本发明属于材料结构设计技术领域，涉及一种石墨烯基复合材料基板内镶嵌铝合金的导热结构及其制造方法。
背景技术
随着器件微型化和多功能化的需求增长，电子器件的高度集成化已经成为其发展的主流趋势。这也导致了器件的功率密度越来越大，相应的产生的热量越来越多，如果不及时将这些热量散失出去，会使器件的温度逐渐升高，从而对其可靠性和使用寿命产生重要的影响，尤其是在航空航天和国防领域。深空探测器、各种卫星、核反应堆、飞行器、激光武器、导弹等武器装备均需要高效率的散热材料和结构。比如，将核能应用于航天器是未来的发展趋势，核能具有体积小、重量轻、能量密度大等优势，但是目前来说，核能的热电转换效率不高，即使采用比较先进的结构设计，其热电转换也只能达到19%左右。在深空环境下，其余的热量只能通过热传导与向太空热辐射的方式散去。在武器装备方面，高能激光武器等瞬时、大热量散热系统轻量化问题制约战术机动性，芯片内极高热流密度热点难题制约未来装备微系统发展，武器装备发展对散热技术的需求迫切。以美国空军为代表的武器装备中，热管理技术已经系统性布局考虑。在航空航天领域，要求散热材料或者结构不但具有高导热和高辐射，而且兼顾轻质和良好的机械性能。
传统的散热材料和结构如金属、石墨、热管等，要么就是密度太大，要么就是热导率太低，存在“一重两低”（密度大、热导率低、热辐射系数低）的瓶颈问题，已经不能满足武器装备的发展需要。而石墨烯是具有超高热导率的二维晶体材料，具有完美晶格的单层石墨烯面内热导率高达~5300w/（m·k），给新一代散热材料的研制提供了难得的机遇。实现石墨烯从纳观尺度到宏观性能的跨越是解决散热难题的一个可行的途径。
石墨烯本身是高度各向异性的材料，其面外热导率不到10w/（m·k），目前制备的石墨烯基散热材料基本都是石墨烯定向排布的材料，因为只有这样才能减小界面热阻，充分发挥石墨烯优异的面内导热性能。然而，这种定向排布结构同时导致了石墨烯基散热材料沿垂直于定向排布的方向热导率非常低（1~30w/m·k），这种高度各向异性的导热性能，限制了热量在三维方向的传导，进而无法发挥这类材料高面内热导率的优势。因此，要想打破石墨烯类散热材料的应用瓶颈必须找到提高垂直方向散热能力的方法。
技术实现要素：
为了解决上述石墨烯基散热材料纵向导热能力低限制其综合散热能力的问题，本发明提供了一种石墨烯基复合材料基板内镶嵌铝合金的导热结构及其制造方法，可以大大提高石墨烯基复合材料基板的纵向导热效率，从而提高其整体的散热效率。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种石墨烯基复合材料基板内镶嵌铝合金的导热结构，包括石墨烯基复合材料基板和铝块体，其中：
所述石墨烯基复合材料基板纵向打孔，所述孔的位置在石墨烯基复合材料基板和热源的接触点上；
所述铝块体镶嵌在石墨烯基复合材料基板的孔内。
本发明中，所述孔的高度和基板的厚度相同；孔的侧截面为梯形；孔的尺寸和数量根据热源的尺寸和数量确定，孔的数量可以是一个，也可以是多个；打孔方式是cnc加工。
本发明中，所述石墨烯基复合材料为以石墨烯为基体且石墨烯在材料内部沿石墨烯片层方向（xy平面）定向排列的三维材料。
本发明中，所述铝块体可以是纯铝块体，也可以是加入少量其他元素的铝合金块体；铝块体的侧截面为梯形，高度方向和石墨烯基复合材料基板的厚度相同，数量与孔的数量一致。
一种上述导热结构的制造方法，包括如下步骤：
1）在石墨烯基复合材料上纵向打孔，具体步骤如下：
利用数控机床或者激光切割的方式，在石墨烯基复合材料基板上纵向打孔。
2）制备铝块体，具体步骤如下：
