一种高强度、高导热石墨-铜复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高强度、高导热石墨‑铜复合材料的制备方法，所述复合材料由表面已镀覆涂层的天然鳞片石墨粉体、合金铜粉和铜网叠层热压烧结而成。所述制备方法简单、成本低、非常适宜大规模推广。采用本发明专利技术方法制备的复合材料具有高的热导率、较低的热膨胀系数、优良的力学性能以及良好的加工能力。

A preparation method of high strength, high thermal conductivity graphite copper composites

The invention discloses a preparation method of high strength, high thermal conductivity graphite copper composite material, natural graphite powder, copper powder and copper alloy laminated hot pressing sintering of the composite material is formed by plating coating surface has been formed. The preparation method is simple, the cost is low, and the utility model is suitable for large-scale popularization. The composites prepared by the method of the invention have high thermal conductivity, low thermal expansion coefficient, excellent mechanical properties and good processing capacity.

【技术实现步骤摘要】
一种高强度、高导热石墨-铜复合材料的制备方法
本专利技术属于金属基复合材料领域，具体地涉及一种高强度、高导热石墨/铜复合材料的制备方法和应用。
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。目前国内外在研发石墨-铜复合材料的过程中，过于关注复合材料热导率的提高，而忽视了其力学性能和强度的考虑，导致复合材料后期加工及大规模应用方面受到很大的限制。如复合材料的强度较低，就不适合作为封装壳体的结构件使用，只能作为扩热板应用其导热方面的能力；材料的硬度较小，在后期加工时损耗较大，难以保证精确的形状。在实际制备过程中，可以考虑加入高强相来提高石墨-铜复合材料的强度，但现有的高强度增强粒子一般存在硬度高的问题，如各种陶瓷颗粒：金刚石、碳化硅、氧化铝等，增加了加工成本；加入高导热碳纤维，不仅价格昂贵，而且国内很难大批量购买；加入一般的高强度碳纤维，不仅复合材料的热导率受到影响，也会存在均匀添加入石墨-金属复合材料的困难，而且在制备较精细尺寸的样件时，碳纤维的拔出也会很大程度上影响复合材料的加工精度。因此，本领域急需开发一种整体力学性能和热导性能更高的石墨-铜复合材料制备方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高强度、高导热、易加工石墨-铜复合材料的制备方法。针对现有的石墨增强金属基复合材料的高导热、低膨胀、高强度、易加工的要求，本专利技术提供了一种涂层石墨粉体、合金铜粉及金属铜网三者形成复合体制备复合材料的方法，其过程主要包括两方面：复合体的构建和真空热压烧结。先将表面镀覆硼的石墨粉体和合金铜粉、酒精在高速混料机中混合，使得小粒径铜粉粘附在大粒径石墨粉体表面，然后在石墨模具内将铜网和上述石墨复合体交替叠加，形成改性石墨粉体、合金铜粉及金属铜网三者的网状混合体；然后将上述混合体连同石墨模具放入真空热压炉内进行压力烧结。具体工艺为：天然鳞片石墨粉体表面镀硼的工艺路线：将天然鳞片石墨粉体与硼粉、氧化硼、氯化钙粉末混合，置于镀覆容器中，并一同转入真空室中，石墨：硼粉：氧化硼：氯化钙的质量比例为20:4:1:20；真空室抽至真空度10-1Pa以下，开始加热，至1200-1350℃，镀覆1-3小时，在石墨表面形成碳化硼-硼层，冷却后取出，热水清洗干燥过筛，获得镀层均匀的石墨片层。石墨粉与铜粉的混料工艺：将已镀覆的石墨粉、铜粉和酒精按一定比例混合，石墨粉的体积为混合物体积的30％-70％，酒精的含量为石墨粉质量的二十分之一到三分之一，在双中心高速混料机中混合均匀，其中石墨片层的平均直径在400-1000μm，厚度为10-50μm，合金铜粉的直径在10-50μm。