氮化鋁增強的石墨基復(fù)合材料及制備工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及熱管理材料(導(dǎo)熱、散熱材料)技術(shù)，特別涉及一種各向異性結(jié)構(gòu)的陶瓷增強型石墨基復(fù)合材料及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得大功率電子儀器、設(shè)備、部件的設(shè)計和生產(chǎn)越來越趨于小型化、輕量化、緊湊化、高效化。特別是超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，使得電子器件的功率密度越來越高，導(dǎo)致工作過程中產(chǎn)生大量的熱，這些熱量如不及時排除，將會嚴(yán)重影響電子器件或部件的工作穩(wěn)定性和安全可靠性，并顯著降低其工作效率和使用壽命。因此，散熱材料的選擇和性能優(yōu)化受到了人們的廣泛關(guān)注和重視。開發(fā)集輕質(zhì)高強，高效導(dǎo)熱和散熱等綜合性能于一體的新型熱管理材料，可以大幅度降低器件或部件的物理尺寸及工作溫度、提尚散熱效率、進而提尚器件或部件的使用壽命和穩(wěn)定性。
[0003]傳統(tǒng)的金屬(銅、鋁)是當(dāng)前工業(yè)應(yīng)用中最常用的散熱材料。但是金屬材料具有易氧化、熱膨脹系數(shù)大、密度大、比導(dǎo)熱率低等缺點。因此金屬散熱材料在使用過程中存在熱導(dǎo)率顯著下降、因熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生熱應(yīng)力等問題，大大限制了其在散熱基板、熱沉材料中的應(yīng)用。石墨是一種呈片層狀結(jié)構(gòu)的碳的同素異構(gòu)體，在片層內(nèi)，每個碳原子以共價鍵連著另外三個碳原子，呈六邊形有序或定向排列；在片層間，結(jié)合力為分子范德華力。這種層內(nèi)和層間不同的原子結(jié)合方式，使得石墨表現(xiàn)出很多性能方面的各向異性，如沿片層方向優(yōu)異的導(dǎo)熱性及流體擴散性。同時，石墨還具有耐高溫、耐熱沖擊、耐腐蝕、熱膨脹系數(shù)可調(diào)等特點，沿其片層方向室溫?zé)釋?dǎo)率極高，且比熱容是傳統(tǒng)金屬導(dǎo)熱材料(銅、銀、鋁)的10-20倍。另外，我國石墨資源豐富、純度高、成本低，是近年來最具有發(fā)展前景的新型熱管理材料。目前常規(guī)多晶石墨材料大多為各向同性，片層方向的高導(dǎo)熱特性沒有得到充分發(fā)揮，導(dǎo)致其室溫?zé)釋?dǎo)率只有70?150W/(m.K)。而已有的以片狀石墨為原料制備高取向石墨材料又存在如下問題，如力學(xué)性能差、垂直于片層方向抗彎強度低(<30MPa)、熱膨脹系數(shù)受熱過大導(dǎo)致其在散熱基板材料界面上容易產(chǎn)生熱應(yīng)力、燒結(jié)活性低、工藝溫度高、燒結(jié)條件苛刻等，限制了其在電子部件/器件中的發(fā)展[蔣文忠.炭素工藝學(xué)[M].冶金工業(yè)出版社，北京，2009]。
[0004]近年來，人們將陶瓷作為增強相引入到石墨基體中，制備出的陶瓷增強石墨基復(fù)合材料表現(xiàn)出了更加優(yōu)異的力學(xué)性能和燒結(jié)性能，并且陶瓷增強石墨基復(fù)合材料與半導(dǎo)體器件，如硅等具有更好的連接特性和相似的熱膨脹系數(shù)，可提高工作效率和使用壽命。這主要因為陶瓷材料的強共價鍵賦予其高強度、抗熱沖擊、耐高溫等良好的力學(xué)性能；同時，陶瓷(如氮化鋁、氮化硅)較小的介電常數(shù)、較低的介電損耗、與硅相近的熱膨脹系數(shù)，可以有效調(diào)節(jié)石墨基復(fù)合材料的電性能和熱物理性能。
