一种铜镶嵌于石墨烯基复合材料基板内的热结构及其制备方法与流程

本发明属于材料结构设计技术领域，涉及一种铜镶嵌于石墨烯基复合材料基板内的热结构及其制备方法。

背景技术

21世纪led及相关产业在世界各地都得到长足的发展，据调查到2020年，全球led市场规模将达到1500亿美元左右。led具有体积小、耗电量低、发光效率高、使用寿命长并且绿色环保等优势，故也得到我国政府的大力支持。led行业在我国20世纪70年代起步，经过近几十年飞速发展，市场规模不断扩大。据研究所调查数据显示，2015年中国led行业总规模达到3967亿元，同比增长15.1%。但是，随着电子信息产品不断微型化和电子技术的发展，led电子产品不断对其芯片电子高速、高频运行等性能提出更高的要求，然而内部芯片电子元件在高负荷工作情况下不断产生热量，产生的热量不能及时散失出去会导致led芯片结点温度不断升高，从而严重影响了产品的使用寿命，还可能导致光衰等问题。根据有效数据表明，当led温度由室温25℃升高至100℃时，将会导致光输出效率衰减50%，使用寿命缩短60%左右。因此，散热问题成了制约led电子产品发展的重要瓶颈。因此，对于散热材料的研究日益引起科学家的关注，传统的散热材料—金属、人造石墨、热管等存在密度大、热导率低、热辐射系数低等缺点，已经不能满足电子产品对散热材料和散热结构的要求。

石墨烯是二维晶体材料，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。如何利用石墨烯的热学性能成为科学家们研的重点。其中一个战略就是将石墨烯组装成宏观材料，充分发挥石墨烯纳观尺度的热学性能，实现从纳观尺度到宏观尺度的跨越。

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石墨烯层的方向热导率非常低，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。

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导热能力的问题，本发明提供了一种铜镶嵌于石墨烯基复合材料基板内的热结构及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种铜镶嵌于石墨烯基复合材料基板内的热结构，包括石墨烯基复合材料基板和高导热铜块体，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；

所述高导热铜块体镶嵌在石墨烯基复合材料基板的孔中。

本发明中，所述孔的高度和基板的厚度相同；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，所述高导热铜块体的高度和石墨烯基复合材料基板的厚度相同。

本发明中，所述高导热铜块体可以是纯铜，也可以是高导热的铜合金。

本发明中，所述高导热铜块体和石墨烯基复合材料基板上的孔的形状保持一致，可以是长方体，也可以是其他任意形状的多面体；侧截面可以是长方形，也可以是梯形。

本发明中，所述高导热铜块体的数量与孔的数量一致。

一种上述热结构的制备方法，包括如下步骤：

1）在石墨烯基复合材料基板上打孔；

2）制备高导热铜块体，其中：所述铜块体的加工方式采取先线切割再抛光的方式；铜块体的每个表面留有0.1~0.3mm的余量，进行表面抛光处理；

3）用钎焊的方式将步骤2）得到的高导热铜块体镶嵌在步骤1）石墨烯基复合材料基板上的孔中，得到高导热的散热结构，其中：

所述钎焊的具体步骤为：采用agcuti焊膏作为钎料，将其涂在石墨烯基复合材料基板的孔表面，然后将步骤2）得到的铜块体和基板组合在一起，放入石墨模具中，之后放入钎焊炉，等钎焊炉的真空度达到10^-3pa，开始升温进行钎焊；

所述钎焊升温过程为：以10~20℃/min升温速度升温至300~400℃，保温10~30min；以20~30℃/min继续升温至700~800℃，保温10~30min；然后以5~15℃/min升温至钎焊温度840~860℃，保温10~30min；钎焊结束后降温至室温后将样品取出。

上述步骤1）、步骤2）没有先后顺序。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明的热结构应用范围较广，可以和其他散热材料和结构进行组装使用，如：和散热鳍片结合，组装成散热器使用；也可以单独使用，如：作为均热板使用；也可以作为热源和辅助散热装置的连接结构；在不同的应用场合有不同的几何形状和尺寸要求，可以利用机械加工和组合设计不同的散热结构。

2、本发明的热结构结构简单，纵向高导热块体可以很好的将热源的热量沿高定向石墨烯材料的面外方向传导，结合高定向材料优异的面内导热性能，可以将热量快速的扩散，解决了纵向导热能力差的难题。

3、因为石墨烯散热材料的面内热导率高（高达~1500wm^-1k^-1）且密度非常低（1.5~2.0g/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传输到石墨烯散热体上，这样就限制了石墨烯散热材料轻质高导热的优势发挥（如图1（a））。而通过本发明可以将热量很好的传递到石墨烯散热体上（如图1（b）），可以很好的发挥这种高定向石墨烯散热片的优势，大大扩大了高定向石墨烯基散热材料的应用范围，为其替代现有的密度大且导热能力差的金属均温板奠定了基础。

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为本发明高定向石墨烯和铜块热结构的组装示意图；

图3为实施例1高定向石墨烯和铜块热结构的爆炸示意图；

图4为实施例1整体组装示意图；

图5为实施例1整体爆炸示意图；

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-导热铜块，6-高定向石墨烯基板和铜快的整体组装结构，7-打孔后的石墨烯基板，8-本发明组装的散热器安装在pcb板上的整体结构，9-螺钉，10-本发明组装的散热器整体结构，11-pcb板。

