一种定向超高导热、高强度石墨-铜复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种定向超高导热且具有高强度的石墨‑铜复合材料及其制备方法和应用。具体地，所述复合材料由定向平行排列的石墨片层和铜层经热压烧结而成，且所述复合材料沿平行于X‑Y方向的热导率与所述复合材料沿垂直于X‑Y方向的热导率的比值≥4，且所述复合材料沿平行于X‑Y方向的热导率≥500W/m·K，其中X‑Y方向为同时平行于所述石墨片层和所述铜层的方向。本发明专利技术还公开了所述复合材料的制备方法。所述复合材料由于其中石墨片层高度定向排列且所述铜层均匀分布在所述石墨片层之间，因此，所述复合材料具有非常高的热导率和较低的热膨胀系数。所述制备方法简单、成本低、非常适宜大规模推广。

【技术实现步骤摘要】
一种定向超高导热、高强度石墨-铜复合材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及导热材料领域，具体地涉及一种定向超高导热、高强度石墨-铜复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
随着半导体元器件的大功率、轻质、小型化的飞速发展，单位面积所产生的热量越来越高，而有效散热面积日趋减少，散热已成为阻碍大功率电子器件、大功率固体照明器件、超大规模和超高速集成电路，乃至整个信息产业发展的瓶颈问题。这些大功率元件和系统迫切需要导热材料有更好的导热性能、与半导体芯片材料(Si或GaAs)相匹配的热膨胀系数、足够的刚度和强度，以及更低的成本等。铜基复合材料充分发挥了金属铜的高强度、高导热、高导电、低热膨胀系数等优点，其中应用较为广泛的主要有Cu-Mo、Cu-W合金、Cu/Mo/Cu平面复合型、金刚石-铜复合材料、碳纤维-铜复合材料等。这些传统的铜基封装材料虽然在一定程度上解决了散热器件材料性能的不足，但由于Cu-Mo等铜合金和层叠式Cu/Mo/Cu平面复合型复合材料的低热导率和高密度、金刚石及其复合材料的难加工性、高导热碳纤维的难获得以及价格高等各方面的局限性，已经不能满足大功率电子器件快速发展的需求。然而，天然鳞片石墨国内资源非常丰富、成本低廉、密度低、平面内负的热膨胀系数、导热性能较理想(鳞片状面(X-Y面)内热导率达到300～1500W/(m·K))，是理想的高导热增强粒子，适宜广泛使用。针对这种情况，加工性能良好、具有高导热性能、膨胀系数可控、密度低的天然鳞片石墨-铜复合材料成为提升现有高端大功率电子器件性能最为有效可行的技术突破口。目前，国内外对于石墨-铜复合材料的具有代表性的应用是利用其良好的自润滑摩擦以及与电接触导电方面的本征性能，而关于其热性能方面的应用报道较少。造成这种现象的主要原因有如下二方面：(1)铜和石墨密度相差较大、且鳞片石墨之间容易堆积桥架阻隔铜三维方向上的连接这两方面的特征，这使得难以通过压力熔渗工艺制备出高相对密度、性能均一的石墨-铜复合材料；(2)鳞片状面的法向量(Z方向)热传导较慢，造成石墨复合材料热导率只能实现热量在二维平面(X-Y面)较快的传输，相关数据测量也主要集中在该面内方向。另外，封装材料低的密度和热膨胀系数要求使得复合材料中石墨的体积分数必须占到一定比例，因此采用热压烧结工艺成为制备高体积分数石墨-铜复合材料的首选。采用热压烧结制备高导热石墨-铜复合材料的过程中，一方面石墨片层堆积阻隔作用对复合材料性能造成的影响相对较少；另一方面由于热压过程中石墨片层间的滑移以及高温下铜粉的变形使得石墨与铜二者之间界面结合的机械咬合作用较为明显，界面对石墨片层方向热导率影响较小(实际制备过程中，石墨粉体表面涂层后石墨-铜复合材料片层石墨方向热导率还会下降)。因此，在石墨-铜复合材料的热压烧结过程中主要考虑石墨与铜密度相差性较大、鳞片石墨的择优排列问题。充分利用石墨片层方向(X-Y面)的高热导性，使得鳞片石墨在复合材料制备过程中获得择优的定向排列，尽可能达到高度定向排列，这样石墨的取向排列控制过程就显得尤为重要。现有的通过粉末冶金和放电等离子体烧结技术制备的石墨-铜复合材料片层方向热导率达到550W/(m·K)，但鳞片石墨在基体中定向排布的比率不高，鳞片有较大弯折的现象发生；而现有的通过鳞片状铜粉选取、碳纤维添加以及一些特殊工艺，提高鳞片石墨定向排布特性以及复合材料的相对密度，进而制备得到的鳞片石墨-铜复合材料片层方向热导率达到631.6W/(m·K)。上述各种通过鳞片状铜粉选择、化学镀铜、冲击振动等方式以获得石墨片层方向一致性，虽然在一定程度上提高了复合材料的热导率，但依然存在各种问题，如鳞片状铜粉选择以及后续特殊工艺的引入，使得生产成本以及工艺复杂程度大大增加；而化学镀铜工艺虽然在一定程度上提高了金属铜在石墨-铜复合材料中的均匀分布性，但在化学镀铜过程中不可避免的会引入各种化合物离子，这对复合材料在潮湿空气中的稳定性影响较大；而冲击振动虽能较好地提高石墨在特定方向上的排列，但仅限于提高单一鳞片石墨粉体片层方向，当石墨和铜粉混合在一起时，由于石墨与金属铜粉之间存在4倍左右的密度差异，在这种振动模式下，铜粉很容易在混合料的底部沉积；在高体积分数石墨-铜复合材料中，金属铜则更难形成连续的整体，导致金属铜的作用仅是填补石墨与石墨之间孔隙。事实上，如果铜粉堆积在混合料的底部，复合材料中金属铜的分布均匀性完全不能保证，这导致复合材料的致密度会显著下降，最终导致复合材料的热导率不能获得很大程度的提高。因此，本领域急需开发一种均匀性更优、整体热导性能更高的石墨-铜复合材料及其制备方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种均匀性更优、整体热导性能更高的石墨-铜复合材料及其制备方法。本专利技术的第一方面，提供了一种石墨-铜复合材料，所述复合材料由定向平行排列的石墨片层和铜层经热压烧结而成，且所述复合材料沿平行于X-Y方向的热导率与所述复合材料沿垂直于X-Y方向的热导率的比值≥4，且所述复合材料沿平行于X-Y方向的热导率≥500W/m·K，其中X-Y方向为同时平行于所述石墨片层和所述铜层的方向。在另一优选例中，所述X-Y方向与所述热压烧结的加压方向垂直。在另一优选例中，所述复合材料为所述石墨片层和所述铜层相间分步的层状组织。在另一优选例中，所述复合材料中，所述石墨片层和所述铜层间紧密结合。在另一优选例中，所述复合材料沿平行于X-Y方向的热导率与所述复合材料沿垂直于X-Y方向的热导率的比值≥4.5，较佳地≥5，较佳地≥6，更佳地≥7，最佳地≥8。在另一优选例中，所述复合材料沿平行于X-Y方向的热导率≥600W/m·K，较佳地≥700W/m·K，更佳地≥750W/m·K。在另一优选例中，所述复合材料沿垂直于X-Y方向(即沿Z方向)的热导率≥40W/m·K，较佳地≥45W/m·K，更佳地≥50W/m·K。在另一优选例中，所述铜层均匀分布于所述石墨片层之间。在另一优选例中，所述“均匀分布”是指在所述复合材料中，在垂直于X-Y方向的断面内，所述铜层在任一单位面积内的体积密度与所述铜层在整个断面面积内的体积密度的比值为0.7-1.3，较佳地0.8-1.2。在另一优选例中，所述复合材料中，所述石墨片层间基本不直接接触，即所述石墨片层通常被所述铜层包覆。在另一优选例中，所述复合材料具有选自下组的一个或多个特征：1)所述复合材料的密度为3-10g/cm3(较佳地3.5-8g/cm3，更佳地4-6g/cm3，最佳地4.8-5.5g/cm3)；2)所述复合材料的热膨胀系数为4-10ppm/K(较佳地4.5-8ppm/K，更佳地5-7ppm/K)；3)所述复合材料的热容为0.3-2J/gK；4)所述复合材料沿X-Y方向的热扩散系数为150-500mm2/s(较佳地200-450mm2/s，更佳地220-400mm2/s)；5)所述复合材料沿Z方向的热扩散系数为15-50mm2/s；6)所述复合材料沿X-Y方向的抗弯强度为42-150MPa(较佳地50-120MPa)；7)所述复合材料沿Z方向的抗弯强度为40-120MPa(较佳地50-100MPa)。在另一优选例中，按所述复合材料的总体积计，所述石墨片层的含量为30-80vol.％本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨‑铜复合材料，其特征在于，所述复合材料由定向平行排列的石墨片层和铜层经热压烧结而成，且所述复合材料沿平行于X‑Y方向的热导率与所述复合材料沿垂直于X‑Y方向的热导率的比值≥4，且所述复合材料沿平行于X‑Y方向的热导率≥500W/m·K，其中X‑Y方向为同时平行于所述石墨片层和所述铜层的方向。

