一种高导热石墨/铝基多元复合材料及其应用的制作方法

1.本发明涉及材料技术领域，具体地说是一种高导热石墨/铝基多元复合材料及其应用。


背景技术：

2.随着电子器件的发展趋势向集成化、小型化、轻量化和高功率化不断升级，单位面积发热量越来越大。因此热管理材料被不断地升级革新，第一代热管理材料是铜、铝等金属材料，虽然其具有良好的导热性能与加工性能，但是热膨胀系数过大，与芯片及基片不匹配，容易导致热应力集中，元器件可靠性及寿命降低。第二代材料是铜、铝等金属中添加入热膨胀系数较低的材料，比如：硅、碳化硅，但是会大大影响材料的导热性能。第三代材料是金刚石和铜铝等金属的复合材料，导热系数高，但是制备工艺复杂，成本高，材料硬度高，加工难度也大。第四代材料为石墨和铝、铜等金属的复合材料，其导热系数高，加工难度小，膨胀系数低，密度小等优点成为了目前世界铝基复合材料研究领域的新热点。
3.然而，石墨/铝复合材料需要解决的共性问题：1.石墨与铝材料二者润湿性差，润湿角在常温下约为157
°
，即使温度达到800
°
c时仍然大于90
°
，由于两种材料润湿性差，结合界面容易产生空洞和缺陷。2.铝材料极易氧化，生成的致密氧化膜会在复合过程中会成为扩散阻碍层，影响最终复合材料的结合力与导热性能。3.石墨与铝的界面反应会产生碳化铝（al4c3）相，为脆性相，会阻碍热传递并降低材料的机械性能，且对湿气接触高度敏感，易水解，容易成为腐蚀源并加快疲劳裂纹的生长速度。


