专利名称：轻质高导热纳米复合材料及其制备方法
轻质高导热纳米复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及导热材料，特别是涉及一种生产成本低，重量轻，散热效 果好的轻质高导热纳米复合材料及其制备方法。
背景技术：
随着微电子技术的复杂程度和功能以惊人的速度增加，其功率也在持 续增加，而体积却不断减小。由于电子元件本身也是热源，处在整个电子 设备温度的最高点，其过高的温升往往是导致电子系统故障和失效的致命 因素。为使电子系统(特别是敏感电路和元器件)能持续稳定地工作，对 其进行可靠有效地散热显然十分重要。因此，研究和开发高效率的电子散 热材料和相关技术已刻不容緩。
众所周知，金属是常用的导热材料。金属导热材料中，热传导系数很
高的金、银因质地软、密度大、价格高而无法广泛采用；铁则由于热传导 率低、密度大，而无法满足高热密度场合需要，且不适合用于制作计算机 空冷散热片等；铜的热传导系数虽然很高，但由于密度大、成本较高、加 工难度大等不利因素，在计算机设备的散热片中使用较少；铝作为地壳中 含量最高的金属元素，因其热传导系数较高、密度小、价格低而受到青睐， 但由于纯铝硬度较小，在各种应用领域中通常会掺加其它金属材料制成铝 合金，借此获得许多纯铝所不具备的特性，因而成为散热片加工材料的首 选。此外，由于金属材料密度高，成本大，易腐蚀、在冶炼和加工过程中 能耗和环境污染大，因此寻求一种性能较金属优越，加工过程能耗低，对 环境影响小的轻质复合材料作为新的散热材料，以部分或全部取代金属，就成为一种客观需求。
另一方面，人们知道石墨是一种非金属元素，它是碳元素的结晶体，具有比铜和银更大的热导率。石墨沿其片层方向上的高导热[理论值为数
W/(mK)]特性和垂直于其片层方向的低导热[理论值为(6W/(mK))]特性与其特殊的层状结构有关。与上述金属基导热材料相比，碳材料的导热系数明显较高，且自身质轻、耐腐蚀、原料价廉易得，且我国石墨矿产资源丰富，分布面积广阔，地矿储量大，使得碳材料在散热材料开发方面具有更加优越的前途和市场。
发明内容
本发明旨在解决传统散热材料存在的问题，而提供一种原料易得且廉价，生产成本低，重量轻，散热效果好，可部分或全部取代金属散热材料的轻质高导热纳米复合材料。
本发明的目的还在于提供该复合材料的制备方法。
为实现上述目的，本发明提供一种轻质高导热纳米复合材料，该复合材料是由重量百分比含量为50% ~ 99%的石墨粉基体材料与重量百分比含量为1~50%的具有高导热性的纳米材料混合而成。
优选地，该复合材料是由重量百分比含量为85%的石墨粉基体材料与重量百分比含量为15%的具有高导热性的纳米材料混合而成。
石墨粉选自天然鳞片石墨、人造石墨，如热解石墨、酸化石墨、膨胀石墨、柔性石墨、多孔石墨中的一种或几种研磨成的4分体。
纳米材料是粒度为10 - 500纳米的纳米碳化硅(SiC)粉末、纳米硅(Si)粉末中的一种或其组合。
本发明还提供了轻质高导热纳米复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤
a、选取粒度为0. 1 ~ 100微米的石墨粉和粒度为10- 500纳米的纳米
5碳化硅粉及纳米硅粉；
b、 将重量比为50 - 99 : 0 ~ 50 : 0~50的石墨粉、碳化硅粉、硅粉物料置于密闭容器中，在搅拌条件下混合0.5-24小时，混合的同时加入重量为物料重量1~10%的高分子粘结剂，混合后的物料经干燥，M，得到复合材料前驱体^f分末；
c、 将前驱体粉末在无氧气氛下，温度在200°C以上，压力大于8MPa条件下热固成型。
步骤b中，所述高分子粘结剂为甲基纤维素、羟已基纤维素、羧曱基纤维素、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚乙烯亚胺中的一种或几种的混合物。石墨粉、碳化硅粉、硅粉物料的重量比为60~ 80 : 20 ~ 40 : 20 - 40。
步骤c中，所述无氧气氛为真空状态或氩气、氢气、氮气、氨气保护气氛。所述热固成型选自加压烧结、热轧制、热挤出、放电等离子体烧结、超高压烧结、电火花烧结、微波烧结中的l-3种。
本发明的贡献在于，它有效克服了金属散热材料密度高，成本大，易腐蚀、在冶炼和加工过程中能耗和环境污染大等缺陷。与传统的金属散热材料相比，本发明的轻质高导热纳米复合材料具有以下特点
一、 原料来源广泛，生产成本及价格低廉，产品耐腐蚀性能好。
二、 制备工艺简单，生产周期短。
三、 该复合材料可一次成型，成品密度小、材料内部无微裂紋。
四、 导热率高，散热效果好。可部分或全部替代金属导热材料。
具体实施方式
下列实施例是对本发明的进一步解释和说明，对本发明不构成任何限制。
实施例1
取天然鳞片石墨粉末、纳米碳化硅及纳米硅粉末按70 : 15 : 15的重量比置于密闭容器中，在搅拌条件下进行混合，搅拌器转速为10000转/分 钟。混合的同时加入混合物料总重量5°/ 的高分子粘结剂曱基纤维素，曱基 纤维素水溶液浓度为10%，搅拌混合1小时后，将混合后的物料在120°C的 温度烘干，分散，然后将粉末在真空300度、30MPa的压力下加压烧结成型， 得到轻质高导热纳米复合材料。
