一种增强纵向导热系数的铝-石墨铝复合材料构型的制作方法

[0001]
本发明属于复合材料技术领域，具体为一种增强纵向导热系数的铝-石墨铝复合材料构型。


背景技术：

[0002]
随着电子的功能及性能的提升，电子设备的散热问题也越来越突出，传统的普通铝合金为基材的电子器件盒体已不能满足高热耗电子设备的热传导需求，铝合金有限的热传导能力已成为电子设备散热技术的瓶颈。针对普通铝合金的热传导能力的不足，已有越来越多的高导热能力新材料涌现而出，石墨铝是其中一种性能非常好的新材料。
[0003]
石墨铝是一种将高导热的石墨充分混入熔融状态的铝合金形成的复合材料，具有非常好的热传导能力。由于微观上石墨是以一定长度的石墨链条的状态混合进铝合金的，因此石墨铝沿空间不同方向的导热能力是不同的，沿石墨链条长度方向上的导热率会显著高于其他方向。宏观上，石墨铝在水平方向上的导热率可以高达 700～1000w/m
·
k，但是在纵向的导热率只有30～50w/m
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k，远低于普通铝合金沿三个空间方向均匀的导热系数120～180w/m
·
k。对于需要纵向热传导的应用场景，石墨铝的应用就会受到严重的制约。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的在于提供一种增强纵向导热系数的铝-石墨铝复合材料构型，利用该材料构型，可以在不影响水平导热率的前提下大幅提升复合材料的纵向导热系数，拓展材料的应用边界。
[0005]
本发明目的通过以下技术方案来实现：
[0006]
一种增强纵向导热系数的铝-石墨铝复合材料构型，包括上层铝包覆层，复合型石墨铝功能层以及下层铝包覆层，三层之间采用冶金方法熔合在一起；所述复合型石墨铝功能层包括石墨铝层以及镶嵌在石墨铝层中的导热柱，所述导热柱为多个，且导热柱的材料与上层铝包覆层和下层铝包覆层的材料一致。
[0007]
本发明复合材料构型中，上层铝包覆层和下层铝包覆层的厚度在满足材料层间强度需求的前提下尽可能的薄，以减小铝合金对高导热石墨铝的影响；复合型石墨铝功能层是以石墨铝为主，且复合有纵向高导热结构(导热柱)的导热功能层，其中石墨铝沿横向具有高导热特性，导热柱是沿各向都具有相同的导热特性；复合型石墨铝功能层的厚度根据使用场景的需要而设计，三层之间采用冶金方法熔合在一起，以减小各层间的热阻。
[0008]
本发明复合材料构型采用现有的常规制备方法即可，只要能实现本申请所述的构型，在石墨铝层中嵌入导热柱，并形成和上层铝包覆层，下层铝包覆层的构型结构即可，这对于本领域技术人员来说是常规的，采用本领域的常规技术即可实现。
[0009]
本发明铝-石墨铝复合材料构型的传热原理：微观维度上，由于石墨铝的横向导热系数远高于普通铝合金，因此在横向平面内，热量可以在石墨铝快速传导。在纵向，石墨铝的导热系数约为普通铝合金的1/4～1/5，因此在大量热量通过导热柱沿纵向传导。在宏观
上，由于大部分热量在横向上沿石墨铝传导，纵向上沿导热柱传导。对于材料整体而言，其横向导热系数与石墨铝接近，纵向导热系数与导热柱接近，与单独的石墨铝相比，整个复合材料的纵向导热系数得到大辐增强，而横向导热系数基本不变，因此本发明构型为增强纵向导热系数的铝-石墨铝复合材料的构型。
[0010]
进一步，所述上层铝包覆层、下层铝包覆层以及导热柱的材质为铝合金。具体地，为了更好的提高材料间热应力以及生产加工特性，导热柱与上层铝包覆层和下层铝包覆层保持材料一致。
[0011]
进一步，所述导热柱的截面形状为圆形，四边形或六边形中的一种或几种。
[0012]
进一步，所述导热柱呈阵列排布，相邻两个导热柱之间的间距为2-8mm。
[0013]
进一步，所述上层铝包覆层为贴近热源的一层，所述下层铝包覆层为贴近热沉的一层。
[0014]
进一步，所述上层铝包覆层和下层铝包覆层的厚度为0.2-1.5mm，所述石墨铝层和导热柱的厚度为1-4mm。
[0015]
一种增强纵向导热系数的铝-石墨铝复合材料构型，从上到下包括上层铝合金层，复合型石墨铝功能层以及下层铝合金层，三层之间采用冶金方法熔合在一起；所述复合型石墨铝功能层包括石墨铝层以及镶嵌在石墨铝层中的若干个导热柱。
[0016]
一种增强纵向导热系数的铝-石墨铝复合材料构型，从上至下包括上层铝合金层，复合型石墨铝功能层以及下层铝合金层，三层之间采用冶金方法熔合在一起；复合型石墨铝功能层包括石墨铝层以及镶嵌在石墨铝层中的若干个圆柱形铝合金导热柱；
[0017]
其中，所述上层铝合金层的厚度为0.5mm，导热系数为120w/m
·
k；所述下层铝合金层的厚度为0.5mm，导热系数为120w/m
·
