鋁-石墨復(fù)合材料制備工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及高導(dǎo)熱石墨復(fù)合材料領(lǐng)域，特別涉及一種高導(dǎo)熱的鋁-石墨復(fù)合材料 制備工藝。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前我國高端電子工業(yè)器件（例如高功率密度電子器件）向尺寸小型化、結(jié)構(gòu)緊 湊化、功能多元化、高功率密度化方向發(fā)展，由此引發(fā)的散熱問題已經(jīng)嚴重影響到高功率電 子器件的工作穩(wěn)定性和可靠性，因此，對其運行過程中產(chǎn)生的熱量強化導(dǎo)出與放散提出了 更高的要求。這些電子器件上所用的熱控件一般采用鋁、銅、銀等金屬材料，但是，該類材料 不僅導(dǎo)熱率低，而且質(zhì)量重、熱膨脹系數(shù)大等，極大地限制了其作為電子器件封裝散熱材料 的廣泛使用，所以研究和開發(fā)質(zhì)量輕、導(dǎo)熱率高的新型材料對于實現(xiàn)部件的小型化、裝置輕 量化和運行高效化具有重要意義。在導(dǎo)熱設(shè)計面臨重量、體積、性能、價格的挑戰(zhàn)的當今時 代，人們想到使用石墨材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬導(dǎo)熱材料，石墨材料的特殊分子結(jié)構(gòu)使其具有 良好的熱傳性，理論值高達2000的熱傳導(dǎo)系數(shù)，比所有金屬導(dǎo)體如銀、金都高，而且其資源 豐富、易獲取，但是由于石墨本身的結(jié)構(gòu)為SP2結(jié)構(gòu)，在X-Y軸有很好的傳導(dǎo)性，但在Z軸的 傳導(dǎo)性就非常差。再加上天然石墨本身有很多的孔隙存在，一般在X-Y軸的熱傳導(dǎo)系數(shù)是 200-800W/m. K但在Z軸卻只有5-30W/m. K而已，但在工業(yè)應(yīng)用中往往必須利用材料的Z軸 散熱，因此傳統(tǒng)石墨材料很難作為散熱材料在工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用。
[0003] 為克服上述石墨材料作為散熱材料上所存在的缺陷，人們通過高溫改變石墨的分 子排列，使其Z軸熱傳導(dǎo)得到提高，采用高壓和金屬復(fù)合提高其各向異性使其達到散熱方 向可控。采用石墨與金屬復(fù)合產(chǎn)生的高導(dǎo)熱材料具有重量較輕、資源相對比有色金屬豐富 易攫取、加工工藝簡單，在世界面臨有色金屬資源缺乏的年代，采用石墨與金屬復(fù)合的高導(dǎo) 熱材料做散熱體確實是一場工業(yè)產(chǎn)業(yè)上的革命。
[0004] 然而傳統(tǒng)的石墨與金屬材料復(fù)合工藝如粉末冶金法，是將石墨顆粒與金屬粉末 (如：鋁或鋁合金粉末）混合，經(jīng)壓實成型、燒結(jié)形成復(fù)合材料，這種工藝涉及的設(shè)備比較復(fù) 雜，而且鋁粉顆粒表面氧化膜及材料的孔隙使復(fù)合材料力學性能較弱。因此很有必要提出 一種新的改進的石墨與金屬材料的復(fù)合制備工藝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種鋁-石墨復(fù)合材料制備工藝，其所要解決的技術(shù)問題 在于：傳統(tǒng)的石墨與鋁的復(fù)合材料制備方式大多為將石墨顆粒與鋁粉末混合均勻然后經(jīng)過 壓實燒結(jié)成型，工藝復(fù)雜、成本高，而且制備的復(fù)合材料力學性能弱，不利于推廣應(yīng)用。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種鋁-石墨復(fù)合材料制備工藝，其包括如下 步驟：
