[发明专利]石墨烯修饰界面的高导热金属基复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种石墨烯修饰界面的高导热金属基复合材料及其制备方法。所述的石墨烯修饰界面的高导热金属基复合材料包括金刚石、石墨烯修饰的金属粉体。所述的制备方法包括：将金属粉体进行退火还原，去除表面的氧化物；对退火还原的金属粉体包覆固体碳源或气体碳源，在氢气气氛保护下高温原位生长得到石墨烯包覆的金属粉体；将石墨烯包覆修饰的金属粉体与金刚石混合，通过热压烧结，制备石墨烯修饰界面的高导热金属基复合材料。本发明有效地改善了金属基体与金刚石颗粒的界面润湿性，降低界面热阻，高导热石墨烯的引入，提高复合材料的热导率，可用作高功率密度器件的热管理材料。

技术领域

本发明涉及金属基复合材料领域，具体的，涉及一种石墨烯修饰界面的高导热金属基复合材料及其制备方法，尤其涉及一种原位生长石墨烯对金属基体进行表面修饰，再利用粉末冶金技术制备高导热金属基复合材料。

背景技术

随着电子元器件的微型化，热失效问题引起了广泛关注，为适应电子技术的发展需求，在热管理材料中，高导热金属基复合材料取得较大进展。金刚石具有高的本征热导率(2000W/mK)和低的热膨胀系数，所以金刚石颗粒增强金属基复合材料成为未来热管理材料中的理想选择。然而，基体和金刚石之间的润湿性较差，低温下很难实现两者的有效结合。同时较差的润湿性引起两者复合界面之间存在大的界面热阻，降低复合材料热导率，因此单纯金刚石增强的金属基复合材料热导率远低于理论值。由于存在上述问题，金刚石增强的金属基复合材料在热管理材料应用中受到限制。因此，改善金属基体与金刚石之间的界面结合，降低金刚石与金属基体之间的界面热阻，是制备高导热金属基复合材料的关键。对金属基体或金刚石颗粒进行表面修饰，是解决该问题的主要思路。

对现有技术的文献检索发现，在金刚石颗粒表面镀钨层、在金属基体中添加锆、铬、在金属、金刚石的界面形成碳化物层是改善金刚石和金属复合材料界面的主要手段。文献1“High thermal conductivity composite of diamond particles with tungstencoating in a copper matrix for heat sink application”(在热管理应用中高导热钨涂层修饰的金刚石/铜复合材料)(Applied Thermal Engineering 48(2012)72-80)通过在金刚石颗粒表面浸渗法制备100-500nm厚的钨层改善金刚石/铜复合材料的界面结合，复合材料热导率能达到600-700W/mK；文献2“On the thermal conductivity of Cu–Zr/diamond composites”(铜-锆/金刚石复合材料热导率)(Materials and Design 45(2013)36-42)通过在铜基体中添加1.2wt％的锆，复合材料热导率提高到615W/mK，锆的加入，在复合界面形成碳化锆，降低界面热阻，提高复合材料热导率；文献3“Interfacialcharacterization of Cu/diamond composites prepared by powder metallurgy forheat sink applications”(通过粉末冶金制备的在散热中应用的金刚石/铜复合材料的界面表征)(Scripta Materialia 58(2008)263-266)添加铬进入到复合材料中，在界面处形成氧化铬层降低界面热阻，其复合材料热导率达到640W/mK。然而，文献4“表面镀钨层对金刚石/铜复合材料热导率的影响”(稀有金属材料与工程，45(2016)2692-2696)中实验证明复合材料热导率随金刚石镀钨层厚度的增加先增加后降低，在金刚石表面镀覆钨或形成碳化物层虽然能够提高复合材料热导率，但其仍与理论值相差较大，其主要原因在于：(1)与金刚石和金属基体相比，界面层的热导率太低(钨178W/mK，碳化物的热导率比金属基体铜合金低)；(2)金刚石上的镀层或形成的碳化物镀层太厚，引起较大的界面热阻，导致复合材料热导率与理论热导率相差较大；(3)界面层厚度和均匀性难以精确调控，所以改性效果不理想。

因此，本领域迫切需要一种高热导率、高稳定性的改善金刚石和金属复合材料界面的方法。

发明内容