利用数控机床制备铝块体，其中：铝块体的加工方式采取先线切割再抛光的方式；铝块体的每个表面留有0.1~0.3mm的余量，进行表面抛光处理；铝块体的上下底面边长比步骤1）所述的孔小0.3~0.5mm，作为焊缝的余量。
3）表面金属化：将步骤1）得到的石墨烯基复合材料孔表面进行表面金属化，具体步骤如下：
a、用电子天平称取适量的cr粉末和snagcu共晶粉末，混合成cr质量分数为7~11%的sn0.3ag0.7cu-x%cr金属化粉末，然后将金属化粉末放入球磨机中，以80~100r/min的速度球磨8~12h，得到混合金属粉末；b、将粘结剂和sn0.3ag0.7cu-x%cr金属粉末以1：1~1：2的体积比混合，然后涂在石墨烯基复合材料基板的孔表面，之后在金属粉末表面粘接一层20~50μm的铜箔，之后在孔中间放入石墨模具，给模具一定的压力，使铜箔和金属化粉末以及基板的孔表面产生紧密的结合；c、之后放入真空钎焊炉进行金属化，金属化的工艺为：当真空度达到10-3pa之后，以10~30℃/min的升温速度升到400~600℃，之后以5~15℃/min的速率升到指定的金属化温度，在940~960℃保温20~30min；d、保温结束后以5~15℃/min的速率降温，降至400~600℃后随炉冷却。
4）电镀：将步骤2）得到的表面抛光后的铝块体进行表面镀铜，镀层的厚度为4~5μm。
5）焊接：将步骤4）得到的镀铜铝块体镶嵌在步骤3）得到的表面金属化的石墨烯基复合材料基板的孔中，得到石墨烯材料基板内镶嵌铝合金的导热结构，具体步骤如下：
将步骤4）得到的镀铜铝块体利用焊接的技术镶嵌在步骤3）所述的石墨烯基复合材料基板的孔洞中，采用的焊料为sn0.3ag0.7cu焊膏，焊接设备为真空钎焊炉；焊接前用丙酮清洁焊接体的表面，焊接的工艺为：当真空度达到10-3pa之后，以10~20℃/min的升温速率升温到150~250℃，继续以5~10℃/min的速率升温至300~350℃，保温5~15min，保温结束后随炉降温至室温，即得到石墨烯材料基板内镶嵌铝合金的导热结构。
上述各个步骤顺序可以改变。
本发明具有如下有益效果：
1、因为石墨烯基散热材料的面内热导率高（高达~1500wm-1k-1）且密度非常低（1.5~2.1g/cm3），这在散热材料方面有绝对的优势。但是其纵向导热率低，使得热量很难从热源沿纵向传输到石墨烯散热体上（如图1（a）所示），这样就限制了石墨烯散热材料轻质高导热的优势发挥。而通过本发明的方法可以将热量从热源快速传出到铝合金上，然后再由热导率较高的铝合金传输到石墨烯散热体上，使热量沿石墨烯材料的面内方向传导，充分发挥这种高定向石墨烯散热片的优势（如图1（b）所示），大大扩大了高定向石墨烯基散热材料的应用范围；而且整个结构铝合金体积较小，相比于铜等高导热的金属材料，密度也较低，满足航天航空领域的应用要求。
2、本发明选择楔形的铝合金，可以增加铝合金和石墨烯基板的接触面积，从而有效得提高热传输效率。
3、石墨烯材料和铝合金的润湿性差而且热物性能相差很大，导致石墨烯和铝合金焊接后的残余应力很大，所以石墨烯和铝材料很难实现直接焊接。本发明通过石墨烯材料的表面金属化，将活性元素cr分布在焊接层表面，其中cr和石墨烯材料可以发生反应，生成碳化铬，这样有利于提高焊接强度，同时将铝合金表面进行镀铜之后，将石墨烯和铝合金的焊接转化为铜和铜之间的焊接，解决了石墨烯和铝的焊接难题。
4、针对导热性能各向异性的材料，本发明可以作为一种提高其综合导热能力的通用方法。
附图说明
图1为本发明提高综合导热能力的示意图，（a）石墨烯基复合材料基板的导热过程示意图，（b）本发明的导热过程示意图；
图2为本发明石墨烯材料基板内镶嵌铝合金的导热结构的结构示意图；
