石墨-金属导热复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于导热复合材料领域。具体地，本发明涉及石墨-金属导热复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着在电子技术行业的快速发展，器件单位面积散发的热量越来越多，对热管理材料的性能提出了更为严格的要求。电子封装材料的开发作为重要一环，要求材料具有高热导率，低膨胀系数、轻质、成本低的特点。然而传统的Al/SiC复合材料、Cu/W复合材料以及Cu/Mo复合材料等特殊合金材料虽然热膨胀系数较低，但都经过特殊加工，牺牲了材料在热传导系数和热扩散系数方面的性能；金刚石以及金刚石复合材料虽然热导率高，但由于金刚石的超高硬度，难以加工。
[0003]石墨-金属复合材料由于具有热导率高、热膨胀系数小、热扩散系数高等特性，在热管理材料应用中受到越来越多的关注。然而石墨-金属复合材料的制备难点在于:石墨与金属之间润湿性差，结合性差，且常用的石墨-金属复合材料制备过程中，如石墨-铝反应会广生易水解相Al4C3,石墨-铜—者之间结合能力低。为提闻石墨颗粒与金属之间的结合强度，现有大部分工艺采用电镀和化学镀法，这些方法对设备要求很高，且工艺复杂，粉体表面均匀镀覆效果不好，不能解决上述问题。
[0004]因此，本领域迫切需要一种二者结合强度高，复合材料性能稳定以及热导率高的石墨-金属复合材料。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种结合强度高、导热效果好的石墨-金属复合材料。
[0006]在本发明的第一方面提供了一种石墨-金属复合材料，所述石墨-金属复合材料包括金属基体和分布于所述金属基体内部和/或表面的石墨复合体；
[0007]所述石墨复合体包括石墨颗粒、碳化物层和碳化物形成元素层，其中，所述碳化物层结合于所述石墨颗粒表面，所述碳化物形成元素层结合于碳化物层表面；所述碳化物形成元素选自下组:B、S1、Cr、W、Mo ;所述碳化物选自下组:碳化硼、碳化硅、碳化钨、碳化铬、碳化钥。
[0008]在另一优选例中，所述石墨复合体通过碳化物形成层跟所述金属基体结合。
[0009]在另一优选例中，所述石墨颗粒为石墨粉。
[0010]在另一优选例中，所述石墨包括天然石墨、人造石墨以及多层石墨烯。
[0011]在另一优选例中，所述石墨颗粒的粒径为0.Ιμ???1000 μ m。
[0012]在另一优选例中，所述石墨复合体具有以下特征:
[0013]形成的碳化物层有碳化硼、碳化硅、碳化钨、碳化铬、碳化钥等；
[0014]所述碳化物层的厚度为I?100nm ;和/或
[0015]所述碳化物形成元素层的厚度为0.001?10 μ m。
[0016]在另一优选例中，所述金属基体和石墨复合体的质量比为10%?90%。
[0017]在另一优选例中，所述复合材料具有如下的一种或多种特征:
[0018]所述复合材料的热导率为200?650W/m.K ；
[0019]所述复合材料的热膨胀系数为I?10PPM/K。
[0020]在另一优选例中，所述金属基体包括:铜基体、铝基体、银基体、镁基体、钛基体、镍基体，或其组合等。
[0021]本发明第二方面提供了一种本发明第一方面提供的所述石墨-金属复合材料的制备方法，其特征在于，包括步骤:
[0022](a)提供石墨复合体和金属基体的混合物；
[0023](b)将所述石墨复合体和金属基体的混合物进行压力熔渗反应，得到所述石墨-金属复合材料。
[0024]在另一优选例中，所述石墨复合体包括石墨颗粒、碳化物层和碳化物形成元素层，其中，所述碳化物层结合于所述石墨颗粒表面，所述碳化物形成元素层结合于所述碳化物层表面；所述碳化物形成元素选自下组:B、S1、Cr、W、Mo ;所述碳化物选自下组:碳化硼、碳化硅、碳化钨、碳化铬、碳化钥。
[0025]在另一优选例中，在所述步骤(b)中，所述压力熔渗反应是指进行热压烧结处理。
