[發(fā)明專利]高導(dǎo)熱石墨高硅鋁基復(fù)合材料及其制備工藝

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310315124.4
• 申請(qǐng)日: 2013-07-24
• 公開（公告）號(hào): CN103343266A
• 公開（公告）日: 2013-10-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周聰;陳哲;王浩偉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): C22C21/00
• 分類號(hào): C22C21/00;C22C1/10
• 代理公司: 上海科盛知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 蔣亮珠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于復(fù)合材料領(lǐng)域，尤其是涉及一種高導(dǎo)熱石墨高硅鋁基復(fù)合材料及其制備工藝。

背景技術(shù)

高硅鋁基復(fù)合材料是近年發(fā)展起來的一種具有低膨脹的新型鋁基復(fù)合材料，廣泛用于電子封裝材料的熱管理。歐洲的Osprey金屬公司采用噴射沉積和熱等靜壓的方法都制備出了高硅鋁基復(fù)合材料，但是這些方法對(duì)設(shè)備要求很高，工藝復(fù)雜，成本很高。另外，隨著電子器件熱功率密度的不斷增加，高硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料由于熱導(dǎo)率不夠高，已經(jīng)不能滿足高功率器件的散熱要求。中國(guó)專利號(hào)200410043855.9，記載了一種“一種低膨脹超高硅鋁合金及其制備方法”，該技術(shù)采用擠壓鑄造的方法將硅元素外加到鋁合金中制成超高硅鋁合金，盡管工藝比Osprey的簡(jiǎn)單，熱膨脹系數(shù)低，但熱導(dǎo)率只有100～110W/(mK)。低的熱導(dǎo)率使高硅鋁基復(fù)合材料在熱管理領(lǐng)域的使用受到了極大的限制。如果單純降低復(fù)合材料中硅的含量，盡管熱導(dǎo)率略有提高，但會(huì)損失低膨脹的特性。如何在保持現(xiàn)有低膨脹特性的基礎(chǔ)上同時(shí)提高熱導(dǎo)率成為高硅鋁基復(fù)合材料急需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有高硅鋁基復(fù)合材料熱導(dǎo)率不足的問題，以獲得綜合性能優(yōu)良滿足電子封裝材料散熱要求的高導(dǎo)熱石墨高硅鋁基復(fù)合材料及其制備工藝。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種高導(dǎo)熱石墨高硅鋁基復(fù)合材料，其特征在于，該復(fù)合材料由石墨、硅和鋁或鋁合金組成，所述的石墨的體積分?jǐn)?shù)為10％～70％，硅的體積分?jǐn)?shù)為5％-30％，其余為鋁或鋁合金。

所述的鋁合金包括ZL101、ZL102或ZL104。

一種高導(dǎo)熱石墨高硅鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

(1)將石墨粉和硅粉混合均勻得到混合粉末；

(2)將混合粉末放入熱處理爐內(nèi)進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)形成預(yù)制塊；

(3)將燒結(jié)成的預(yù)制塊放入模具中預(yù)熱，鋁或鋁合金在坩堝中加熱至熔化；

(4)將鋁或鋁合金熔體澆注到模具內(nèi)；

(5)采用液壓機(jī)施加軸向壓力，迫使鋁或鋁合金熔體浸滲進(jìn)入預(yù)制塊中的孔隙；

(6)冷卻脫模，取出復(fù)合材料。

步驟(1)中所述硅粉的直徑為3～100微米，石墨粉的直徑為10～600微米。

步驟(2)中所述燒結(jié)溫度為1000～1200℃，燒結(jié)時(shí)間為12h。

步驟(3)中所述預(yù)熱溫度為400～500℃。

步驟(5)中所述軸向壓力為50～100MPa。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過在高硅鋁基復(fù)合材料中引入高導(dǎo)熱的石墨粉來提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，采用真空熱壓燒結(jié)形成預(yù)制塊，隨后進(jìn)行擠壓鑄造制備復(fù)合材料。其中，真空熱壓燒結(jié)使石墨沿著垂直于熱壓方向的平面排布，而且使硅形成骨架結(jié)構(gòu)，從而使預(yù)制塊獲得一定的抗壓強(qiáng)度。這種結(jié)構(gòu)在隨后的壓力浸滲下能夠保持結(jié)構(gòu)不破壞，原有的浸滲通道得以保留，從而促進(jìn)了金屬液的浸滲。這種新工藝不僅避免了傳統(tǒng)的粉末壓塊在擠壓浸滲過程中易分層和開裂的問題，還解決粉末壓塊局部緊實(shí)度過高而無法浸滲完全的問題。這種新型石墨高硅鋁基復(fù)合材料不僅具有低密度、低成本的特點(diǎn)，最重要的是同時(shí)兼具低膨脹和高導(dǎo)熱特性，極大地拓展了高硅鋁基復(fù)合材料在高功率器件中的應(yīng)用前景。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

實(shí)施例1

高導(dǎo)熱石墨高硅鋁基復(fù)合材料中石墨粉的體積分?jǐn)?shù)14％，其余為高硅鋁基體。其制備步驟為：(1)將石墨粉和硅粉按質(zhì)量比1∶3.5在混料機(jī)中進(jìn)行機(jī)械攪拌，直到兩種粉末混合均勻，其中硅粉的直徑為10微米，石墨粉的直徑為500微米；(2)將混合粉末放入熱處理爐內(nèi)進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)形成預(yù)制塊，燒結(jié)溫度1000℃，燒結(jié)時(shí)間12h；(3)將燒結(jié)成的預(yù)制塊放入模具中預(yù)熱至400℃，鋁合金ZL101在坩堝中加熱至熔化；(4)將鋁或鋁合金熔體澆注到模具內(nèi)；(5)采用液壓機(jī)施加50MPa的軸向壓力，迫使鋁或鋁合金熔體浸滲進(jìn)入預(yù)制塊中的孔隙；(6)冷卻脫模，取出復(fù)合材料。性能測(cè)試結(jié)果：密度2.41g/cm³，熱膨脹系數(shù)10ppm/K，熱導(dǎo)率193W/(mK)。

實(shí)施例2