[0005]氮化鋁陶瓷因其高的熱導(dǎo)率、良好的力學(xué)性能和介電性能、以及與硅相匹配的熱膨脹系數(shù)而成為大功率電子元器件封裝和大規(guī)模集成電路基板的理想材料，廣泛應(yīng)用于高溫電子器件、電子材料、發(fā)光二極管(LED)、先進陶瓷部件及散熱部件等方面。因此，用氮化鋁陶瓷來增強定向排列的片狀石墨，可有效束縛石墨片層受熱產(chǎn)生的熱膨脹，并在不大幅度影響材料高導(dǎo)熱性能的前提下賦予材料低密度，高強度等優(yōu)良的綜合性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有高取向石墨單相塊體材料強度低、熱膨脹系數(shù)大的缺點，本發(fā)明的目的是提供一種陶瓷增強型石墨基復(fù)合材料及快速制備方法，所獲材料具有各向異性結(jié)構(gòu)，且集輕質(zhì)、高強，沿石墨片層熱導(dǎo)率高、垂直于石墨片層熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)異性能于一體。
[0007]為達到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的:
[0008]—種氮化鋁增強的石墨基復(fù)合材料，其特征在于，按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計，以50-85%的片狀石墨為基體，10-45%的氮化鋁為增強相，添加5%的燒結(jié)助劑，采用熱壓燒結(jié)方式使所述增強相形成三維網(wǎng)狀骨架，并均勻分布在定向排布的片狀石墨基體間，使復(fù)合材料沿石墨片層、垂直于石墨片層呈各向異性結(jié)構(gòu)。
[0009]所述熱壓燒結(jié)是采用放電等離子燒結(jié)爐完成的。
[0010]以上氮化鋁增強的石墨基復(fù)合材料的制備工藝，其特征在于，包括下述步驟:
[0011](I)按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計，以10-45%氮化鋁粉和50-85%片狀石墨顆粒為原料，添加5%的燒結(jié)助劑，以無水乙醇溶液作為研磨介質(zhì)，進行球磨混料，得到氮化鋁、片狀石墨及燒結(jié)助劑的混合漿料；
[0012](2)將該混合漿料經(jīng)干燥過篩，得到復(fù)合粉體；
[0013](3)將復(fù)合粉體裝入石墨模具中，先預(yù)壓成型；
[0014](4)將裝有預(yù)壓成形試樣的石墨模具置于放電等離子燒結(jié)裝置中，對預(yù)壓成形試樣施加不低于50MPa的軸向壓力，并在真空或通有保護氣氛條件下，利用脈沖電流對預(yù)壓成形試樣進行不少于60s的激發(fā)活化，然后通過增加電流升溫至1500?1700°C進行燒結(jié)，保溫后實現(xiàn)試樣的燒結(jié)致密化，最后得到具有各向異性結(jié)構(gòu)的氮化鋁增強石墨基復(fù)合材料。
[0015]上述工藝中，所述的燒結(jié)助劑為氧化釔和氧化鋁，氧化釔和氧化鋁的質(zhì)量比為6:4。
[0016]所述球磨混料采用氧化鋁磨球，球料比為4:1，球磨時間12?48h。
[0017]所述的氮化鋁粉和片狀石墨顆粒的純度均大于99.0%，其中，氮化鋁粉的粒徑范圍為0.5-2 μm，所述片狀石墨顆粒的寬度在5?20μπι之間、寬厚比為10:1。
[0018]所述燒結(jié)分兩個階段，第一階段從室溫以大于150°C /min的升溫速率升溫至1000°C，第二階段從1000°C以小于150°C /min的升溫速率升溫至最終燒結(jié)溫度。
[0019]所述保溫，時間不少于5min。
