专利名称：一种天然石墨基复合材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及的是一种复合材料的制备方法，具体是说是一种天然石墨基复合 材料的制备方法。 —(二) 背景技术在微电子集成电路以及大功率整流器件中，密集的无数微小尺寸的元件产生 大量热量，因芯片与散热材料之间热膨胀系数的不匹配而引起的热应力疲劳以及 散热性能不佳，进而导致的芯片过热己成为微电子电路和器件的主要失效形式， 电子元件的散热成为了制约系统性能的瓶颈问题。随着集成电路向高密度、小型化、多功能化发展，对电子封装材料的要求 越来越苛刻。作为理想的散热材料，必须满足以下几个基本要求 一是材料的导 热性能要好，能够将半导体芯片在工作时产生的热量及时地散发出去；二是材料 的热膨胀系数(CTE)要与Si或GaAs等芯片相匹配，以避免芯片的热应力损坏； 三是材料要有足够的强度和刚度，对芯片起到支承和保护的作用；四是材料的成 本要尽可能低，以满足大规模商业化应用的要求。传统的金属及合金等散热材料 己经越来越难以适应现代先进集成电路技术的高速发展对封装的各项要求。天然石墨具有轻质、耐高温、耐腐蚀、抗热振性好和优良的热传导性能等， 是其他材料所不可比拟的。在理想的石墨晶体中层平面内的热导率和垂直该平面 方向的热导率完全不同(垂直于碳网平面的热导率仅为平行方向的1/400)，接近 完整结晶的石墨在层平面内的热导率可达2400 W/m《，是高导热金属材料铝、 铜、银的5 8倍多，而其质量仅为金属材料的1/6 1/2，且热膨胀系数比金属 材料低得多。由此可见，石墨材料作为散热器取代金属及合金具有巨大的优势。 目前采用的石墨大多为天然石墨或膨胀石墨经沥青粘结剂成型。美国专利 4, 963, 414提出"三明治"结构散热器，即中间部分为天然石墨和沥青的薄片， 上下为金属薄片，通过环氧树脂将上述三个薄片粘接而成，但存在材料强度较低 的问题。美国专利US 3140190是以石墨粉与一种陶瓷添加剂(硅化钼、硼化钛) 和液态碳质粘结剂混合来制备耐火材料。以天然石墨为原料制备的材料强度较
低，对于使用要求强度较高的结构石墨材料，通常认为不宜用天然石墨作为原料, 而采用石油焦、沥青焦等。
发明内容
本发明的百的在于提供一种以天然石墨代替焦炭制备高强度、高热导率的石 墨复合材料，工艺操作简单、操作方便、有利于制备特种高性能石墨复合材料的 一种天然石墨基复合材料的制备方法。
本发明的目的是这样实现的(1) 用有机溶剂将沥青溶解，加入填料，混合均匀，除去溶剂，破碎成小 颗粒制得粘接剂混合物；(2) 按重量百分比为天然石墨粉50 70%、掺杂催化石墨化组元2 20%、 粘结剂混合物22~35%的比例将上述原料均匀地混合，得到混合物；(3) 将混合物压制成型。
本发明还可以包括1、 所述填料的是碳纳米管、碳纤维和碳化硅纤维的一种或两种以上任何比 例的混合物，加入量为沥青重量的0.1~60%。
2、 所述的压制成型是将混合物在室温下，压力为10 80MPa下冷压成型， 在600 80(TC下炭化，再浸渍步骤1所述的粘结剂混合物，然后再在600 800 。C下炭化，炭化一浸渍循环几次后，在1000 300(TC下石墨化。
3、 所述的压制成型是将混合物在1400 3000'C温度、10 80MPa压力下热 压成型，恒温时间10 卯min。
4、 所述的掺杂组元是Ti粉、Si粉、Zr粉或Zr02粉末中的一种或两种以上 任何比例的混合物。
5、 所述的沥青是高软化点沥青，软化点为105 200'C。
