一种真空熔渗法制备石墨泡沫/Cu复合材料的方法技术

本发明专利技术公开了一种真空熔渗法制备石墨泡沫/Cu复合材料的方法，属于电子封装功能材料领域，本发明专利技术在石墨泡沫表面施覆一层碳化钼层以改善铜与石墨表面的浸润性，随后进行真空熔渗获得铜/石墨泡沫复合材料，其中Cu在熔点以上进行熔渗，熔融的铜溶液在重力以及毛细管力的作用下填充石墨泡沫内部的孔洞，同时石墨泡沫作为增强体，具有复杂的三维结构，结构稳定，强度高，各项力学性能均较为优异，进而所获得的石墨泡沫/Cu复合材料高导热、低密度、低膨胀，且相比于传统的金刚石增强铜基复合材料后期加工处理难度极低，是一种应用前景非常好的电子封装用基体材料。电子封装用基体材料。

【技术实现步骤摘要】
一种真空熔渗法制备石墨泡沫/Cu复合材料的方法


[0001]本专利技术属于复合功能材料改性
，具体属于电子封装功能材料领域，特别涉及一种真空熔渗法制备石墨泡沫/Cu复合材料的方法，且还涉及所述方法制备的石墨泡沫/Cu复合材料。

技术介绍

[0002]泡沫碳，又称碳泡沫，是一种以碳原子为骨架，碳碳相连形成的多孔网状结构轻质碳材料，其最早可以追溯到上世纪60年代末Walter Ford在热解热固性聚合物时获得了一种网状玻璃体泡沫碳。作为一种新型碳材料，除具有碳材料的常规性能外，还具有耐高温、耐腐蚀、密度小、抗氧化、抗热震、易加工等特性及良好的导电、导热和吸波等性能。另外，泡沫碳与金属或非金属复合，可以获得高性能的结构材料。因此，无论是在航空航天领域还是其他高新
如微电子领域都具有十分诱人的应用前景，故而，泡沫碳的制备和应用引起了国内外研究者的广泛关注。近年来,泡沫炭材料的研究内容涉及新原料的选择与调变、制备工艺技术的开发和优化、产品的微观结构、材料的力学性能、热性能的揭示和调控以及最佳应用途径的拓展等各个方面。
[0003]泡沫炭根据石墨化程度不同可分为石墨化和非石墨化两种结构,其中，石墨化泡沫碳(又称石墨泡沫)具有高的导热性和导电性，一般由石油、煤焦油或沥青制成；非石墨化泡沫碳通常直接由煤或有机树脂制成，一般为高度无定形结构。在20世纪90年代之前，泡沫碳大都采用聚合物为原料，无法进行石墨化，机械性能较差，热导率低，一般用作绝热材料、电极材料和催化剂载体等。到20世纪90年代出现了新一代泡沫，其研究方向主要集中于用沥青替代其他原料制备泡沫碳。特别是，美国橡树岭实验室James.Klett等人1997年公布了利用中间相沥青加热过程中低分子化合物的挥发自反应发泡的方法制备石墨化的泡沫碳及石墨泡沫，其孔径平均为300μm且具有较高的比强度和导热能力。
[0004]大量研究表明，中间相沥青由于本身具备良好的分子结构有序度，而用它制备出来的石墨泡沫也具有良好均匀的孔泡，且所制备的石墨化泡沫由于连接孔泡的高度石墨化的韧带组织组成了多孔骨架结构，不仅拥有炭材料的优异性能，还可根据使用需求，通过控制发泡过程控制泡沫石墨的密度、孔泡孔径、热导率和电导率等性质。具体地，中间相沥青制备的石墨泡沫的特殊高孔隙结构使得材料密度可小于0.55g/cm3，比表面积可达5000
‑
50000m2/m3。特别地，这种石墨泡沫材料由于独特的孔隙几何结构和单纯的化学组成而兼具了结构和功能上的优异特性，如块体石墨泡沫的热导率在0.1
‑
200W
·
m
‑1·
K
‑1之间，尤其是石墨泡沫的热导率在泡沫壁的韧带结构接近于理想石墨，高达700
‑
1700W
·
m
‑1·
K
‑1。另外，石墨泡沫表现出相对各向同性的力学、热学和电学性能，非常适于制作轻型高性能散热器的核心元件，有着广阔的应用前景，并被看作是本世纪最具潜在市场的新材料之一。
[0005]然而，石墨泡沫材料与大多数金属不润湿或反应且存在界面腐蚀的现象，进而限制了石墨泡沫与金属复合的发展及其在复合材料中的应用，这就影响了复合材料在电子封装、滑动受电等众多领域的应用。特别是，石墨泡沫/Cu复合材料兼具金属铜的高导热特性
和石墨材料的低膨胀性，是极具潜力的电子封装材料，但是铜与碳润湿性差，固态和液态时的溶解度小，不发生化学反应，且不形成碳化物，因此，Cu/碳材料的复合材料的界面结合是以机械结合为主的物理结合，即使在超过铜熔点的高温下，碳与铜也不会润湿更不会发生反应，故而，铜与碳之间的界面结合较弱，其横向剪切强度仅为30MPa。所以，石墨泡沫/Cu复合材料的制备过程中需要首先解决Cu/C之间润湿性的问题。
[0006]美国空军实验室的McCoy和Vrable等人采用真空液相浸渗的工艺研制出了热室温热导率为342W/m
·
K的石墨泡沫/铜复合材料。该复合材料通过涂层改善石墨泡沫与铜的润湿性，但是目前对所用关键的涂层技术并没有报道。因此，如何改善石墨泡沫与铜之前的润湿性以获得性能较为优异的复合材料成为电子封装材料领域的研究者的重要研究方向之一。