[0020]本發(fā)明的優(yōu)點是，通過放電等離子燒結(jié)法可在較低溫度下快速制備出具有各向異性結(jié)構(gòu)的氮化鋁增強石墨基復(fù)合材料。在燒結(jié)過程中施加一定的軸向壓力，可使片狀石墨顆粒片均勻定向排布，且層間均勻分布著氮化鋁粉，經(jīng)過放電等離子燒結(jié)形成三維網(wǎng)絡(luò)狀氮化鋁陶瓷骨架增強的各向異性石墨復(fù)合材料。所制備的復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強、沿石墨片層熱導(dǎo)率高、垂直于石墨片層熱膨脹系數(shù)小的綜合優(yōu)異性能，從而可作為大功率電子器件或部件的熱管理材料使用。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明采用放電等離子燒結(jié)爐的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中:1為試樣；2為石墨模具；3為石墨壓頭；4為石墨塾塊；5為電極；6為真空室；7為石墨紙；8為壓力加載系統(tǒng)；9為冷卻系統(tǒng)；10為電源系統(tǒng)。
[0022]圖2是本發(fā)明制備的各向異性氮化鋁增強型石墨基復(fù)合材料(實施例1)的微觀結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖3是本發(fā)明制備的各向異性氮化鋁增強型石墨基復(fù)合材料(實施例1)的場發(fā)射掃描電微鏡(FESEM)照片。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明。
[0025]本發(fā)明氮化鋁增強的石墨基復(fù)合材料及制備工藝是通過圖1的放電等離子燒結(jié)爐中完成的。將制備好的復(fù)合粉體試樣I裝入石墨模具2中，預(yù)先在兩端壓頭3和模具內(nèi)壁墊制一層石墨紙7，將石墨模具放在上下石墨墊塊4中心位置，啟動壓力加載系統(tǒng)8給兩端墊塊施加50?70MPa的軸向壓力，傳遞給模具使其中試樣受到擠壓。關(guān)閉爐腔，并通過真空系統(tǒng)對整個爐腔抽真空，形成氣壓小于6Pa的真空室6。燒結(jié)在該真空或惰性氣體保護條件下進行。燒結(jié)時，通過電源系統(tǒng)10首先利用脈沖電流對試樣I進行60s的激發(fā)活化，電流激發(fā)結(jié)束后通過增加電流來實現(xiàn)溫度的升高，進行燒結(jié)。因其石墨墊塊具有優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，兩側(cè)為電極，活化階段產(chǎn)生鋸齒狀脈沖電流于粉體微粒上形成微區(qū)放電等離子體，使得顆粒間產(chǎn)生瞬間高溫促使原子擴散產(chǎn)生頸縮，并消除三角晶界處的微氣孔，實現(xiàn)快速致密化，隨后通電加熱于粉體，利用熱擴散以及電界擴散效應(yīng)完成燒結(jié)過程。保溫過程結(jié)束后，冷卻系統(tǒng)9可以讓燒結(jié)爐和試樣的溫度快速降至室溫。利用這一過程可實現(xiàn)材料的快速燒結(jié)。
[0026]實施例1
[0027]稱取質(zhì)量比為85:10的片狀石墨粉料和氮化鋁粉，并添加占總質(zhì)量比為3%的氧化釔和2%的氧化鋁作為燒結(jié)助劑，以無水乙醇為球磨介質(zhì)在滾筒式球磨機上進行混料，轉(zhuǎn)速為100r/min，氧化鋁磨球和粉料的質(zhì)量比(球料比)為4:1，球磨12h后干燥過篩，得到混合均勻的復(fù)合粉體。取部分復(fù)合粉體，裝入石墨模具中。模具的上下壓頭和內(nèi)壁均預(yù)先墊一層石墨紙，進行預(yù)壓制成形為試樣，隨后將石墨模具放入圖1放電等離子燒結(jié)爐中。爐腔內(nèi)抽真空，形成腔內(nèi)氣壓小于6Pa的真空室。通過加載系統(tǒng)給石墨模具施加50MPa的軸向壓力。燒結(jié)過程初始時，利用脈沖電流對試樣激發(fā)60s，接著增加電流快速升溫至1000°