一种在金属中定向掺杂石墨的方法技术

本发明专利技术公开了一种在金属中定向掺杂石墨的方法，包括以下步骤：将金属原料粉体和/或镀有金属膜的石墨粉体混合并堆积成烧结层，使得所述镀有金属膜的石墨粉体以预设比例处于该烧结层预设的位置；在惰性气体保护下采用定向场将所述烧结层加热至烧结；重复堆积烧结层并逐层烧结直至材料制备完成。本发明专利技术将增量叠加的金属粉末以及镀有金属膜的石墨粉末，采用定向场使得金属粉末和石墨粉末的金属膜快速熔融烧结为复合材料，不仅具有高导热的性能，提高了复合材料强度，同时满足了在不同情况下对石墨‑金属复合材料复杂形状的需求。

A Method of Directionally Doping Graphite in Metals

【技术实现步骤摘要】
一种在金属中定向掺杂石墨的方法
本专利技术属于金属基复合材料领域，更具体地，涉及一种在金属中定向掺杂石墨的方法。
技术介绍
随着在电子技术行业的快速发展，器件单位面积散发的热量越来越多，对热管理材料的性能提出了更为严格的要求。电子封装材料的开发作为重要一环，要求材料具有高热导率，低膨胀系数、轻质、成本低的特点。然而传统的Al/SiC复合材料、Cu/W复合材料以及Cu/Mo复合材料等特殊合金材料虽然热膨胀系数较低，但都经过特殊加工，牺牲了材料在热传导系数和热扩散系数方面的性能；金刚石以及金刚石复合材料虽然热导率高，但由于金刚石的超高硬度，难以加工。石墨-金属复合材料由于具有热导率高、热膨胀系数小、热扩散系数高等特性，在热管理材料应用中受到越来越多的关注。石墨-金属复合材料的方法一般为：(1)液态法：分为三种，气体压力渗透法、挤压铸造法以及无压渗透。一般是先通过热压、干压以及注射成型等方法来制备预制体，然后将预制件放入模子中，然后抽真空，将其加热到熔化状态后通入对液态金属进行加压(采用气体压力、液态压力或者重力、毛细管力等)，将液态金属渗透到预制件中。(2)固态法：主要是粉末冶金法，其中包括热压烧结和热等静压等。即将粉末(包括石墨、金属等)在适当的条件下按一定比例混合后，进行压制成形，然后在真空或者通入惰性气体的保护下进行烧结。在上述方法中，存在烧结温度高，治具要求高的问题，更重要的是，无法灵活的定向的控制石墨粉末的掺杂位置、掺杂量，而制备的石墨-金属复合材料加工性能不佳，导致制得的石墨-金属复合材料在加工成产品的过程中难度很大，成品率低；尤其是当产品具有复杂情况时，制备时间长、加工困难。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种在金属中定向掺杂石墨的方法，其目的在于通过定向场增量烧结的原料金属粉体和石墨粉体，实现无治具制备任意位置掺杂、掺杂比例可控、外形复杂的石墨-金属复合材料，由此解决现有技术存在的烧结温度高、治具要求高的问题、难以制备复杂形状的石墨-金属复合材料的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种在金属中定向掺杂石墨的方法，包括以下步骤：将金属原料粉体和/或镀有金属膜的石墨粉体混合并堆积成烧结层，使得所述镀有金属膜的石墨粉体以预设比例处于该烧结层预设的位置；在惰性气体保护下采用定向场将所述烧结层加热至烧结；重复堆积烧结层并逐层烧结直至材料制备完成。优选地，所述在金属中定向掺杂石墨的方法，其所述镀有金属膜的石墨粉体，平均粒径在100μm至1000μm之间，长径比在20至80之间，其表面金属镀膜厚度在0.1μm至3μm之间。优选地，所述在金属中定向掺杂石墨的方法，其所述烧结层中石墨粉体体积小于等于85％。优选地，所述在金属中定向掺杂石墨的方法，其所述烧结层含有或不含有镀有金属膜的石墨粉体；所述含有镀有金属膜的石墨粉体的烧结层中所述镀有金属膜的石墨粉体体积占20％-85％。优选地，所述在金属中定向掺杂石墨的方法，其所述烧结层厚度在40um-1000um。优选地，所述在金属中定向掺杂石墨的方法，其所述金属原料粉体和所述石墨粉体表面的镀膜的金属此处是指亲和力方面的要求，例如浸润等。优选地，所述在金属中定向掺杂石墨的方法，其所述定向场能量在70W-700W之间。优选地，所述在金属中定向掺杂石墨的方法，其所述定向场为激光和/或微波。优选地，所述在金属中定向掺杂石墨的方法，其所述定向场以预设速度扫描所述烧结层，使得所述烧结层相应部分按照扫描路径烧结；优选对定向场烧结后的材料采用管式炉进行烧结。优选地，所述在金属中定向掺杂石墨的方法，其所述金属原料粉体为粒径在1um-200um之间的铝粉，烧结厚度为40um-500um；所述镀有金属膜的石墨粉体表面镀钛，厚度在0.1μm至3μm之间，石墨粉体平均粒径在100μm至1000μm之间，长径比在20至80之间；所述定向场为激光，定向场能量在70W-700W之间。在金属原料粉体所处的位置光斑直径0.2-20mm，输出功率80W-500W，扫描速度50-100mm/s，扫描间距：0.08mm-0.3mm；在金属膜的石墨粉体和金属混合所处的位置光斑直径0.5-40mm，输出功率80W-650WW，扫描速度0.2-10mm/s，扫描间距0.1mm-0.3mm。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：本专利技术将增量叠加的金属粉末以及镀有金属膜的石墨粉末，采用定向场使得金属粉末和石墨粉末的金属膜快速熔融烧结为复合材料，不仅具有高导热的性能，提高了复合材料强度，同时满足了在不同情况下对石墨-金属复合材料复杂形状的需求。优选方案，再进一步采用管式炉进行烧结的方法进一步优化了材料的晶格，提高复合材料的导热性能、导电性能、以及机械加工性能。附图说明图1是本专利技术制备石墨-金属复合材料的制造过程示意图；图2是本专利技术制备石墨-金属复合材料的结构示意图；图3是本专利技术制备石墨-金属复合材料的结构示意图；图4是本专利技术制备石墨-金属复合材料的结构示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本专利技术提供的在金属中定向掺杂石墨的方法，包括以下步骤：将金属原料粉体和/或镀有金属膜的石墨粉体混合并堆积成烧结层，使得所述镀有金属膜的石墨粉体以预设比例处于该烧结层预设的位置；所述金属原料粉体和所述石墨粉体表面的镀膜的金属。所述金属原料粉体，粒径1um-1000um，优选其熔点低于1600℃、热导性超过75W/M.K、密度低于7.8g/cm3、强度超过60MPa的金属单质或合金，优选粒径50um，熔点660℃，热导性240W/MK，密度2.7g/cm3，强度80MPa的铝。所述金属原料粉体与所述石墨粉体表面的镀膜的金属相互浸润。更优选的，所述金属原料粉体与所述石墨粉体表面的镀膜的金属能形成合金，形成金属互化物。所述镀有金属膜的石墨粉体，平均粒径在100μm至1000μm之间，长径比在20至80之间，其表面金属镀膜厚度在0.1μm至3μm之间。这样的石墨粉体兼具良好的导热性和较佳的机械强度。所述烧结层厚度在40um-1000um，所述烧结层中石墨粉体体积小于等于85％。所述烧结层含有或不含有镀有金属膜的石墨粉体；所述含有镀有金属膜的石墨粉体的烧结层中所述镀有金属膜的石墨粉体体积占20％-85％。含有不同比例石墨粉体的烧结层可依次烧结垂直方向上堆叠或水平方向上拼接在一起，形成预设的各向异性材料；所述不含有镀有金属膜的石墨粉体的烧结层厚度优选40um-500um，材料优选铝。在惰性气体保护下采用定向场将所述烧结层加热至烧结；所述定向场能量70W-700W之间，所述定向场为激光和/或微波。所述定向场以预设速度扫描所述烧结层，使得所述烧结层相应部分按照扫描路径烧结。所述烧结层厚度与定向场能量应匹配，每层烧结层可以独立控制成分，包括金属粉体种类、金属粉体规格、石墨粉体规格、石墨粉体镀膜的金属种类规格，因此可以在不同的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在金属中定向掺杂石墨的方法，其特征在于，包括以下步骤：将金属原料粉体和/或镀有金属膜的石墨粉体混合并堆积成烧结层，使得所述镀有金属膜的石墨粉体以预设比例处于该烧结层预设的位置；在惰性气体保护下采用定向场将所述烧结层加热至烧结；重复堆积烧结层并逐层烧结直至材料制备完成。

