高导热性能铜-氧化石墨烯砖-泥结构复合材料的制备制造技术

本发明专利技术涉及砖

【技术实现步骤摘要】
高导热性能铜
‑
氧化石墨烯砖
‑
泥结构复合材料的制备


[0001]本专利技术涉及砖
‑
泥结构复合材料
，尤其是涉及高导热性能铜
‑
氧化石墨烯砖
‑
泥结构复合材料的制备。

技术介绍

[0002]随着电子器件向微型化、高功率和高集成化的快速发展，高效散热对于维持高性能运行和延长设备寿命至关重要，因此开发出具有高热导率的热管理材料具有十分重要的现实意义。铜是一类具有优异机械加工性、导热性和导电性等优异性能的材料，广泛用作导热材料。然而，传统的铜不能满足当前电子元件封装行业地快速发展，在单位时间和单位体积内产生大量热量，这导致其性能大幅度下降。在此背景下，铜基复合材料因其增强的导热性能而应运而生。碳纤维、碳纳米管和石墨烯等碳材料因其独特的高性能特性而备受关注。特别是，石墨烯是一种新型的二维纳米碳材料，具有六边形蜂窝状结构，碳原子以sp2杂化相互连接。由于其优异的导电性和导热性，低热膨胀系数，石墨烯被认为是制造金属基复合材料的理想增强材料，可以将铜与石墨烯结合形成高导热的热管理复合材料。其中，石墨烯增强铜基复合材料是一种良好的热管理复合材料。
[0003]经过对现有技术文献的检索发现，石墨烯在铜基体中的不均匀分散和石墨烯/铜界面的弱结合强度是提高石墨烯增强铜基复合材料增强效率的两大障碍。一方面，由于石墨烯在铜基体中的团聚现象，传统的制备方法难以提高复合材料中的石墨烯的含量，损害了石墨烯对铜基体的强化效果。另一方面，石墨烯和铜基体在它们之间的界面处通过弱范德华力连接，这导致它们之间的不良界面结合，并导致界面容易分离。因此，如何改善石墨烯和铜的界面结合力和石墨烯对铜基体中的强化效果是当前研究的重点。
[0004]在自然界生物结构材料的启发下，仿生复合成为近年来材料学领域的研究重点。仿生复合构型，就是通过模仿具有优异性能和功能特性的自然生物材料的微观复合构型，并应用在工程材料的复合过程中，制备具有多尺度、多层次仿生物结构的复合材料。目前来讲，仿生的“砖
‑
泥”复合构型成为材料优异性能的模仿对象。K.M.Yang等人在《Acta Materialia》Volume 197:342
‑
354,9July 2020发表了“Anisotropic thermal conductivity and associated heat transport mechanism in roll
‑
to
‑
roll graphene reinforced copper matrix composites”论文，采用R2R CVD及随后的HIP工艺制备了叠层状石墨烯增强铜基复合材料，复合材料拥有优异的热学性能。但CVD法生产条件及成本高，不利于大规模的工业化生产，而且制备得到的石墨烯的体积分数低，无法高效改善铜基体的热膨胀系数。因此，如何改善石墨烯和铜的界面结合力和石墨烯对铜基体中的强化效果是当前研究的重点。