【技术特征摘要】
1.一种石墨-铜复合材料，其特征在于，所述复合材料由定向平行排列的石墨片层和铜层经热压烧结而成，且所述复合材料沿平行于X-Y方向的热导率与所述复合材料沿垂直于X-Y方向的热导率的比值≥4，且所述复合材料沿平行于X-Y方向的热导率≥500W/m·K，其中X-Y方向为同时平行于所述石墨片层和所述铜层的方向。2.如权利要求1所述复合材料，其特征在于，所述复合材料为所述石墨片层和所述铜层相间分步的层状组织。3.如权利要求1所述复合材料，其特征在于，所述复合材料沿平行于X-Y方向的热导率≥600W/m·K。4.如权利要求1所述复合材料，其特征在于，所述铜层均匀分布于所述石墨片层之间。5.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述复合材料具有选自下组的一个或多个特征：1)所述复合材料的密度为3-10g/cm3；2)所述复合材料的热膨胀系数为4-10ppm/K；3)所述复合材料的热容为0.3-2J/gK；4)所述复合材料沿X-Y方向的热扩散系数为150-500mm2/s；5)所述复合材料沿Z方向的热扩散系数为15-50mm2/s；6)所述复合材料沿X...

【专利技术属性】
技术研发人员：白华，薛晨，江南，马付根，吕继磊，戴丹，徐群峰，
申请(专利权)人：宁波晨鑫维克工业科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33