【技术特征摘要】
1.一种在金属中定向掺杂石墨的方法，其特征在于，包括以下步骤：将金属原料粉体和/或镀有金属膜的石墨粉体混合并堆积成烧结层，使得所述镀有金属膜的石墨粉体以预设比例处于该烧结层预设的位置；在惰性气体保护下采用定向场将所述烧结层加热至烧结；重复堆积烧结层并逐层烧结直至材料制备完成。2.如权利要求1所述的在金属中定向掺杂石墨的方法，其特征在于，所述镀有金属膜的石墨粉体，平均粒径在100μm至1000μm之间，长径比在20至80之间，其表面金属镀膜厚度在0.1μm至3μm之间。3.如权利要求1所述的在金属中定向掺杂石墨的方法，其特征在于，所述烧结层中石墨粉体体积小于等于85％。4.如权利要求1所述的在金属中定向掺杂石墨的方法，其特征在于，所述烧结层含有或不含有镀有金属膜的石墨粉体；所述含有镀有金属膜的石墨粉体的烧结层中所述镀有金属膜的石墨粉体体积占20％-85％。5.如权利要求1所述的在金属中定向掺杂石墨的方法，其特征在于，所述烧结层厚度在40um-1000um。6.如权利要求1所述的在金属中定向掺杂石墨的方法，其特征在于，所述金属原料粉体和所述石墨粉体表面的镀膜的金属能形成合金。7.如权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋芳，白华，杭常东，蒋鼎，熊良明，罗杰，徐东，
申请(专利权)人：长飞光纤光缆股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42