经测量，该复合材料沿热压方向的导热率为6. lW/m.K，垂直于热压方 向的导热率为190 W/m.K。
实施例2
将热解石墨粉末、纳米碳化硅粉末按85 : 15的重量比置于密闭容器中， 在搅拌条件下进行混合，搅拌器转速为11000转/分钟。混合的同时加入混 合物料总重量5%的高分子粘结剂曱基纤维素，曱基纤维素水溶液浓度为5%, 搅拌混合1小时后，将混合后的物料在100。C的温度烘干，分散，然后将 粉末在氩气氛中300度、30MPa压力下热挤出成型，得到轻质高导热纳米复 合材料。
经测量，该复合材料沿垂直挤出方向的导热率为6. OW/m.K，沿挤出方 向的导热率为188 W/m-K。 实施例3
将膨胀石墨粉末、纳米硅粉末按90 : 10的重量比置于密闭容器中， 在搅拌条件下进行混合，搅拌器转速为10000转/分钟。混合的同时加入混 合物料总重量2%的高分子粘结剂聚丙烯酰胺，聚丙烯酰胺水溶液浓度为5%, 混合搅拌2小时后，将混合后的物料在130。C的温度烘干，分散，然后将 粉末在真空600度、50MPa压力下超高压烧结成型，得到轻质高导热纳米复 合材料。
经测量，该复合材料沿热压方向的导热率为6. 5W/m.K,垂直于热压方 向的导热率为228 W/m-K。 实施例4多孔石墨粉末、纳米碳化硅及纳米硅粉末按85 : 10 : 5的重量比置于 密闭容器中，在搅拌条件下进行混合，搅拌器转速为11000转/分钟。混合 的同时加入混合物料总重量2%的高分子粘结剂聚乙烯醇，聚乙烯醇水溶液 浓度为5%,混合搅拌1小时后，将混合后的物料在130。C的温度烘干，分 散，然后将粉末在氮气氛中800度、50MPa压力下放电等离子体烧结成型，
得到轻质高导热纳米复合材料。
经测量，该复合材料沿热压方向的导热率为5.8 W/m.K,垂直于热压方 向的导热率为240 W/m-K。
权利要求
1、一种轻质高导热纳米复合材料，其特征在于，它是由重量百分比含量为50％～99％的石墨粉基体材料与重量百分比含量为1～50％的具有高导热性的纳米材料混合而成。
2、 如权利要求l所述的轻质高导热纳米复合材料，其特征在于，它是 由重量百分比含量为85%的石墨粉基体材料与重量百分比含量为15%的具有 高导热性的纳米材料混合而成。
3、 如权利要求l所述的轻质高导热纳米复合材料，其特征在于，所述 石墨粉选自天然鳞片石墨、人造石墨，如热解石墨、酸化石墨、膨胀石墨、 柔性石墨、多孔石墨中的一种或几种研磨成的粉体。
4、 如权利要求l所述的轻质高导热纳米复合材料，其特征在于，所述 纳米材料是粒度为10~ 500纳米的纳米碳化硅粉末、纳米硅粉末中的一种 或其组合。
5、 如权利要求l所述轻质高导热纳米复合材料的制备方法，其特征在 于，它包括以下步骤a、 选取粒度为0.1 ~ 100微米的石墨粉和粒度为10- 500纳米的纳米 碳化硅粉及纳米硅粉；b、 将重量比为50~99 : 0~50 : 0~50的石墨粉、碳化硅粉、硅粉物 料置于密闭容器中，在搅拌条件下混合0. 5 ~ 24小时，混合的同时加入重 量为物料重量1~10%的高分子粘结剂，混合后的物料经干燥，得到 复合材料前驱体粉末；c、 将前驱体粉末在无氧气氛下，温度在200。C以上，压力大于8MPa 条件下热固成型。
6、 如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(b)中，所述 高分子粘结剂为曱基纤维素、羟已基纤维素、羧曱基纤维素、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚乙烯亚胺中的一种或几种的混合物。
7、 如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(b)中，石墨 粉、碳化石圭4分、硅4分物料的重量比为60~ 80 : 20 ~ 40 : 20 ~40。
8、 如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(c)中，所述 无氧气氛为真空状态或氩气、氢气、氮气、氨气保护气氛。
9、 如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(c)中，所述 热固成型选自加压烧结、热轧制、热挤出、放电等离子体烧结、超高压烧 结、电火花烧结、微波烧结中的1 3种。
全文摘要
一种轻质高导热纳米复合材料及其制备方法，其中，复合材料是由重量百分比含量为50％～99％的石墨粉基体材料与重量百分比含量为1～50％的具有高导热性的纳米材料混合而成。制备方法包括a.选取粒度为0.1～100微米的石墨粉和粒度为10～500纳米的纳米碳化硅粉及纳米硅粉；b.将石墨粉、碳化硅粉、硅粉物料在搅拌条件下混合，同时加入高分子粘结剂，混合后的物料经干燥，分散，得到复合材料前驱体粉末；c.将前驱体粉末在无氧气氛下热固成型。本发明的复合材料具有原料易得且廉价，生产成本低，重量轻，散热效果好等特点，可部分或全部取代金属散热材料。
文档编号C04B35/52GK101486575SQ20091010552
公开日2009年7月22日 申请日期2009年2月23日 优先权日2009年2月23日
发明者程继鹏, 黄国清 申请人:深圳市东维丰电子科技股份有限公司;浙江大学