图3为实施例1测试过程中样品上的温度分布，（a）石墨烯基板内镶嵌铝合金的结构，（b）纯石墨烯基板；
图中：1-石墨烯基复合材料基板，2-石墨烯片层，3-热源，4-热流，5-铝或铝合金。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1：
本实施例提供了一种石墨烯基复合材料基板内镶嵌铝合金的制造方法，具体实施步骤如下：
1）选择一块面积为200×150mm、厚度为10mm的石墨烯基复合材料，该复合材料中石墨烯占90v%，铜占10v%，石墨烯沿xy平面方向定向排布，且基板的平面热导率为~1200w/（m.k），垂直方向热导率为~5w/（m.k）。利用数控机床和铣刀，在石墨烯基复合材料基板上打一个侧截面为梯形的通孔，孔的高度和基板的厚度相同，孔上表面的尺寸为15×15mm，下表面的尺寸为20×20mm，孔的位置在石墨烯基板的正中位置。
2）制备铝合金块体：选用6061铝材，利用数控机床线切割的工艺制备铝合金块体，铝合金每个表面留有0.1mm的余量，进行表面抛光处理。铝合金的尺寸为：高度为10mm，上表面的边长为14.7×14.7mm，下表面的边长为19.7×19.7mm，下表面和热源接触。
3）表面金属化：用电子天平称取适量的cr粉末和snagcu共晶粉末，混合成cr质量分数为7%的sn0.3ag0.7cu-7%cr金属化粉末，然后将金属化粉末放入球磨机中，以80r/min的速度球磨8h，得到混合金属粉末。将粘结剂和sn0.3ag0.7cu-7%cr金属粉末以1：1体积比混合，然后涂在石墨烯基板的孔表面，之后在金属粉末表面粘接一层20μm的铜箔，之后在孔中间放入石墨模具，给模具一定的压力，使铜箔和金属化粉末以及基板的孔表面产生紧密的结合。之后放入真空钎焊炉进行金属化，当真空度达到10-3pa之后，以10℃/min的升温速度升到400℃，之后以5℃/min升到940℃，保温30min。保温结束后以5℃/min的速率降温，降至600℃后随炉冷却。
4）电镀：将表面抛光后得到的铝合金进行表面镀铜，镀层的厚度为4~5μm。
5）焊接：镀铜铝合金利用焊接的技术镶嵌在石墨烯基复合材料的孔洞中，采用的焊料为sn0.3ag0.7cu焊膏，焊接设备是真空钎焊炉。焊接前用丙酮清洁焊接体的表面，焊接的工艺是：当真空度达到10-3pa之后，以10℃/min的升温速率升温到250℃，继续以5℃/min的速率升温至300℃，保温15min，保温结束后随炉降温至室温，即得到一种石墨烯材料基板内镶嵌铝合金的导热结构。
图1给出了本发明提高整体导热能力的原理，对于定向结构的石墨烯基板（图1（a）），纵向热导率低导致热流很难在纵向传导；本发明的结构通过高导热的铝（图1（b）），使热量快速传导到纵向方向，从而充分发挥石墨烯基板的超高面内导热能力。
将本实施例制备的导热结构作为均热板放在250w的热源上，热源和铝合金接触，在风冷测试平台上进行实际散热效果的测试，样品上的温度分布如图3所示。结果表明，本发明可以使热源的温度降低至76.1℃，样品上的温度差在15.2℃左右。而运用同样的工艺，用单纯的石墨烯板作为均温板，热源温度是94.6℃，样品上温度差在30.8℃左右。相比来说，本发明的使热源的温度降低了15.6℃，并且有更好的均温效果。而且本发明还具有质轻的优势。因此，本发明在航空航天领域有巨大的应用前景。
实施例2：
本实施例提供了一种石墨烯基复合材料基板内镶嵌铝合金的制造方法，具体实施步骤如下：