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纯铜镶嵌于石墨烯基复合材料基板内的热结构的制备方法，具体实施步骤如下：

1）选择厚度为4.5mm的高定向石墨烯基复合材料作为散热基板，该复合材料是石墨烯和少量的银组成的复合材料，其中银的体积分数是5%，石墨烯在内部沿xy面定向排布。该石墨烯散热板的长度和宽度分别是200mm和165mm。如图3所示，利用数控机床在石墨烯板的中间位置加工一个通孔，通孔的横截面为正方形，侧截面为梯形，孔的上表面尺寸为40×40mm，下表面尺寸为20×20mm。该高定向石墨烯散热片的平面热导率为1400~1500wm^-1k^-1，纵向热导率为5~10wm^-1k^-1。

2）制备尺寸为上下面尺寸分别为39.8×39.8mm、19.8×19.8mm；高为4.5mm的导热铜块。先用线切割的方式加工出基本的形状，再对每个表面进行抛光，得到纯铜块。

3）石墨烯基板和铜块焊接。采用agcuti焊膏铜块体和基板组合在一起，放入石墨模具中，之后放入钎焊炉，等钎焊炉的真空度达到10^-3pa，开始升温进行钎焊。钎焊过程是：以15℃/min升温速度升温至350℃，保温10min；以25℃/min继续升温至750℃，保温20min；然后以10℃/min升温至钎焊温度840℃,保温30min；钎焊结束后降温至室温后将样品取出，即得到铜镶嵌于石墨烯基复合材料基板内的热结构。

将金属铝鳍片和上述得到的铜/石墨烯散热结构焊接成散热器，如图5所示。用螺钉将焊接好的散热器安装再pcb板上。其中，铜块在热源的正上方位置，且铜块面积较大的下表面和热源接触，整体结构和爆炸组装图如图4和图5所示。热源的产热功率是250w。

该组装结构在250w的热源上，温度稳定之后，热源的温度是74.4℃。而运用同样的工艺，用整个的纯铜板代替本实施例中的高定向石墨烯散热板和铜块组合结构，得到的散热器，在同等实验条件下，热源的温度是79.6℃，本发明的温度降低5.2℃；用单纯高定向石墨烯板组成的散热器，热源温度是95.5℃，相比来说，本发明的温度降低了11.1℃，即散热效果提高12%左右。而且其重量远远低于纯金属的散热器。对于电子器件来说，温度每降低0.5℃都是很大的进步，所以本发明对于电子器件的降温来说，是质的飞跃。

实施例2：

本实施例和实施例1的区别在于：

1、选取的石墨烯基复合材料基板是石墨烯和5v%碳纳米管的复合材料，该石墨烯复合材料散热片的平面热导率为~1300wm^-1k^-1，纵向热导率为~10wm^-1k^-1。

2、步骤3）的焊接。本实施例的焊接过程是：以10℃/min升温速度升温至300℃，保温30min；以20℃/min继续升温至700℃，保温30min；然后以5℃/min升温至860℃，保温10min，钎焊结束后降温至室温后将样品取出，得到铜镶嵌于石墨烯基板的散热结构。

散热器的组装结构及其他条件和实施例1相同。

将该散热器放在热源上，温度稳定之后，热源的温度是74.8℃。

实施例3：

本实施例提供了一种铜合金镶嵌于石墨烯基复合材料基板内的热结构的制备方法，具体实施步骤如下：

1）选择厚度为4.5mm的高定向石墨烯基复合材料作为散热基板，该复合材料是石墨烯和少量的铜组成的复合材料，其中铜的体积分数是5%，石墨烯在内部沿xy面定向排布。该石墨烯散热板的长度和宽度分别是200mm和165mm。如图3所示，利用数控机床在石墨烯板的中间位置加工一个通孔，通孔的横截面为正方形，侧截面为梯形，孔的上表面尺寸为40×40mm，下表面尺寸为20×20mm。该高定向石墨烯散热片的平面热导率为~1300wm^-1k^-1，纵向热导率为5~10wm^-1k^-1。

2）制备尺寸为上下面尺寸分别为39.8×39.8mm、19.8×19.8mm；高为4.5mm的导热铜合金，该铜合金是含有0.8%银的铜银合金。先用线切割的方式加工出基本的形状，再对每个表面进行抛光。

3）石墨烯基板和铜块焊接。采用agcuti焊膏铜块体和基板组合在一起，放入石墨模具中，之后放入钎焊炉，等钎焊炉的真空度达到10^-3pa，开始升温进行钎焊。钎焊过程是：以20℃/min升温速度升温至400℃，保温10min；以30℃/min继续升温至800℃，保温10min；然后以15℃/min升温至钎焊温度850℃,保温20min；钎焊结束后降温至室温后将样品取出，即得到铜镶嵌于石墨烯基复合材料基板内的热结构。

采用和实施例1相同的方法组成散热器，进行散热效果测试，结果：温度稳定之后，热源的温度是73.6℃。比纯铜的散热器温度降低6℃。

通过以上的实施例可知，即使石墨烯散热片的平面热导率高达~1500wm^-1k^-1，约是纯铜热导率4倍左右；但是由于其纵向导热率非常低，热源上的温度不能很好的传递到散热器上，所以其散热效果远远低于纯铜。而本发明很好的解决了该问题，散热效果提高了12%左右。而且本发明的重量小，大大扩展了高定向石墨烯材料在散热领域的应用，所以本发明作为散热材料优势突出。