技术实现思路

[0007]为解决上述问题，本专利技术在对现有技术进行大量的研究之后提供一种真空熔渗法制备石墨泡沫/Cu复合材料的方法，该方法制备的复合材料导热性较高，密度较低、膨胀系数较小，且后期加工处理难度也较低，是一种非常有潜力的电子封装功能材料。
[0008]在本专利技术的第一方面，本专利技术提供一种真空熔渗法制备石墨泡沫/Cu复合材料的方法，其依次包括以下步骤：
[0009](S1)清洗烘干：将石墨泡沫用有机溶剂进行清洗并进行烘干；
[0010](S2)表面改性：在清洗烘干后的石墨泡沫的表面施覆一层碳化钼层；
[0011](S3)真空熔渗：将表面改性的石墨泡沫与铜在真空度为10Pa以下且温度为1020
‑
1200℃的情况下进行真空熔渗15
‑
90min，随后冷却即可获得石墨泡沫/Cu复合材料。
[0012]本专利技术方法在Cu熔点以上进行熔渗，熔融的铜溶液在重力以及毛细管力的作用下填充石墨泡沫内部的孔洞，同时石墨泡沫作为增强体，具有各向同性的三维结构，结构稳定，进而所获得的石墨泡沫/Cu复合材料高导热、低密度、低膨胀，且相比于传统的金刚石增强铜基复合材料后期加工处理难度极低，是一种应用前景非常好的电子封装用基体材料。另外，需要特别注意的是，本专利技术复合材料本质上就是以石墨泡沫作为增强体骨架，且铜在真空熔渗过程中均匀填满石墨泡沫的孔隙中。
[0013]优选地，在上述方法中，所述步骤(S1)中采用的石墨泡沫的孔隙率为60
‑
80％，且孔径为250
‑
350μm。在真空熔渗时，铜溶液渗透的厚度受到石墨泡沫的孔径和孔隙率限制，故而需要合理选择石墨泡沫的孔径和孔隙率，以使真空熔渗时铜溶液渗透的厚度能保证所获得复合材料的性能。
[0014]优选地，在上述方法中，所述石墨泡沫内的孔体积与所述铜的体积的比例为1:(1
‑
1.10)，使得铜得以在真空熔渗过程中均匀填满作为复合材料骨架的石墨泡沫的孔隙，因此根据所选石墨泡沫的孔隙率不同而选择加入的铜量不同，例如选用的80％孔隙率的泡沫石墨为例，应添加体积至少为80％孔隙率的石墨泡沫的孔体积的铜，如果切割的该石墨泡沫试样尺寸为12*12*2mm，则石墨泡沫试样的宏观体积288mm3，石墨泡沫的孔的体积为230.4mm3，需要至少加入体积为230.4mm3的铜。
[0015]优选地，在上述方法中，所述步骤(S1)中采用的有机溶剂，包括但不限于，丙酮、无水乙醇和/或石油醚。在清洗石墨泡沫以除去表面杂质时所用的有机溶剂并不局限于这些，
但基于成本和易于烘干的考虑，选择丙酮、无水乙醇和/或石油醚。
[0016]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种真空熔渗法制备石墨泡沫/Cu复合材料的方法，其特征在于，依次包括以下步骤：(S1)清洗烘干：将石墨泡沫用有机溶剂进行清洗并进行烘干；(S2)表面改性：在清洗烘干后的石墨泡沫的表面施覆一层碳化钼层；(S3)真空熔渗：将表面改性的石墨泡沫与铜在真空度为10Pa以下且温度为1020
‑
1200℃的情况下进行真空熔渗15
‑
90min，随后冷却即可获得石墨泡沫/Cu复合材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(S1)中采用的石墨泡沫的孔隙率为60
‑
80％，且孔径为250
‑
450μm。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(S2)中施覆碳化钼层的方式为电镀、化学镀、盐浴镀、蒸镀、化学气相沉积或物理气相沉积，更优选盐浴镀。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(S2)中通过盐浴镀施覆碳化钼层的步骤为：(S21)混料：将三氧化钼(MoO3)与混合盐混合均匀，得到钼
‑
盐混合物；(S22)盐浴镀覆：将石墨泡沫与钼
‑
盐混合物在惰性气氛和镀覆温度为1000
‑
1100℃的情况下镀覆15

【专利技术属性】
技术研发人员：何新波，陈海天，张忍，吕少敏，刘鹏飞，吴茂，关洪达，张子建，
申请(专利权)人：北京科技大学广州新材料研究院，
类型：发明
国别省市：