1）选择一块面积为200×150mm、厚度为10mm的石墨烯复合材料基板，该材料含有15v%铜，其余是石墨烯，石墨烯沿xy平面方向定向排布，且基板的平面热导率为~1100w/（m.k），垂直方向热导率为~5~7w/（m.k）。利用数控机床和铣刀，在石墨烯基复合材料基板上打两个侧截面为梯形的孔，孔的高度和基板的厚度相同，其中一个孔上表面的尺寸为15×15mm，下表面的尺寸为20×20mm，另一个孔的上表面尺寸为10×10mm，下表面的尺寸为25×25mm。
2）制备铝合金块体：选择6061铝材，利用数控机床线切割的工艺制备铝合金块体，铝合金每个表面留有0.1mm的余量，进行表面抛光处理。两个铝合金块体的尺寸分别为：（1）高度为10mm，上表面的边长为14.7×14.7mm，下表面的边长为19.7×19.7mm，（2）高度为10mm，上表面的边长为9.7×9.7mm，下表面的边长为24.7×24.7mm，均是下表面和热源接触。
3）表面金属化：用电子天平称取适量的cr粉末和snagcu共晶粉末，混合成cr质量分数为11%的sn0.3ag0.7cu-11%cr金属化粉末，然后将金属化粉末放入球磨机中，以80r/min的速度球磨10h，得到混合金属粉末。将粘结剂和sn0.3ag0.7cu-11%cr金属粉末以1：1.5的体积比混合，然后涂在石墨烯基板的孔表面，之后在金属粉末表面粘接一层50μm的铜箔，之后在孔中间放入石墨模具，给模具一定的压力，使铜箔和金属化粉末以及基板的孔表面产生紧密的结合。之后放入真空钎焊炉进行金属化，当真空度达到10-3pa之后，以30℃/min的升温速度升到400℃，之后以15℃/min升到960℃，保温20min。保温结束后以15℃/min的速率降温，降至400℃后随炉冷却。
4）电镀：将表面抛光后得到的铝合金进行表面镀铜，镀层的厚度为4~5μm。
5）焊接：镀铜铝合金利用焊接的技术镶嵌在石墨烯基复合材料的孔洞中，采用的焊料为sn0.3ag0.7cu焊膏，焊接设备为真空钎焊炉。焊接前用丙酮清洁焊接体的表面，焊接的工艺为：当真空度达到10-3pa之后，以20℃/min的升温速率升温到150℃，继续以10℃/min的速率升温至350℃，保温5min，保温结束后随炉降温至室温，即得到一种石墨烯材料基板内镶嵌铝合金的导热结构。
和实施例1采用相同的实验装置验证散热结果，两个热源的功率都是250w。结果表明，本实施例得到的导热结构可以使热源的温度降低至77.1℃。而运用同样的工艺，用单纯的石墨烯板作为均温板，热源温度是96.2℃，相比来说，本发明的温度降低了19.1℃。用纯铝板作为代替本发明，热源的温度是86.5℃。从以上结果可以看出，本发明的散热效果远远优于纯石墨烯材料和纯铝，而且本发明还具有质轻的优势。因此，本发明在航空航天领域有巨大的应用前景。
实施例3：
本实施例提供了一种石墨烯基复合材料基板内镶嵌铝合金的制造方法，具体实施步骤如下：
1）选择一块面积为200×200mm、厚度为5mm的石墨烯/碳复合材料基板，其中石墨烯体积分数是90%，碳纳米管体积含量是10%，石墨烯沿xy平面方向定向排布，且基板的平面热导率为~1300w/（m.k），垂直方向热导率为~3~6w/（m.k）。利用数控机床和铣刀，在石墨烯基复合材料基板上打侧截面为梯形的通孔，孔上表面的尺寸为15×15mm，下表面的尺寸为20×20mm。
2）制备铝合金块体：选择6061铝材，利用数控机床线切割的工艺制备铝合金块体，铝合金每个表面留有0.1mm的余量，进行表面抛光处理。铝合金块体的尺寸为：高度为5mm，上表面的边长为14.7×14.7mm，下表面的边长为19.7×19.7mm，下表面和热源接触。