[0007] -、混料，取易石墨化炭、粘合劑以及催化劑混合均勻，再加入擴散劑混合均勻，最 后烘干制成混合粉料；
[0008] 其中，所述混料過程中各組分按重量份數(shù)計為：
[0009] 易石墨化炭 70-80份（大致數(shù)量范圍）_; 粘合劑 19-23份； 漼化劑 2-4份； 擴散劑 0.7-1.3份;
[0010] 所述易石墨化炭破碎過50目篩、灰分0· 3% ;
[0011] 二、制坯，將步驟一得到的混合粉料冷壓成型制得毛坯；
[0012] 三、第一次焙燒，將步驟二制得的毛坯進行焙燒，其中焙燒的溫度為1100-1200攝 氏度之間；
[0013] 四、浸漬，將經(jīng)過第一次焙燒后的毛坯進行浸漬得到浸漬坯，浸漬液為浸漬瀝青；
[0014] 五、第二次焙燒，將浸漬坯進行第二次焙燒，其中焙燒的溫度為1100-1200攝氏度 之間；
[0015] 六、石墨化，將經(jīng)過步驟五中第二次焙燒的毛坯置于石墨化爐中進行熱處理得到 石墨化毛坯；
[0016] 七、浸鋁，首先將石墨化毛坯的外表面清理干凈，然后將其浸入800-900攝氏度的 純鋁液中，并在20MPa的條件下保壓至少3小時，制得鋁-石墨復(fù)合材料。
[0017] 所述粘合劑為中間相瀝青，所述中間相瀝青破碎過100目篩、軟化點280攝氏度、 揮發(fā)份21. 5%，催化劑為綠碳化硅，擴散劑為蒽油；且上述步驟一中的所述易石墨化炭、粘 合劑以及催化劑在高速混捏機中混捏至少5分鐘達到混合均勻，然后加入所述擴散劑混捏 0. 5-1. 0 小時。
[0018] 上述步驟二中的制坯是將所述混合粉料裝入模具中在1000噸壓機上壓制成型， 由于受壓機噸位影響，同時滿足浸錯要求，所述毛還的尺寸在300mm*300mm*120mm以內(nèi)，通 過控制摻雜等來改善鋁水對石墨納米孔隙的浸潤性，增強填充性，減少界面空洞，呈板條狀 納米石墨晶片可以高效地傳輸熱量，同時與金屬相比熱膨脹率低。
[0019] 上述石墨化步驟中，將浸漬后的毛坯置于石墨化爐中，所述石墨化爐采用14米長 的艾奇遜爐，且所述艾奇遜爐的的開始功率lOOOkw以上，上升功率lOOkw/h，最后將所述艾 奇遜爐中的溫度升溫至2800攝氏度，并保持1小時，完成熱處理，得到石墨化毛坯。
[0020] 上述步驟七中，首先清理所述石墨化毛坯的外表面，并使用超聲波清洗石墨化毛 坯，將清洗后的石墨化毛坯在120攝氏度的條件下烘干，然后浸入純鋁液中。
[0021] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：采用本發(fā)明的工藝制備的高導(dǎo)熱的 鋁-石墨復(fù)合材料，是由炭、鋁復(fù)合制成的材料，主要成分為炭，可再生重復(fù)使用，不會對環(huán) 境造成污染，且制備工藝簡單具有良好的經(jīng)濟性；具有極佳的熱傳導(dǎo)性能，熱傳導(dǎo)率達到 380W/m. k，超過現(xiàn)行所有的LED散熱材料，而且改變了石墨的分子排列，使其Z軸熱傳導(dǎo)得 到提高，采用高壓和鋁復(fù)合提高其各向異性使其達到散熱方向可控；具有良好的導(dǎo)電性能， 電阻率為3u Ω . m ;具有良好的切削性，適合做精密切削加工，不易變形，便于工業(yè)化加工； 與鋁銅材料相比能夠抗耐沖擊瞬間電流，表面不存在氧化；在平面上有極快的均衡散熱速 度特性，不會對電器組件造成聚熱疲勞，使得被散熱的元器件使用壽命長，而且重量輕、厚 度薄，在厚度上有較高的導(dǎo)熱性，在平面方向上可以做屏蔽熱源和組件，比重比銅輕80%， 比鋁輕30%。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明的方法制備的鋁-石墨復(fù)合材料的掃描電子顯微圖。
