[发明专利]石墨烯改性的高导热铝基复合材料及其粉末冶金制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属基复合材料技术领域，具体地，涉及一种采用石墨烯对增强体颗粒进行表面改性，进而再采用粉末冶金技术制备高导热铝基复合材料的方法。

背景技术

近年来，为适应电子技术的发展需求，用作热管理材料的高导热、低膨胀金属基复合材料的研究取得了巨大进展。颗粒增强铝基复合材料由于具有铝基体和增强体颗粒轻质、高热导、低膨胀的综合优点，成为未来电子封装材料的理想选择。但是，目前选用的增强体颗粒主要为碳族或含碳类高导热材料，如：碳化硅、金刚石、片状石墨颗粒等，这些颗粒与铝基体相容性差，因而低温制备的材料复合界面无法形成有效结合，材料综合性能差、无法应用；而在高温下处理时，颗粒又易与铝发生界面反应，生成棒状或片状Al₄C₃相。一方面，由于Al₄C₃热导率低，该产物相的生成会显著降低复合材料的热导率；另一方面，Al₄C₃化学稳定性差，遇酸、碱、水甚至醇类时极易发生化学反应而分解，导致铝基复合材料化学稳定性降低；此外，Al₄C₃脆性大，其一旦在界面处形成连续膜，极易引起复合界面开裂而导致材料失效。由于存在上述问题，高导热铝基复合材料在热管理领域的推广应用受到了严重限制。因此，既能实现颗粒与铝基体良好的界面结合，同时又能抑制Al₄C₃相的生成，是制备高导热颗粒增强铝基复合材料的关键。对颗粒进行表面处理，如：表面镀覆，是解决该问题的主要研究思路。

对现有技术的文献检索发现，在颗粒表面镀覆W(或其碳化物)、Ti(或其碳化物)是改善复合界面结合、抑制Al₄C₃相生成的主要技术手段。文献1“Enhanced thermal conductivity in diamond/aluminum composites with a tungsten interface nanolayer”(通过W纳米镀膜提高金刚石/铝复合材料的导热性能)(Materials and Design 47(2013)160-166)通过在金刚石表面镀覆厚为100-400nm的W纳米镀层改善金刚石/铝复合界面结合、抑制Al₄C₃相生成，其制备的金刚石体积含量为40％的复合材料热导率可由496W/mK提高到599W/mK；文献2“Thermal conductivity and microstructure of Al/diamond composites with Ti-coated diamond particles consolidated by spark plasma sintering”(等离子体烧结镀Ti金刚石/铝复合材料的热导率与显微结构)(Journal of Composite Materials 46(2012)1127-1136)通过在金刚石颗粒表面镀覆厚度为0.5μm的Ti金属层，改善金刚石与铝的界面结合，使金刚石体积含量为40％的复合材料热导率由325W/mK提高到433W/mK。然而，文献3“A predictive model for interfacial thermal conductance in surface metallized diamond aluminum matrix composites”(表面金属化金刚石/铝复合材料的界面热导预测模型)(Materials and Design 55(2014)257-262)与文献4“镀层厚度对镀钛金刚石/铝复合材料热导率的影响”(中国有色金属学报,23(2013)802-808)已分别从理论和试验两方面证实：复合材料热导率随界面镀层厚度增加而急剧下降，金刚石等颗粒表面镀覆W、Ti等较未镀覆颗粒虽能提高复合材料的界面结合和热导率，但其仍与理论值相差较大，其存在的主要问题在于：(1)与颗粒增强体、铝基体相比，界面层的热导率太低(如W、Ti分别为178W/mK和21.9W/mK)；(2)镀层厚度太大(一般高于100nm)，因镀层引入而增加的复合材料界面热阻较大，导致复合材料热导率与理论值相距很大；(3)颗粒表面镀层的厚度和均匀性较难控制，界面改性效果不理想。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种石墨烯改性的高导热铝基复合材料及其粉末冶金制备方法，能获得热导率更高、化学稳定性更好、不含界面反应相的高导热颗粒增强铝基复合材料，便于其在热管理领域的推广应用。