[發(fā)明專利]導(dǎo)熱和導(dǎo)電各向異性的石墨烯/金屬基復(fù)合材料及其制備的方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310019165.9
• 申請日: 2013-01-17
• 公開（公告）號: CN103938011A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 瞿東;胡春峰;黃慶;鳳儀
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所
• 主分類號: C22C1/10
• 分類號: C22C1/10;C22C1/05
• 代理公司: 北京鴻元知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11327
• 代理人: 陳英俊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及金屬基復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種導(dǎo)熱和導(dǎo)電各向異性的石墨烯/金屬復(fù)合材料以及一種低溫快速制備該復(fù)合材料的方法。

背景技術(shù)

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得儀器、設(shè)備、部件的設(shè)計和生產(chǎn)越來越趨于小型化、輕量化、緊湊化、高效化。特別是超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，使得電子器件的功率密度越來越高，導(dǎo)致工作過程中產(chǎn)生大量的熱，這些熱量如不及時排除，將會嚴重影響到電子器部件的工作穩(wěn)定性和安全可靠性。因此，導(dǎo)熱材料的選取越來越引起人們的重視，使用高導(dǎo)熱材料作為熱沉或散熱器件可以大幅度降低器件內(nèi)部或表面溫度，同時也可高效、經(jīng)濟地利用熱量，從而具有重要的實際意義。

從目前使用來看，銅、銀等金屬材料因具有較好的導(dǎo)熱性能被普遍用作導(dǎo)熱材料。但是，單一的金屬材料往往因為某一方面的性能劣勢而被限制使用，如金屬銅熱膨脹系數(shù)高，往往被限制用作散熱材料。因此，金屬基復(fù)合材料越來越引起關(guān)注。通過第二相的加入，在最大限度的發(fā)揮金屬的性能特長同時，賦予單一金屬材料所不具備的優(yōu)良性能，如高比強度、高模量、高韌性、高導(dǎo)熱導(dǎo)電性、膨脹系數(shù)小、耐磨性好、高溫強度高、表面穩(wěn)定性好等優(yōu)良的綜合性能，使其在航空航天系統(tǒng)、國防、電子工業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

近年來，用碳材料作為第二相制備金屬基復(fù)合材料的研究日益廣泛，因為碳材料是一種非常神奇的材料，它既可以形成質(zhì)地非常柔軟的石墨，亦可以形成世界上最硬的金剛石，獨特的原子排布賦予了碳各種同素異形體的同時，也賦予了碳材料各種優(yōu)異的物理和力學(xué)性能。其中，碳材料的熱導(dǎo)率高于金屬材料數(shù)倍，使其成為非常優(yōu)異的導(dǎo)熱增強相；并且，碳材料的導(dǎo)電能力非常優(yōu)越，使其可以作為調(diào)節(jié)相。因此，關(guān)于碳材料的研究一直是熱點課題，并且取得了很多成果，其在包括對碳材料增強的金屬基復(fù)合材料的研究，但是目前研究的增強相主要為碳纖維和碳納米管。

在碳材料家族中，石墨烯具有二維晶體結(jié)構(gòu)，是由一層密集的、具有六邊形蜂窩晶體結(jié)構(gòu)的碳原子構(gòu)成的，厚度大概為0.335nm，碳原子之間以sp2軌道雜化相連，即碳原子之間的化學(xué)鍵為很強的σ鍵，這些很強的共價鍵使得石墨烯具有很高的強度。石墨烯的特殊結(jié)構(gòu)使其表現(xiàn)出極其優(yōu)異的物理性能和機械性能。如，石墨烯具有較高的導(dǎo)電性，機械強度及導(dǎo)熱率，其強度是已知材料中最高的，可以達到130GPa，是鋼材料的100多倍，楊氏模量是1100GPa，與碳納米管相當；其熱導(dǎo)率為5000W.m^-1.K^-1，是金剛石的3倍。基于以上這些優(yōu)良的性能，使石墨烯成為21世紀最具前景的材料之一。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術(shù)目的是提供一種導(dǎo)熱和導(dǎo)電各向異性的石墨烯/金屬復(fù)合材料，復(fù)合材料成分均勻，具有導(dǎo)熱各相異性和導(dǎo)電各相異性。

本發(fā)明實現(xiàn)上述技術(shù)目的所采用的技術(shù)方案為：一種導(dǎo)熱和導(dǎo)電各向異性的石墨烯/金屬基復(fù)合材料，以金屬材料為基體，其在摻雜石墨烯，所述的石墨烯呈片層結(jié)構(gòu)穿插在金屬基體中。

所訴的石墨烯占復(fù)合材料的百分比為1%～50%，進一步優(yōu)選為5%～20%。

所述的金屬粉體是在元素周期表中一種與石墨烯不起化學(xué)反應(yīng)的金屬元素的單質(zhì)粉體，或者是幾種此類金屬元素的不同配比的混合粉體，包括但不限于金、銀、鉑、銅等金屬中的一種或幾種的混合物

所述的石墨烯/金屬基復(fù)合材料具有導(dǎo)熱各向異性和導(dǎo)電各向異性。

本發(fā)明還提供了一種低溫快速制備上述導(dǎo)熱和導(dǎo)電各向異性的石墨烯/金屬復(fù)合材料的方法，該方法采用高純超細的金屬粉末與石墨烯水懸浮溶液為原料，以無水乙醇作為介質(zhì)，將原料在介質(zhì)中進行高速球磨，得到石墨烯與金屬粉末均勻混合的漿料；然后，該漿料經(jīng)真空干燥、篩分，獲得石墨烯與金屬粉末均勻混合的復(fù)合粉體；接著，將該復(fù)合粉體裝入石墨模具中，在10～100MPa壓力下預(yù)壓成型，再放入電火花離子燒結(jié)裝置中，在真空或通有保護氣氛條件下，控制施加壓力和升溫速率，加熱至燒結(jié)溫度后，保溫一定時間，得到導(dǎo)熱和導(dǎo)電各向異性的石墨烯/金屬基復(fù)合材料的燒結(jié)塊體

上述制備方法中，將石墨烯與金屬粉末均勻混合的復(fù)合粉體預(yù)壓成型后進行電火花離子燒結(jié)。電火花離子燒結(jié)是一種先進的電場輔助燒結(jié)方式，可通過導(dǎo)電金屬顆粒間的瞬間放電誘導(dǎo)顆粒的區(qū)熔與焊合，并在一定的高溫下促進金屬原子的互擴散產(chǎn)生頸縮，消除三角晶界處的微氣孔，實現(xiàn)致密化。因此，該燒結(jié)方式升溫快速，能夠提供電流場輔助金屬顆粒的燒結(jié)，對金屬類材料的燒結(jié)具有得天獨厚的優(yōu)勢，能夠大幅度降低燒結(jié)溫度，在低于金屬熔點500～1000℃的溫度下實現(xiàn)金屬的全致密化燒結(jié)。