本发明的方法与已有的技术相比具有如下优点1、以天然石墨为原料代替焦炭制备高强度、高热导率的石墨复合材料，其 抗弯强度均大于30MPa，热导率大于250W/m.K,而且成本显著降低。
2、 由于在原料中加入了具有增强作用的填料碳纳米管、碳纤维或者碳化硅纤 维，使得制备的石墨复合材料的强度显著提高。
3、 由于在原料中加入了催化石墨化组元，提高石墨复合材料的石墨化度，进
而提高其热导率。4、以天然石墨代替焦碳制备石墨复合材料，具有天然石墨本身的优良特征 如热稳定性好、较低的电阻率、挥发份和热膨胀系数。 3、本发明工艺操作简单，操作方便，有利于制备特种高性能石墨复合材料。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细地描述 实施例1以天然石墨为原料，添加量为70%，粘结剂为煤沥青，软化点为105'C，加 入填料是碳纳米管，含量为沥青重量的0.1%，粘结剂混合物的添加量为22%, 掺杂组元为Si粉，添加量为8%。将上述混合料混合均匀，在2400'C下，压力 为15MPa下热压成型，恒温时间30min。制备的复合材料的室温性能为抗弯 强度为40MPa，热导率为260W/m.K。实施例2以天然石墨为原料，添加量为60%，粘结剂为煤沥青，软化点为200'C，加 入填料是碳纳米管，含量为沥青重量的0.1%，粘结剂混合物的添加量为30%， 掺杂组元为Zr02粉，添加量为10%。将上述混合料混合均匀，在260(TC下，压 力为20MPa下热压成型，恒温时间40min。制备的复合材料的室温性能为抗 弯强度为38MPa，热导率为430 W/m.K。实施例3以天然石墨为原料，添加量为50%，粘结剂为煤沥青，软化点为120'C，加 入填料是碳纤维，含量为沥青重量的60%，粘结剂混合物的添加量为35%，掺 杂组元为Ti粉，添加量为15%。将上述混合料混合均匀，在280(TC下，压力为 50MPa下热压成型，恒温时间60min。制备的复合材料的室温性能为抗弯强度 为60MPa，热导率为350W/m.K。实施例4以天然石墨为原料，添加量为70%，粘结剂为煤沥青，软化点为106'C，加 入填料是碳纳米管，含量为沥青重量的2%,粘结剂混合物的添加量为22%，掺 杂组元为Si粉，添加量为8%。将上述混合料混合均匀，成型工艺采用常规工艺， 压力为40MPa下冷压成型，在80(TC下炭化，再经粘结剂混合物浸渍，然后再
在800'C下炭化，炭化一浸渍循环2次后，在2400'C下石墨化。制备的复合材料 的室温性能为抗弯强度为36MPa，热导率为250 W/m.K。 实施例5以天然石墨为原料，添加量为58%，粘结剂为石油沥青，软化点为150'C， 加入填料是碳化硅纤维，含量为沥青重量的10% ，粘结剂混合物的添加量为22%, 掺杂组元为Si粉，添加量为20%。将上述混合料混合均匀，成型工艺采用常规 工艺，压力为80MPa下冷压成型，在60(TC下炭化，再经粘结剂混合物浸渍， 然后再在800'C下炭化，炭化一浸渍循环4次后，在300(TC下石墨化。制备的复 合材料的室温性能为抗弯强度为30MPa，热导率为240W/m.K。实施例6以天然石墨为原料，添加量为70%，粘结剂为石油沥青，软化点为18(TC， 加入填料是碳纳米管，含量为沥青重量的30%，粘结剂混合物的添加量为28%， 掺杂组元为Ti粉，添加量为2%。将上述混合料混合均匀，成型工艺采用常规工 艺，压力为10 MPa下冷压成型，在80(TC下炭化，再经粘结剂混合物浸渍，然 后再在800'C下炭化，炭化一浸渍循环2次后，在240(TC下石墨化。制备的复合 材料的室温性能为抗弯强度为31MPa，热导率为270百/111乂。