混合粉体和金属网层层叠加的具体工艺是：(1)将适合热压模具尺寸的紫铜网放在模套底部，撒上一定的合金铜粉，在往复式振动平台上，轻微振动，使得合金粉体填入铜网间隙；(2)然后将混合好的石墨粉和合金铜粉的混合物放在上述铜网上，往复振动，振动速度为50-300转/分钟，使得混合物中片层石墨排列取向较为一致；然后重复上述(1)，(2)两个步骤，根据高度需求控制重复次数；采用真空热压烧结的方法，制备铜基复合材料：将上述叠层处理后的复合体连同模具一起置于真空热压炉内，抽真空至10Pa以下；加热至850-1050℃，保温20-120min进行热压烧结，压力大小为30-50MPa；烧结完成后，用压头保压后随炉冷却；本专利技术技术采用真空热压烧结法制备石墨/铜复合材料，用于电子封装壳体或热沉领域。与现有的封装材料及生产工艺相比具有如下优点：1.选用的铜合金粉、金属铜网与石墨复合，大大提高了石墨-铜复合材料的强度的同时，保证了复合材料的热导率；2.合金铜粉的加入保证复合材料具有一定的硬度，在后期机械加工阶段，不会因为纯铜粉和石墨太软，使得复合材料的加工形状受到限制。3.铜合金粉的融化温度与铜网的温度相差不大，使得铜网在复合材料内部与现有的石墨粉和合金铜粉形成一个三维联通的有机的整体，与其它文献中加入碳纤维提高复合材料的强度后碳纤维独立存在于复合材料中相比更有利于后期的加工。4.采用这种铜网和铜合金粉与石墨粉组成的复合体层叠相加的工艺制备石墨-铜复合材料，生产工艺简单，设备简单，生产成本低，效率高。应理解，在本专利技术范围内中，本专利技术的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，如合金铝粉、金属铝网以及石墨粉构成的复合体，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。附图说明图1是本专利技术复合材料的制备工艺示意图。其中，图(a)中将镀层处理后的片层石墨、酒精、合金铜粉通过混料机带动物料在以3500转/分钟自转的同时以1000～2000转/分钟公转，以这种双中心不对称的高速旋转混合方式，实现细颗粒铜均匀包覆在片层石墨表面的复合体；图(b)将纯铜网放入热压模具中，将细颗粒合金铜粉细铺在纯铜网的网格间隙内，然后将上述石墨和合金铜粉的复合体铺在纯铜网的表面，通过这种铜网和复合粉体的叠层相加，利用合金铜粉的熔点稍低于纯铜网的特点，在后续热压烧结过程中选择合适的烧结温度，使得合金铜粉近于融化的同时，纯铜网处于半熔融状态，这样纯铜网在烧结后的复合材料中和熔融的合金铜粉形成上下联通的三维网状结构，既保证复合材料的热导率，又提高了复合材料的力学性能，同时不降低材料的加工性能；通过将装有铜网和复合粉体的混合物料的模具在振动台上以60～300转/分钟的转速在回转式振动的方式下横纵向振动，提高片层石墨排布的一致性。(c)将上述处理后的混合物连同模具一起置于真空热压炉内，抽真空至10Pa以下；加热至850-1050℃，保温20-120min进行热压烧结，压力大小为30-50MPa；烧结完成后，用压头保压后随炉冷却，即可得到相应性能的石墨/铜复合材料。本专利技术所述往复式振动平台为可以横纵向振动的汽车模拟运输振动试验台，其振动动转速度以及振动时间均可根据装载粉体及其装粉模具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备高强度、高导热石墨/铜复合材料的方法，其特征在于，包括步骤：(i)使用天然鳞片石墨粉体作为增强粒子，先在石墨粉体表面镀覆碳化硼层，提高单片石墨粉体的强度；(ii)将镀层石墨与合金铜粉、有机溶液高速混合，然后将这些混合后的粉体和金属网层层叠加；(iii)热压烧结，制备出高性能的石墨‑铜复合材料；其中，所述石墨粉体表面镀层厚度为0.1‑3μm，复合材料中石墨粉体所占体积百分比为30％‑70％。

【技术特征摘要】
1.一种制备高强度、高导热石墨/铜复合材料的方法，其特征在于，包括步骤：(i)使用天然鳞片石墨粉体作为增强粒子，先在石墨粉体表面镀覆碳化硼层，提高单片石墨粉体的强度；(ii)将镀层石墨与合金铜粉、有机溶液高速混合，然后将这些混合后的粉体和金属网层层叠加；(iii)热压烧结，制备出高性能的石墨-铜复合材料；其中，所述石墨粉体表面镀层厚度为0.1-3μm，复合材料中石墨粉体所占体积百分比为30％-70％。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(ii)包括步骤：(ii-1)将适合热压模具尺寸的紫铜网放在模套底部，撒上一定的合金铜粉，在往复式振动平台上，轻微振动，使得合金粉体填入铜网间隙；(ii-2)将混合好的石墨粉和合金铜粉的混合物放在上述铜网上，往复振动，振动速度为50-300转/分钟，使得混合物中片层石墨排列取向较为一致；(ii-3)重复步骤(ii-1)和(ii-2)，根据高度需求控制重复次数。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(...

【专利技术属性】
技术研发人员：白华，薛晨，江南，李进，赵忱，褚伍波，李勇，何强，陈建涛，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，江西铜业技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33