[0026]在另一优选例中，所述热压烧结处理是把压铸模具放在热压炉中进行的。
[0027]在另一优选例中，所述压力熔渗反应包括如下的一种或多种特征:
[0028]所述压力熔渗反应的温度为400?1500°C ；
[0029]所述压力熔渗反应的保压时间为I?200min ；
[0030]所述压力熔渗反应的压力为I?150MPa。
[0031]在另一优选例中，所述压力熔渗反应的温度为500?1500°C。
[0032]在另一优选例中，所述压力熔渗反应的时间为10?50min。
[0033]在另一优选例中，所述压力熔渗反应的压力为10?lOOMPa。
[0034]在另一优选例中，在所述步骤(a)中，以所述混合物的总重量计，所述金属基体的质量分数为10?90%。
[0035]在另一优选例中，在所述步骤(a)之前，还包括石墨复合体的制备方法，包括步骤:
[0036](al)提供一包含石墨颗粒、碳化物形成元素与盐的混合物；其中，所述的盐选自下组:NaCl、KCl、NaF, KF、BaCl2, CaCl2 或其复合盐；
[0037](a2)在真空或惰性气氛中，将步骤(al)的混合物进行加热反应，从而得到石墨复合体。
[0038]在另一优选例中，所述步骤(a2)中，所述加热反应在400?1500°C下进行；和/或所述加热反应进行10?600min。
[0039]在另一优选例中，所述步骤(a2 )中，所述惰性气体包括氩气、氦气或其组合等。
[0040]在另一优选例中，按步骤(al)的混合物总重量计算，盐的质量分数为10 -80wt % ο
[0041]在另一优选例中，按步骤(al)的混合物总重量计算，碳化物形成元素的质量分数为 0.1 ?10wt%o
[0042]本发明第三方面公开一种散热部件或制品，该散热部件或制品包括本发明第一方面所述的石墨-金属复合材料。
[0043]应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
【附图说明】
[0044]图1为本发明本实施例1中石墨-碳化铬-铬复合体的扫描电子显微图(a_b)和EDS能谱图(C)；
[0045]图2为本发明本实施例2中石墨-碳化硼-硼复合体的扫描电子显微图(a-b)和EDS能谱图(c)；
[0046]图3为本发明本实施例3中石墨-铝复合材料横截面的扫描电子显微图(a-b)和EDS能谱图(C)；
[0047]图4为本发明本实施例3中石墨-铝复合材料表面的扫描电子显微图(a-b^PEDS能谱图(C)。
[0048]图5为本发明中镀B石墨-铝复合材料的XRD图，图中显示复合材料中无Al4C3水解相生成。
[0049]图6为本发明对比例中有纯石墨-铝复合材料的XRD图，图中显示复合材料中有Al4C3水解相生成。
【具体实施方式】
[0050]本发明人经过广泛而深入的研究，通过大量试验，首次发现，颗粒表面具有碳化物层和碳化物形成层的石墨复合体可与金属基体在外界压力作用下，形成导热率高、热膨胀系数小、热扩散系数高的优质的导热复合材料，同时，该石墨-金属复合材料中石墨与金属的界面结合强度高，性能稳定，具有高强度和耐磨性，在机械、电子等对散热要求高的领域具有很好的应用前景。在此基础上，发明人完成了本发明。
[0051]石墨颗粒
[0052]如本文所用，本发明的石墨颗粒可以是任意尺寸的粉体，优选粒径为0.1?1000 μ m ;较佳地为10?1000 μ m ;更佳地为300?1000 μ m。其中鳞片石墨:晶体呈鳞片状:这是在高强度的压力下变质而成的，有大鳞片和细鳞片之分。
[0053]碳化物形成元素
[0054]本发明所用的碳化物形成元素包括B、S1、Cr、W、Mo。所述碳化物形成元素层的厚度为 0.001 ?10 μ m。
[0055]石墨复合体
[0056]本发明的石墨复合体，包括石墨颗粒、碳化物层和碳化物形成元素层；其中，所述碳化物层结合于所述石墨粉颗粒表面，所述碳化