本發(fā)明涉及金屬基復(fù)合材料、熱管理領(lǐng)域，具體涉及一種具有導(dǎo)熱連通構(gòu)型的疊層金剛石-石墨銅基復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

0、技術(shù)背景

1、隨著電子設(shè)備的小型化和高性能化，電子元器件的功率密度不斷增加，產(chǎn)生的熱量也隨之增多。高性能計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、led照明、功率電子器件等領(lǐng)域迫切需要性能優(yōu)良的散熱材料，以便有效降低電子元件的工作溫度，提高設(shè)備的可靠性和壽命。石墨/銅復(fù)合材料因其較高的熱導(dǎo)率而受到廣泛關(guān)注。

2、高導(dǎo)熱的石墨膜在其水平方向熱導(dǎo)率高達(dá)2000w/(m﹒k)，縱向方向熱導(dǎo)率不到水平方向的百分之一。石墨膜與銅層疊復(fù)合后在水平方向上展現(xiàn)出較好的熱導(dǎo)率。文章《fabrication?of?graphite?films/copper?composites?by?vacuum?hot?pressing?forhigh-efficiency?thermal?management?property》使用真空熱壓燒結(jié)法制備了疊層石墨膜/銅復(fù)合材料，其水平方向熱導(dǎo)率為485.2w/(m﹒k)。受限于石墨膜的各向異性，復(fù)合材料縱向方向熱導(dǎo)率較低，例如：中國(guó)專利cn103864067b制備了一種超高導(dǎo)熱石墨膜/銅復(fù)合材料，其縱向熱導(dǎo)率僅為60w/(m﹒k)，由于石墨的加入復(fù)合材料的縱向?qū)崧拭黠@過(guò)低。另一方面，隨著石墨層疊數(shù)目的增加，復(fù)合材料縱向熱導(dǎo)率下降明顯。在很多電子設(shè)備中，散熱材料的要求厚度為1-4mm。這往往需要層疊數(shù)十層石墨膜。由于石墨縱向的熱導(dǎo)率僅為10w/(m﹒k)左右，在縱向方向上石墨更像是熱障層，而非熱導(dǎo)層。

3、利用高導(dǎo)熱相將層疊的石墨相互鏈接，將隔離的石墨散熱平面縱向打通，形成三維立體傳輸?shù)膶?dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)是解決層疊石墨膜/銅復(fù)合材料縱向熱導(dǎo)率差的一個(gè)思路。在這里面有兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題有待解決：其一，高導(dǎo)熱相和石墨需要緊密接觸，盡量保證界面熱阻較低，這是形成三維立體導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的前提。其二，需要對(duì)高導(dǎo)熱相的構(gòu)型分布進(jìn)行可控調(diào)，針對(duì)電子元器件局部熱點(diǎn)散熱問(wèn)題突出的問(wèn)題，在熱點(diǎn)位置配置更多的縱向?qū)嵬ǖ?，這樣熱量既可水平散出又可高效的縱向傳輸至各個(gè)石墨層，將各個(gè)石墨層的散熱功效最大化。

4、本發(fā)明針對(duì)上述問(wèn)題通過(guò)添加金剛石導(dǎo)熱顆粒來(lái)連接上下石墨層，使用多孔銅模板法進(jìn)行燒結(jié)制備，設(shè)計(jì)的多孔銅模板可以精確調(diào)控金剛石的分布構(gòu)型，最大限度優(yōu)化其在不同場(chǎng)景下的熱學(xué)性能；在金剛石-石墨/銅復(fù)合材料燒結(jié)成型的過(guò)程中，金剛石-石墨膜的界面處發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成碳化鉻，使界面連接更緊密，并連接豎直方向的熱流通道，提升縱向熱導(dǎo)率；同時(shí)通過(guò)本發(fā)明的制備方法能夠使疊層金剛石-石墨/銅復(fù)合材料一步成形，解決了熱管理材料厚度難以調(diào)控的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供一種具有導(dǎo)熱連通構(gòu)型的疊層金剛石-石墨銅基復(fù)合材料及其制備方法，利用金剛石表面鍍覆的金屬鉻層在燒結(jié)時(shí)形成碳化鉻與各石墨層相連，形成了一個(gè)三維的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)通道，從而提升復(fù)合材料縱向方向上的熱導(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料厚度方向上導(dǎo)熱通道的可控制備。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種疊層金剛石-石墨銅基復(fù)合材料，所述疊層為石墨-金剛石交替層疊結(jié)構(gòu)，所述復(fù)合材料結(jié)構(gòu)為銅填充所述交替層疊結(jié)構(gòu)，所述石墨-金剛石之間層間以碳化鉻為連接層，上下為片狀石墨層，中間為嵌有金剛石顆粒的銅層，金剛石兩端高出銅層并刺入石墨層中，石墨和金剛石的接觸界面有一層碳化鉻層。