技术实现要素：

4.本发明为克服现有技术的不足，提供一种高导热石墨/铝基多元复合材料及其应用，引入氮化硼和/或氮化硅，硅元素会在石墨-铝界面富集并析出，能够在碳和铝之间形成扩散阻碍层，降低碳元素在铝中的固溶度，减少脆性相的产生。
5.为实现上述目的，设计一种高导热石墨/铝基多元复合材料，其特征在于：具体制备工艺如下：s1：选用石墨纸作为基体；s2：将石墨纸放置于温度为55-75℃的碱性除油水中超声震荡，震荡时间为5-30min；完成后用蒸馏水进行清洗，清洗时间为5min；s3：使用无水乙醇或者丙酮作为溶剂，配置浓度为5~20%的kh-550混合溶液；s4：将除油、清洗后的石墨纸放入配置好的kh-550混合溶液中浸泡，常温浸泡5-30min，然后取出干燥；s5：将一定质量比的氮化硼和氮化硅通过真空离心混料机混合，混合时间为15-45min，呈均匀状；s6：使用无水乙醇作为溶剂，将混合后的氮化硼和氮化硅中加入无水乙醇中，配制浓度为35~40%的氮化硼/氮化硅混合乳液；
s7：将配置好的氮化硼/氮化硅混合乳液喷涂于石墨纸表面，喷涂厚度为10-80
µ
m，在空气中自然干燥；s8：将干燥后的石墨纸与铝箔片层堆叠到预设高度，高度为100-500mm，形成石墨/铝箔材料；s9：将石墨/铝箔材料放入真空热压炉内，抽至真空度小于等于1*10-3
pa，并进行热压处理；s10：将热压处理后的石墨/铝箔材料进行除气处理；s11：将除气处理后的石墨/铝箔材料，随炉冷却至室温，制得产品。
6.所述的石墨纸的纯度大于99%，石墨纸厚度范围为100-500
µ
m。
7.所述的碱性除油水的ph值大于9。
8.所述的氮化硼/氮化硅混合乳液中，氮化硼及氮化硅的质量比为1：10~1：40。
9.所述的热压处理为先升温至400
°
c，然后保温30分钟，压力为30-80mpa。
10.所述的除气处理为开始加压30~45mpa，并升温至800~1400
°
c，保温100分钟。
11.一种基于石墨/铝基多元复合材料的导热连接结构，包括高导热石墨/铝基多元复合材料、散热器、发热电子元器件，其特征在于：高导热石墨/铝基多元复合材料的顶部采用钎焊处理与散热器的底座连接，高导热石墨/铝基多元复合材料底部采用软化处理与发热电子元器件连接。
12.所述的钎焊处理中的焊料为sncu或者snag合金。
13.所述的软化处理的过程为在高导热石墨/铝基多元复合材料的表面涂覆酸性溶液，将高导热石墨/铝基多元复合材料表面的铝材料溶化，形成石墨梳状的软化结构。
14.所述的酸性溶液是盐酸，浓度为0.5wt%-15wt%。
15.本发明同现有技术相比，提供一种高导热石墨/铝基多元复合材料及其应用，引入氮化硼和/或氮化硅，硅元素会在石墨-铝界面富集并析出，能够在碳和铝之间形成扩散阻碍层，降低碳元素在铝中的固溶度，减少脆性相的产生。
16.氮元素会与铝反应得到原位生产的氮化铝（aln）和硼化铝（alb2）颗粒，增强铝基复合材料的同时，也可以提升其导热性能。多元合金为基体的石墨/铝基复合材料的热导率可以达到200-500 w/mk。
附图说明
17.图1为石墨-铝界面结合显示图。
18.图2为石墨-铝界面晶相图。
19.图3为本发明石墨/铝基多元复合材料与散热器及发热电子元器件的连接结构示意图。
20.图4为图3的放大示意图。
21.参见图3，1为散热器，2为高导热石墨/铝基多元复合材料，3为发热电子元器件。
具体实施方式
22.下面根据附图对本发明做进一步的说明。
23.一种高导热石墨/铝基多元复合材料的制备工艺，具体制备工艺如下：
s1：选用石墨纸作为基体；s2：将石墨纸放置于温度为55-75℃的碱性除油水中超声震荡，震荡时间为5-30min；完成后用蒸馏水进行清洗，清洗时间为5min；s3：使用无水乙醇或者丙酮作为溶剂，配置浓度为5~20%的kh-550混合溶液；s4：将除油、清洗后的石墨纸放入配置好的kh-550混合溶液中浸泡，常温浸泡5-30min，然后取出干燥；s5：将一定质量比的氮化硼和氮化硅通过真空离心混料机混合，混合时间为15-45min，呈均匀状；s6：使用无水乙醇作为溶剂，将混合后的氮化硼和氮化硅中加入无水乙醇中，配制浓度为35~40%的氮化硼/氮化硅混合乳液；s7：将配置好的氮化硼/氮化硅混合乳液喷涂于石墨纸表面，喷涂厚度为10-80
µ
m，在空气中自然干燥；s8：将干燥后的石墨纸与铝箔片层堆叠到预设高度，高度为100-500mm，形成石墨/铝箔材料；s9：将石墨/铝箔材料放入真空热压炉内，抽至真空度小于等于1*10-3
pa，并进行热压处理；s10：将热压处理后的石墨/铝箔材料进行除气处理；s11：将除气处理后的石墨/铝箔材料，随炉冷却至室温，制得产品。
24.石墨纸的纯度大于99%，石墨纸厚度范围为100-500
µ
m。
25.碱性除油水的ph值大于9。
26.氮化硼/氮化硅混合乳液中，氮化硼及氮化硅的质量比为1：10~1：40。
27.热压处理为先升温至400
°
c，然后保温30分钟，压力为30-80mpa。
28.除气处理为开始加压30~45mpa，并升温至800~1400
°
c，保温100分钟。
29.一种基于石墨/铝基多元复合材料的导热连接结构，包括高导热石墨/铝基多元复合材料、散热器、发热电子元器件，其特征在于：高导热石墨/铝基多元复合材料2的顶部采用钎焊处理与散热器1的底座连接，高导热石墨/铝基多元复合材料2底部采用软化处理与发热电子元器件3连接。
30.钎焊处理中的焊料为sncu或者snag合金。
31.软化处理的过程为在高导热石墨/铝基多元复合材料2的表面涂覆酸性溶液，将高导热石墨/铝基多元复合材料2表面的铝材料溶化，形成石墨梳状的软化结构。
32.酸性溶液是盐酸，浓度为0.5wt%-15wt%。
33.实验例1：石墨纸：0.2mm，喷涂厚度：20
µ
m，堆叠高度：200mm，升温至400
°
c，保温：30min，再升温至800
°
c，加压：45mpa，保温：100min。c-方向导热率： 324.26w/mk。
34.实验例2：石墨纸：0.1mm，喷涂厚度：20
µ
m，堆叠高度：200mm，升温至400
°
c，保温：30min，再升温至800
°
c，加压：30mpa，保温：100min。c-方向导热率 280.12w/mk。
35.如图3，图4所示，将高导热石墨/铝基多元复合材料2的一面通过钎焊与散热器1的底座连接，高导热石墨/铝基多元复合材料2的另一面先做软化处理，将其表面形成石墨梳妆的软化结构，然后将其与发热电子元器件3连接，这样可以更好的与发热电子元器件3连接，从而达到良好的热传导效果。