氮化铝增强的石墨基复合材料及制备工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种氮化铝增强的石墨基复合材料及制备工艺，其特征是，以片状石墨作基体，氮化铝作为增强相，均匀分布在石墨片层间，形成三维网状氮化铝骨架与定向排列的石墨片层相结合的各向异性结构；工艺上采用片状石墨颗粒、氮化铝粉体及适量烧结助剂，球磨混料、烘干过筛、预压成型后于1500～1700℃进行放电等离子体烧结，烧结过程中施加的轴向压力，使石墨片层定向排布，氮化铝粉烧结后形成三维网陶瓷骨架，可显著提高石墨基体的强度，并约束石墨的热膨胀，从而形成致密、均匀的沿片层方向高热导率、垂直片层方向低热膨胀的各向异性复合材料，其优异的综合性能，将在电子器件的传热、散热等方面具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及热管理材料(导热、散热材料)技术，特别涉及一种各向异性结构的陶瓷增强型石墨基复合材料及制备方法。
技术介绍
现代科学技术的迅猛发展，使得大功率电子仪器、设备、部件的设计和生产越来越趋于小型化、轻量化、紧凑化、高效化。特别是超大规模集成电路的发展，使得电子器件的功率密度越来越高，导致工作过程中产生大量的热，这些热量如不及时排除，将会严重影响电子器件或部件的工作稳定性和安全可靠性，并显著降低其工作效率和使用寿命。因此，散热材料的选择和性能优化受到了人们的广泛关注和重视。开发集轻质高强，高效导热和散热等综合性能于一体的新型热管理材料，可以大幅度降低器件或部件的物理尺寸及工作温度、提高散热效率、进而提高器件或部件的使用寿命和稳定性。传统的金属(铜、铝)是当前工业应用中最常用的散热材料。但是金属材料具有易氧化、热膨胀系数大、密度大、比导热率低等缺点。因此金属散热材料在使用过程中存在热导率显著下降、因热膨胀系数不匹配而产生热应力等问题，大大限制了其在散热基板、热沉材料中的应用。石墨是一种呈片层状结构的碳的同素异构体，在片层内，每个碳原子以共价键连着另外三个碳原子，呈六边形有序或定向排列；在片层间，结合力为分子范德华力。这种层内和层间不同的原子结合方式，使得石墨表现出很多性能方面的各向异性，如沿片层方向优异的导热性及流体扩散性。同时，石墨还具有耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、热膨胀系数可调等特点，沿其片层方向室温热导率极高，且比热容是传统金属导热材料(铜、银、铝)的10-20倍。另外，我国石墨资源丰富、纯度高、成本低，是近年来最具有发展前景的新型热管理材料。目前常规多晶石墨材料大多为各向同性，片层方向的高导热特性没有得到充分发挥，导致其室温热导率只有70～150W/(m·K)。而已有的以片状石墨为原料制备高取向石墨材料又存在如下问题，如力学性能差、垂直于片层方向抗弯强度低(<30MPa)、热膨胀系数受热过大导致其在散热基板材料界面上容易产生热应力、烧结活性低、工艺温度高、烧结条件苛刻等，限制了其在电子部件/器件中的发展[蒋文忠.炭素工艺学[M].冶金工业出版社,北京,2009]。近年来，人们将陶瓷作为增强相引入到石墨基体中，制备出的陶瓷增强石墨基复合材料表现出了更加优异的力学性能和烧结性能，并且陶瓷增强石墨基复合材料与半导体器件，如硅等具有更好的连接特性和相似的热膨胀系数，可提高工作效率和使用寿命。这主要因为陶瓷材料的强共价键赋予其高强度、抗热冲击、耐高温等良好的力学性能；同时，陶瓷(如氮化铝、氮化硅)较小的介电常数、较低的介电损耗、与硅相近的热膨胀系数，可以有效调节石墨基复合材料的电性能和热物理性能。氮化铝陶瓷因其高的热导率、良好的力学性能和介电性能、以及与硅相匹配的热膨胀系数而成为大功率电子元器件封装和大规模集成电路基板的理想材料，广泛应用于高温电子器件、电子材料、发光二极管(LED)、先进陶瓷部件及散热部件等方面。因此，用氮化铝陶瓷来增强定向排列的片状石墨，可有效束缚石墨片层受热产生的热膨胀，并在不大幅度影响材料高导热性能的前提下赋予材料低密度，高强度等优良的综合性能。
技术实现思路