3、所述疊層金剛石-石墨銅基復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：

4、(1)將金剛石顆粒鍍覆鉻層；

5、(2)金剛石、石墨膜和多孔銅模板形成預(yù)制體；

6、(3)預(yù)制體經(jīng)過(guò)真空熱壓燒結(jié)，制備得到疊層金剛石-石墨銅基復(fù)合材料。

7、優(yōu)選的，所述疊層金剛石-石墨銅基復(fù)合材料的制備方法，步驟(1)中所述金剛石為人工合成單晶顆粒，粒徑為300μm，體積分?jǐn)?shù)為30％。

8、優(yōu)選的，步驟(1)中所述石墨膜厚度為70μm，密度為2.1g/cm3。

9、優(yōu)選的，所述多孔銅模板為銅鉻合金基板，鉻含量為0.2wt％，孔徑為300μm，厚度為320μm。

10、優(yōu)選的，步驟(1)中所述金剛石表面鍍覆鉻層厚度為100nm。

11、優(yōu)選的，步驟(2)中所述金剛石、石墨膜和多孔銅模板形成預(yù)制體具體過(guò)程為：金剛石顆粒均勻分散在多孔銅模板孔洞中，含有金剛石的多孔銅模板與石墨膜層疊交替放置，最終形成總厚度為0.5-10mm厚的復(fù)合材料，

12、優(yōu)選的，多孔銅模板的堆疊時(shí)使金剛石顆粒在豎直方向上成一條直線，是為了在縱向方向上(也就是豎直方向上)達(dá)到最佳散熱效果。

13、優(yōu)選的，步驟(3)中所述真空熱壓燒結(jié)具體為將預(yù)制體在真空低于10pa，升溫速率20℃/min加熱至600℃，保溫10min，同樣的升溫速率，繼續(xù)升溫到950℃，同時(shí)施加15mpa的壓力，保壓保溫60min，使金剛石刺入石墨層15μm并與鉻層反應(yīng)形成碳化鉻，冷卻得到疊層金剛石/碳化鉻/石墨銅基復(fù)合材料，疊層所得復(fù)合材料厚度為0.5-10mm。

14、因此，本發(fā)明的有益效果在于：在金剛石上鍍覆鉻層，金剛石分散在定制多孔銅模板孔洞中，多孔銅模板可以根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)不同孔洞分布的構(gòu)型?？讓?duì)金剛石起到定位效果，有效避免金剛石出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，放置金剛石的多孔銅模板與石墨膜交替放置，并形成各層金剛石點(diǎn)位一一對(duì)應(yīng)的特殊構(gòu)造預(yù)制體。通過(guò)真空熱壓燒結(jié)，使金剛石刺入石墨層并與鉻層反應(yīng)形成碳化鉻，冷卻得到疊層的金剛石/碳化鉻/石墨化學(xué)連接的銅基復(fù)合材料。本發(fā)明在金剛石上鍍覆鉻層，并將經(jīng)過(guò)物理氣相沉積鍍覆鉻層的金剛石、石墨膜與多孔銅模板形成預(yù)制體從而進(jìn)行熱壓燒結(jié)，鉻金屬層在700℃時(shí)開始與石墨生成碳化鉻，在900-950℃時(shí)生成cr7c3和cr3c2，燒結(jié)后得到疊層的金剛石-碳化鉻-石墨的高導(dǎo)熱橋梁。大大提升了銅基體與金剛石增強(qiáng)體的結(jié)合強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的熱導(dǎo)性能的提升。金剛石和石墨作為導(dǎo)熱通道的好處。實(shí)現(xiàn)了界面的化學(xué)鏈接。所得的金剛石-碳化鉻-石墨界面避免了與銅基體的接觸，界面純凈、熱阻小。利用銅模板燒結(jié)法，可根據(jù)熱流不同走向，金剛石的排布可以設(shè)計(jì)變化，達(dá)到最高的利用效率。該方法簡(jiǎn)單高效，將界面鏈接的熱處理和復(fù)合材料致密化燒結(jié)步驟合并，可實(shí)現(xiàn)厚度方向上導(dǎo)熱通道的梯度制備。