[0023] 圖2為本發(fā)明的方法制備的鋁-石墨復(fù)合材料的EDS掃描圖。
[0024] 圖3為EDS對圖2中方框區(qū)域掃描得出的成分分析圖。
[0025] 圖4為納米級鋁-石墨復(fù)合材料的透射電鏡照。
【具體實施方式】
[0026] 以下將結(jié)合較佳實施例對本發(fā)明提出的一種高導(dǎo)熱的鋁-石墨復(fù)合材料制備工 藝作更為詳細說明，下列實施例中未注明具體條件的實驗方法，通常按照常規(guī)條件，或按照 制造廠商所建議的條件進行。
[0027] 實施例一：
[0028] 本發(fā)明提供一種高導(dǎo)熱的鋁-石墨復(fù)合材料，型號為CA-10,如圖1所示，其掃描電 子顯微圖下觀測到的紋理結(jié)構(gòu)平順整齊、紋理結(jié)構(gòu)明顯有規(guī)則，使用EDS掃描圖2中線框中 區(qū)域，所得到的成份分析如圖3以及下表一所示。
[0031] 所述CA-10型的高導(dǎo)熱的錯-石墨復(fù)合材料的制備工藝步驟為：
[0032] 第一步，首先按重量份數(shù)計取75份破碎過50目篩、灰分0.3%的易石墨化炭、21 份的中間相瀝青作為粘合劑以及3份的綠碳化硅作為催化劑在高速混捏機中混捏至少5分 鐘，所述中間相瀝青破碎過100目篩、軟化點280攝氏度、揮發(fā)份21. 5%，達到基本分散均 勻，然后加入1份的蒽油作為擴散劑混合0. 5-1. 0小時，最后將混合料烘干制得混合粉料；
[0033] 第二步，將混合粉料裝入模具中，在1000噸壓機上壓制成尺寸在 300mm*300mm* 120mm 以內(nèi)毛還；
[0034] 第三步，將毛坯進行溫度為1200攝氏度的高溫焙燒；
[0035] 第四步，將經(jīng)過焙燒后的毛坯置于浸漬瀝青中進行浸漬得到浸漬坯；
[0036] 第五步，將浸漬坯進行第二次溫度為1200攝氏度的高溫焙燒；
[0037] 第六步，將經(jīng)過第二次焙燒的毛坯置于石墨化爐中，所述石墨化爐采用14米長的 艾奇遜爐，所述艾奇遜爐的的開始功率lOOOkw以上，上升功率lOOkw/h，最后將所述艾奇遜 爐中的溫度升溫至2800攝氏度，并保持1小時，完成熱處理，得到石墨化毛坯；
[0038] 第七步，將石墨化毛坯表面清理干凈，并放入超聲波清洗池中進行超聲波清洗，然 后再120攝氏度的條件下烘干，將清理、烘干后的石墨化毛坯浸入850攝氏度的純鋁液中， 并在20MPa的條件下包壓3小時即可制得所述高導(dǎo)熱的鋁-石墨復(fù)合材料。
[0039] 本發(fā)明的制備工藝采用以易石墨化炭為骨料，以中間相瀝青為粘合劑，加以特種 催化劑，通過混捏、成型、焙燒、浸漬、石墨化過程制得石墨化毛坯，然后對石墨化產(chǎn)品進行 浸鋁處理提高其密度降低氣孔率來進一步提高產(chǎn)品的導(dǎo)熱率，整個過程影響了材料的物理 性能和微觀結(jié)構(gòu)，從而制得高導(dǎo)熱的鋁-石墨復(fù)合材料，本發(fā)明的方法制得的CA-10型的 高導(dǎo)熱的鋁-石墨復(fù)合材料根據(jù)特性優(yōu)勢可廣泛應(yīng)用于手機、電視機、等離子顯示器、投影 設(shè)備、液晶顯示器背光源、計算機、CPU、服務(wù)器、內(nèi)存、電源、LED、二