，2013P698-703)上发表了“Thermal properties of Aluminum-graphite composites by powder metallurgy”，利用粉末冶金的办法制备铝石墨复合材料。P.Prieto等人在scripta materialia(Volume59，2008，P11-14)上发表的了“Fabrication and properties of graphite flakes/metal composites for thermal management application.”利用气压辅助液态金属浸渗的方式制备了石墨/碳化硅/铝三相复合材料，并且申请了西班牙专利Patente de Invencion：P002700804，2007.武高辉等人申请的中国专利“一种定向高导热低膨胀石墨铝复合材料及其制备方法”(专利号：201310022594，2013)，利用冲击振动和压力辅助金属浸渗的方式制备的定向导热铝/鳞片石墨复合材料。上述各种方法只是简单地把石墨和铝复合，未考虑到石墨铝复合材料的界面反应，并未采取界面改性的手段来降低界面热阻，所制备的复合材料尽管在初制备时具备不错的导热率和热膨胀性能，但是其石墨铝界面会生成有害的Al₄C₃相，导致机械性能不好、特别是热稳定性和抗热震性差，难以大规模应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有石墨铝复合材料界面稳定性差，机械性能差，热稳定性和抗热震性差的问题，提供一种机械性能高的石墨/硅混杂增强高导热低膨胀铝基复合材料。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种石墨/硅混杂增强高导热低膨胀铝基复合材料，其特征在于，该复合材料由基体铝或铝合金和石墨、硅组成，所述的石墨的体积分数为20％～65％，硅的体积分数为3％～40％，其余为铝或铝合金；所述的复合材料中还添加有抑制石墨铝有害界面反应物Al₄C₃的生成的界面改性添加剂。

所述的界面改性添加剂为锂、铜、钛、铍、镁、钪、钇、锗、锆、锶中的一种或几种组成，以基体铝或铝合金和石墨、硅的总重量为100％计，界面改性添加剂的添加量以质量计为0.1～10％。

所述的石墨为片状石墨、颗粒状石墨、晶须状石墨、短纤维石墨中的一种，其粒径为10μm-1000μm；所述的硅为颗粒状，其粒径为1μm-500μm。