15、本發(fā)明可以通過(guò)激光或機(jī)械打孔等方式在銅箔上設(shè)計(jì)不同的網(wǎng)狀構(gòu)型，金剛石填充在設(shè)計(jì)的孔洞中作為縱向?qū)嵬ǖ?，通過(guò)真空熱壓燒結(jié)法制備出橫縱向高導(dǎo)熱且具有一定機(jī)械強(qiáng)度的疊層金剛石-石墨銅基復(fù)合材料，其中復(fù)合材料的厚度可以通過(guò)層數(shù)進(jìn)行調(diào)整，其制備工藝簡(jiǎn)單，應(yīng)用場(chǎng)景廣泛。

技術(shù)特征：

1.一種疊層金剛石-石墨銅基復(fù)合材料，其特征在于，所述疊層為石墨-金剛石交替層疊結(jié)構(gòu)，所述復(fù)合材料結(jié)構(gòu)為銅填充所述交替層疊結(jié)構(gòu)，所述石墨-金剛石之間層間以碳化鉻為連接層，上下為片狀石墨層，中間為嵌有金剛石顆粒的銅層，金剛石兩端高出銅層并刺入石墨層中，石墨和金剛石的接觸界面有一層碳化鉻層。

2.如權(quán)利要求1所述疊層金剛石-石墨銅基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

3.如權(quán)利要求2所述疊層金剛石-石墨銅基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟(1)中所述金剛石為人工合成單晶顆粒，粒徑為100-500μm，密度為3.47-3.56g/cm3，體積分?jǐn)?shù)為10-30％。

4.如權(quán)利要求2所述疊層金剛石-石墨銅基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟(1)中所述石墨膜厚度為30-100μm，密度為1.7-2.3g/cm3。

5.如權(quán)利要求2所述疊層金剛石-石墨銅基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述多孔銅模板為銅鉻合金基板，鉻含量為0.1-5wt％，孔徑為110-510μm，厚度為100-520μm。

6.如權(quán)利要求2所述疊層金剛石-石墨銅基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟(1)中所述金剛石表面鍍覆鉻層厚度為10-110nm。

7.如權(quán)利要求2所述疊層金剛石-石墨銅基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟(2)中所述金剛石、石墨膜和多孔銅模板形成預(yù)制體具體過(guò)程為：金剛石顆粒均勻分散在多孔銅模板孔洞中，含有金剛石的多孔銅模板與石墨膜層疊交替放置，最終形成總厚度在0.2mm以上厚的復(fù)合材料。

8.如權(quán)利要求7所述疊層金剛石-石墨銅基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，多孔銅模板的堆疊時(shí)使金剛石顆粒在豎直方向上成一條直線。

9.如權(quán)利要求2所述疊層金剛石-石墨銅基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟(3)中所述真空熱壓燒結(jié)具體為將預(yù)制體在真空低于10pa，升溫速率20℃/min加熱至600℃，保溫10min，同樣的升溫速率，繼續(xù)升溫到850-1000℃，同時(shí)施加10-30mpa的壓力，保壓保溫30-60min，使金剛石刺入石墨層10-30μm并與鉻層反應(yīng)形成碳化鉻，冷卻得到疊層金剛石/碳化鉻/石墨銅基復(fù)合材料，疊層所得復(fù)合材料厚度為0.5-5mm。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種疊層金剛石?石墨銅基復(fù)合材料及其制備方法，所述疊層為石墨?金剛石交替層疊結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)為銅填充所述交替層疊結(jié)構(gòu)，所述石墨?金剛石之間層間以碳化鉻為連接層，上下為片狀石墨層，中間為嵌有金剛石顆粒的銅層，金剛石兩端高出銅層并刺入石墨層中，石墨和金剛石的接觸界面有一層碳化鉻層。復(fù)合材料的制備方法包括如下步驟：將金剛石顆粒鍍覆鉻層；金剛石、石墨膜和多孔銅模板形成預(yù)制體；預(yù)制體經(jīng)過(guò)真空熱壓燒結(jié)，制備得到疊層金剛石?石墨銅基復(fù)合材料。復(fù)合材料連接了豎直方向的熱流通道，提升縱向熱導(dǎo)率；同時(shí)通過(guò)本發(fā)明的制備方法能夠使疊層金剛石?石墨/銅復(fù)合材料一步成形，解決熱管理材料厚度難以調(diào)控的問(wèn)題。

技術(shù)研發(fā)人員：魯芬芳,劉騫,尹鑫瑤,陳一菲,宋典,張智豪,王佩琛
受保護(hù)的技術(shù)使用者：湖南科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/10