k；所述石墨铝层的厚度为2mm，横向导热系数为600w/m
·
k，纵向导热系数35w/m
·
k；所述铝合金导热柱的厚度为2mm，底面直径为2mm，导热系数为120w/m
·
k；所述铝合金导热柱呈阵列排布，相邻铝合金导热柱之间的间距为4mm。
[0018]
一种增强纵向导热系数的铝-石墨铝复合材料构型，从上至下包括上层铝合金层，复合型石墨铝功能层以及下层铝合金层，三层之间采用冶金方法熔合在一起；复合型石墨铝功能层包括石墨铝层以及镶嵌在石墨铝层中的若干个方块形铝合金导热柱；
[0019]
其中，所述上层铝合金层的厚度为1.1mm，导热系数为150w/m
·
k；所述下层铝合金层的厚度为0.5mm，导热系数为150w/m
·
k；所述石墨铝层的厚度为3mm，横向导热系数为500w/m
·
k，纵向导热系数45w/m
·
k；所述铝合金导热柱的厚度为3mm，平面方形尺寸为2
×
2mm，导热系数为150w/m
·
k；所述铝合金导热柱呈阵列排布，相邻铝合金导热柱之间的间距为6mm。
[0020]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0021]
本发明铝-石墨铝复合材料构型，通过在石墨铝层中增加导热柱的方式，大幅提升了石墨铝的纵向导热系数。与现有普通石墨铝材料对比，增强纵向导热系数的铝
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石墨铝复合材料构型的横向导热系数与石墨铝基本一致，纵向导热系数大幅提高，利用本发明可以大幅提升石墨铝在电子设备热设计中的应用边界。
附图说明
[0022]
图1为实施例1铝-石墨铝复合材料构型的结构示意图；
[0023]
图2为实施例2铝-石墨铝复合材料构型的结构示意图；
[0024]
附图标记：1-上层铝合金层，2-复合型石墨铝功能层，201-石墨铝层，202-导热柱，3-下层铝合金层。
具体实施方式
[0025]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0026]
实施例1
[0027]
本实施例增强纵向导热系数的铝-石墨铝复合材料构型的具体结构如图1所示，从上至下包括上层铝合金层1，复合型石墨铝功能层2以及下层铝合金层3，三层之间采用冶金方法熔合在一起；复合型石墨铝功能层2包括石墨铝层201以及镶嵌在石墨铝层中的若干个圆柱形铝合金导热柱202。
[0028]
其中，上层铝合金层1的厚度为0.5mm，导热系数为120w/m
·
k；下层铝合金层3的厚度为0.5mm，导热系数为120w/m
·
k；石墨铝层201的厚度为2mm，横向导热系数为600w/m
·
k，纵向导热系数35w/m
·
k；铝合金导热柱202的厚度为2mm，底面直径为2mm，导热系数为120w/m
·
k；铝合金导热柱202呈阵列排布，相邻铝合金导热柱202之间的间距为4mm。
[0029]
本实施例铝-石墨铝复合材料构型经测定，其横向导热系数为590w/m
·
k，纵向导热系数为95w/m
·
k，与单独的石墨铝层(即石墨铝功能层只采用石墨铝层而不加导热柱，横向导热系数600w/m
·
k，纵向导热系数35w/m
·
k)相比，横向导热系数基本一致，纵向导热系数得到大幅增强。
[0030]
实施例2
[0031]
本实施例增强纵向导热系数的铝-石墨铝复合材料构型的具体结构如图2所示，从上至下包括上层铝合金层4，复合型石墨铝功能层5以及下层铝合金层6，三层之间采用冶金方法熔合在一起；复合型石墨铝功能层5包括石墨铝层501以及镶嵌在石墨铝层中的若干个方块形铝合金导热柱502。
[0032]
其中，上层铝合金层4的厚度为1.1mm，导热系数为150w/m
·
k；下层铝合金层 6的厚度为0.5mm，导热系数为150w/m
·
k；石墨铝层501的厚度为3mm，横向导热系数为500w/m
·
k，纵向导热系数45w/m
·
k；铝合金导热柱502的厚度为3mm，平面方形尺寸为2
×
2mm，导热系数为150w/m
·
k；所述铝合金导热柱502呈阵列排布，相邻铝合金导热柱502之间的间距为6mm。
[0033]
本实施例铝-石墨铝复合材料构型经测定，其横向导热系数为480w/m
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k，纵向导热系数为76w/m
·
k，与单独的石墨铝层(即石墨铝功能层只采用石墨铝层而不加导热柱，横向导热系数500w/m
·
k，纵向导热系数45w/m
·
k)相比，横向导热系数基本一致，纵向导热系数得到大幅增强。
[0034]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。