针对现有高取向石墨单相块体材料强度低、热膨胀系数大的缺点，本发明的目的是提供一种陶瓷增强型石墨基复合材料及快速制备方法，所获材料具有各向异性结构，且集轻质、高强，沿石墨片层热导率高、垂直于石墨片层热膨胀系数低等优异性能于一体。为达到以上目的，本专利技术是采取如下技术方案予以实现的：一种氮化铝增强的石墨基复合材料，其特征在于，按质量百分数计，以50-85％的片状石墨为基体，10-45％的氮化铝为增强相，添加5％的烧结助剂，采用热压烧结方式使所述增强相形成三维网状骨架，并均匀分布在定向排布的片状石墨基体间，使复合材料沿石墨片层、垂直于石墨片层呈各向异性结构。所述热压烧结是采用放电等离子烧结炉完成的。以上氮化铝增强的石墨基复合材料的制备工艺，其特征在于，包括下述步骤：(1)按质量百分数计，以10-45％氮化铝粉和50-85％片状石墨颗粒为原料，添加5％的烧结助剂，以无水乙醇溶液作为研磨介质，进行球磨混料，得到氮化铝、片状石墨及烧结助剂的混合浆料；(2)将该混合浆料经干燥过筛，得到复合粉体；(3)将复合粉体装入石墨模具中，先预压成型；(4)将装有预压成形试样的石墨模具置于放电等离子烧结装置中，对预压成形试样施加不低于50MPa的轴向压力，并在真空或通有保护气氛条件下，利用脉冲电流对预压成形试样进行不少于60s的激发活化，然后通过增加电流升温至1500～1700℃进行烧结，保温后实现试样的烧结致密化，最后得到具有各向异性结构的氮化铝增强石墨基复合材料。上述工艺中，所述的烧结助剂为氧化钇和氧化铝，氧化钇和氧化铝的质量比为6:4。所述球磨混料采用氧化铝磨球，球料比为4:1，球磨时间12～48h。所述的氮化铝粉和片状石墨颗粒的纯度均大于99.0％，其中，氮化铝粉的粒径范围为0.5-2μm，所述片状石墨颗粒的宽度在5～20μm之间、宽厚比为10:1。所述烧结分两个阶段，第一阶段从室温以大于150℃/min的升温速率升温至1000℃，第二阶段从1000℃以小于150℃/min的升温速率升温至最终烧结温度。所述保温，时间不少于5min。本专利技术的优点是，通过放电等离子烧结法可在较低温度下快速制备出具有各向异性结构的氮化铝增强石墨基复合材料。在烧结过程中施加一定的轴向压力，可使片状石墨颗粒片均匀定向排布，且层间均匀分布着氮化铝粉，经过放电等离子烧结形成三维网络状氮化铝陶瓷骨架增强的各向异性石墨复合材料。所制备的复合材料具有轻质、高强、沿石墨片层热导率高、垂直于石墨片层热膨胀系数小的综合优异性能，从而可作为大功率电子器件或部件的热管理材料使用。附图说明图1是本专利技术采用放电等离子烧结炉的结构示意图。图中：1为试样；2为石墨模具；3为石墨压头；4为石墨垫块；5为电极；6为真空室；7为石墨纸；8为压力加载系统；9为冷却系统；10为电源系统。图2是本专利技术制备的各向异性氮化铝增强型石墨基复合材料(实施例1)的微观结构示意图。图3是本专利技术制备的各向异性氮化铝增强型石墨基复合材料(实施例1)的场发射扫描电微镜(FESEM)照片。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化铝增强的石墨基复合材料，其特征在于，按质量百分数计，以50‑85％的片状石墨为基体，10‑45％的氮化铝为增强相，添加5％的烧结助剂，采用热压烧结方式使所述增强相形成三维网状骨架，并均匀分布在定向排布的片状石墨基体间，使复合材料沿石墨片层、垂直于石墨片层呈各向异性结构。

【技术特征摘要】
1.一种氮化铝增强的石墨基复合材料，其特征在于，按质量百分数计，
以50-85％的片状石墨为基体，10-45％的氮化铝为增强相，添加5％的烧结助剂，
采用热压烧结方式使所述增强相形成三维网状骨架，并均匀分布在定向排布
的片状石墨基体间，使复合材料沿石墨片层、垂直于石墨片层呈各向异性结
构。
2.如权利要求1所述的氮化铝增强的石墨基复合材料，其特征在于，所
述热压烧结是采用放电等离子烧结炉完成的。
3.一种氮化铝增强的石墨基复合材料的制备工艺，其特征在于，包括下
述步骤：
(1)按质量百分数计，以10-45％氮化铝粉和50-85％片状石墨颗粒为原
料，添加5％的烧结助剂，以无水乙醇溶液作为研磨介质，进行球磨混料，得
到氮化铝、片状石墨及烧结助剂的混合浆料；
(2)将该混合浆料经干燥过筛，得到复合粉体；
(3)将复合粉体装入石墨模具中，先预压成型；
(4)将装有预压成形试样的石墨模具置于放电等离子烧结装置中，对预
压成形试样施加不低于50MPa的轴向压力，并在真空或通有保护气氛条件下，
利用脉冲电流对预压成形试样进行不少于60s的激发活化，然后通过增加电
流升温至...

【专利技术属性】
技术研发人员：史忠旗，张夏，张晓钰，夏鸿雁，王继平，王波，王红洁，杨建锋，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61