技术实现思路

[0005]为了解决上述问题，本专利技术的目的是提供高导热性能铜
‑
氧化石墨烯砖
‑
泥结构复合材料的制备。本专利技术是通过“砖
‑
泥”复合构型，制备具有叠层结构的铜
‑
氧化石墨烯叠层
复合材料，通过优化电泳沉积工艺参数获得薄且疏松的氧化石墨烯中间层，并在后续的电沉积过程中铜晶粒致密地覆盖住疏松的氧化石墨烯层，形成连续的空间网状结构，从而增强铜与氧化石墨烯之间的界面结合力，制备具有较高导热性能的铜
‑
氧化石墨烯砖
‑
泥结构复合材料。用于复合材料制备领域。
[0006]本专利技术旨在解决石墨烯在铜基体中的不均匀分散和石墨烯/铜界面结合力较差的问题。本专利技术通过砖
‑
泥结构的复合构型有效地增加了铜基体中石墨烯的体积分数，从而有效地改善了复合材料的热导率，降低了铜基体的热膨胀系数；通过优化电泳沉积工艺参数获得薄且疏松的氧化石墨烯中间层，并在后续的电沉积过程中氧化石墨烯得到了较好的还原，铜晶粒致密地覆盖住疏松的氧化石墨烯层，形成连续的空间网状结构，从而增强铜与氧化石墨烯之间的界面结合力。复合材料导热性能的提高，归因于在电沉积
‑
电泳沉积交替法制备过程中，氧化石墨烯的部分还原以及铜与氧化石墨烯之间的界面结合力的改善。采用本专利技术制备的铜
‑
氧化石墨烯砖
‑
泥结构复合材料具有优异的综合性能，为开发出具有高热导率的热管理材料提供了一种可取的方法。
[0007]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0008]本专利技术提供高导热性能铜
‑
氧化石墨烯砖
‑
泥结构复合材料的制备，包括以下步骤：
[0009](1)采用电沉积工艺在基地上沉积铜，得到电沉积铜基底；
[0010](2)采用电泳沉积工艺在步骤(1)制备得到的电沉积铜基底上沉积氧化石墨烯，得到氧化石墨烯/铜复合材料；
[0011](3)采用电泳沉积工艺在步骤(2)制备得到的氧化石墨烯/铜复合材料上沉积铜，得到铜/氧化石墨烯/铜叠层复合材料；
[0012](4)重复步骤(2)和步骤(3)若干次，得到铜
‑
氧化石墨烯砖
‑
泥结构复合材料。
[0013]在本专利技术的一个实施方式中，步骤(1)中，电沉积过程中，镀液由CuSO4·
5H2O、浓硫酸、盐酸组成；其中，CuSO4·
5H2O的浓度为220g/L，浓硫酸为质量分数为98％的硫酸，盐酸的浓度为20～40mg/L。
[0014]在本专利技术的一个实施方式中，CuSO4·
5H2O、浓硫酸和盐酸的质量比为55：16：14。
[0015]在本专利技术的一个实施方式中，镀液pH为1。
[0016]在本专利技术的一个实施方式中，将基底放入镀液中，采用双电极电沉积；
[0017]其中，阳极为纯度为99.9％的纯铜板(4.5cm
×
5cm
×
0.2mm)，阴极为石墨片(3cm
×
5cm
×
1mm)。
[0018]在本专利技术的一个实施方式中，电沉积过程中，电流密度为3～12A/dm2，电沉积时间为15～25min；
[0019]优选地，电流密度为9A/dm2。
[0020]在本专利技术的一个实施方式中，电沉积过程中，铜镀层厚度约为25μm。
[0021]在本专利技术的一个实施方式中，步骤(2)中，电沉积过程中，镀液由氧化石墨烯浆料和PAA500(聚丙烯酸)组成；其中，氧化石墨烯浆料的质量分数为1wt％，浓度为0.4g/L；PAA500的质量分数为50wt％。
[0022]在本专利技术的一个实施方式中，氧化石墨烯浆料、PAA500的质量比为500：1。
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.高导热性能铜
‑
氧化石墨烯砖
‑
泥结构复合材料的制备，其特征在于，包括以下步骤：(1)采用电沉积工艺在基底上沉积铜，得到电沉积铜基底；(2)采用电泳沉积工艺在步骤(1)制备得到的电沉积铜基底上沉积氧化石墨烯，得到氧化石墨烯/铜复合材料；(3)采用电泳沉积工艺在步骤(2)制备得到的氧化石墨烯/铜复合材料上沉积铜，得到铜/氧化石墨烯/铜叠层复合材料；(4)重复步骤(2)和步骤(3)n次，得到铜
‑
氧化石墨烯砖
‑
泥结构复合材料；其中，n为大于等于0的整数。2.根据权利要求1所述的高导热性能铜
‑
氧化石墨烯砖
‑
泥结构复合材料的制备，其特征在于，步骤(1)中，电沉积过程中，镀液由CuSO4·
5H2O、浓硫酸和盐酸组成。3.根据权利要求2所述的高导热性能铜
‑
氧化石墨烯砖
‑
泥结构复合材料的制备，其特征在于，CuSO4·
5H2O、浓硫酸和盐酸的质量比为55：16：14。4.根据权利要求3所述的高导热性能铜
‑
氧化石墨烯砖
‑
泥结构复合材料的制备，其特征在于，镀液pH为1。5.根据权利要求4所述的高导热性能铜
‑
氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹科，曹嘉铭，王威震，李锋嘉，杨庆超，周良工，赵斌，王卓，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：