3）表面金属化：用电子天平称取适量的cr粉末和snagcu共晶粉末，混合成cr质量分数为9%的sn0.3ag0.7cu-9%cr金属化粉末，然后将金属化粉末放入球磨机中，以80r/min的速度球磨10h，得到混合金属粉末。将粘结剂和sn0.3ag0.7cu-9%cr金属粉末以体积比1：2混合，然后涂在石墨烯基板的孔表面，之后在金属粉末表面粘接一层35μm的铜箔，之后在孔中间放入石墨模具，给模具一定的压力，使铜箔和金属化粉末以及基板的孔表面产生紧密的结合。之后放入真空钎焊炉进行金属化，当真空度达到10-3pa之后，以20℃/min的升温速度升到500℃，之后以10℃/min升到950℃，保温25min。保温结束后以10℃/min的速率降温，降至500℃后随炉冷却。
4）电镀：将表面抛光后得到的铝合金进行表面镀铜，镀层的厚度是4~5μm。
5）焊接：镀铜铝合金利用焊接的技术镶嵌在石墨烯基复合材料的孔洞中，采用的焊料为sn0.3ag0.7cu焊膏，焊接设备为真空钎焊炉。焊接前用丙酮清洁焊接体的表面，焊接的工艺是：当真空度达到10-3pa之后，以15℃/min的升温速率升温到200℃，继续以5℃/min的速率升温至325℃，保温10min，保温结束后随炉降温至室温，即得到一种石墨烯材料基板内镶嵌铝合金的导热结构。
本实施例制备的导热结构进行散热效果验证。结果表明，本实施例得到的导热结构可以使热源的温度降低至80.3℃。而运用同样的工艺，用单纯的石墨烯板作为均温板，热源温度是98.9℃，相比来说，本发明的温度降低了18.6℃。
实施例4：
本实施例提供了一种石墨烯基复合材料基板内镶嵌铝合金的制造方法，具体实施步骤如下：
1）选择一块面积为200×150mm、厚度为10mm的石墨烯基复合材料基板，其中添加10%体积分数的铜，石墨烯沿xy平面方向定向排布，且基板的平面热导率为~1200w/（m.k），垂直方向热导率为~5w/（m.k）。利用数控机床和铣刀，在石墨烯基复合材料基板上打一个侧截面为梯形的通孔，孔的高度和基板的厚度相同，孔上表面的尺寸为15×15mm，下表面的尺寸为20×20mm，孔的位置在石墨烯基板的正中位置。
2）制备铝合金块体：选用纯铝材料，利用数控机床线切割的工艺制备铝合金块体，铝合金每个表面留有0.1mm的余量，进行表面抛光处理。铝合金的尺寸为：高度为10mm，上表面的边长为14.7×14.7mm，下表面的边长为19.7×19.7mm，下表面和热源接触。
3）表面金属化：用电子天平称取适量的cr粉末和snagcu共晶粉末，混合成cr质量分数为7%的sn0.3ag0.7cu-7%cr金属化粉末，然后将金属化粉末放入球磨机中，以100r/min的速度球磨8h，得到混合金属粉末。将粘结剂和sn0.3ag0.7cu-7%cr金属粉末以1：1.5体积比混合，然后涂在石墨烯基板的孔表面，之后在金属粉末表面粘接一层20μm的铜箔，之后在孔中间放入石墨模具，给模具一定的压力，使铜箔和金属化粉末以及基板的孔表面产生紧密的结合。之后放入真空钎焊炉进行金属化，当真空度达到10-3pa之后，以10℃/min的升温速度升到600℃，之后以10℃/min升到940℃，保温30min。保温结束后以15℃/min的速率降温，降至600℃后随炉冷却。
4）电镀：将表面抛光后得到的铝合金进行表面镀铜，镀层的厚度为4~5μm。
5）焊接：镀铜铝合金利用焊接的技术镶嵌在石墨烯基复合材料的孔洞中，采用的焊料为sn0.3ag0.7cu焊膏，焊接设备是真空钎焊炉。焊接前用丙酮清洁焊接体的表面，焊接的工艺是：当真空度达到10-3pa之后，以20℃/min的升温速率升温到150℃，继续以10℃/min的速率升温至300℃，保温15min，保温结束后随炉降温至室温，即得到一种石墨烯材料基板内镶嵌纯铝的导热结构。
进行导热测试，结果表明，本发明可以使热源的温度降低至72.0℃，样品上的温度差在12.1℃左右。本发明的使热源的温度降低了18.7℃，均温效果更好。