实施例7以天然石墨为原料，添加量为70%，粘结剂为煤沥青，软化点为106°C,加 入填料是碳纳米管，含量为沥青重量的2%，粘结剂混合物的添加量为22%,掺 杂组元为Si粉，添加量为8%。将上述混合料混合均匀，成型工艺采用常规工艺， 压力为60MPa下冷压成型，在800'C下炭化，再经粘结剂混合物浸渍，然后再 在800'C下炭化，炭化一浸渍循环5次后，在1000'C下石墨化。制备的复合材料 的室温性能为抗弯强度为32 MPa，热导率为260 W/m.K。实施例8以天然石墨为原料，添加量为70%，粘结剂为煤沥青，软化点为106'C，加 入填料是碳纤维，含量为沥青重量的40%，粘结剂混合物的添加量为22%，掺 杂组元为Ti粉，添加量为8%。将上述混合料混合均匀，成型工艺采,用常规工艺， 压力为40MPa下冷压成型，在80(TC下炭化，再经粘结剂混合物浸渍，然后再 在80(TC下炭化，炭化一浸渍循环2次后，在2600'C下石墨化。制备的复合材料 的室温性能为抗弯强度为38MPa,热导率为265 W/m.K。
权利要求
1、 一种天然石墨基复合材料的制备方法，其特征是(1) 用有机溶剂将沥青溶解，加入填料，混合均匀，除去溶剂，破碎成小 颗粒制得粘接剂混合物；(2) 按重量百分比为天然石墨粉50 70%、掺杂催化石墨化组元2 20%、 粘结剂混合物22 35%的比例将上述原料均匀地混合，得到混合物；(3) 将混合物压制成型。
2、 根据权利要求1所述的一种天然石墨基复合材料的制备方法，其特征是:所述的填料是碳纳米管、碳纤维和碳化硅纤维的一种或两种以上任何比例的混合物，加入量为沥青重量的0.1~60%。
3、 根据权利要求1所述的一种天然石墨基复合材料的制备方法，其特征是: 所述的掺杂组元是Ti粉、Si粉、Zr粉或Zr02粉末中的一种或两种以上任何比 例的混合物。
4、 根据权利要求1所述的一种天然石墨基复合材料的制备方法，其特征是: 所述的沥青是高软化点沥青，软化点为105 20(TC。
5、 根据权利要求l-4任何一项所述的一种天然石墨基复合材料的制备方法， 其特征是所述的压制成型是将混合物在室温下，压力为10 80MPa下冷压成 型，在600 80(TC下炭化，再浸渍步骤1所述的粘结剂混合物，然后再在600 80(TC下炭化，炭化一浸渍循环几次后，在1000 3000'C下石墨化。
6、 根据权利要求l-4任何一项所述的一种天然石墨基复合材料的制备方法, 其特征是所述的压制成型是将混合物在1400 300(TC温度、10 80MPa压力 下热压成型，恒温时间10 90min。
全文摘要
本发明提供的是一种天然石墨基复合材料的制备方法。用有机溶剂将沥青溶解，加入填料，混合均匀，除去溶剂，破碎成小颗粒制得粘接剂混合物；按重量百分比为天然石墨粉50～70％、掺杂催化石墨化组元2～20％、粘结剂混合物22～35％的比例将上述原料均匀地混合，得到混合物；将混合物通过常规工艺或热压工艺制备高强度、高热导率的石墨基复合材料。本发明的优点体现在由于在原料中加入了具有增强作用的填料碳纳米管、碳纤维或者碳化硅纤维，使得制备的石墨复合材料的强度显著提高，同时原料中加入的催化石墨化组元，可以提高石墨复合材料的石墨化度，进而提高其热导率。因此可以天然石墨为原料代替焦炭制备高强度、高热导率的石墨复合材料，其抗弯强度均大于30MPa，热导率大于250W/m.K，而且成本显著降低。
文档编号C08K3/04GK101121823SQ20071007262
公开日2008年2月13日 申请日期2007年8月7日 优先权日2007年8月7日
发明者范壮军, 彤 魏 申请人:哈尔滨工程大学