專利名稱：碳鋁復合材料的提高的熱性質(zhì)的制作方法
碳鋁復合材料的提高的熱性質(zhì)優(yōu)先權和相關申請本申請要求2009年12月2日提交的美國非臨時申請系列號12/629，853的優(yōu)先權并與該申請相關，該申請以引用方式并入本文。2009年12月2日提交的美國非臨時申請系列號12/6 ，853要求2008年12月 3日提交的美國臨時申請系列號61/119，562的優(yōu)先權并與其相關，該申請以引用方式并入本文，且美國非臨時申請系列號12/629，853要求2009年1月27日提交的美國臨時申請系列No. 61/147，628的優(yōu)先權，該申請以引用方式并入本文。
背景技術：
本申請涉及提高碳鋁復合材料的熱性質(zhì)和物理性質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的制造制品包含含碳基體。所述含碳基體可包含選自石墨結晶碳材料、碳粉和人造石墨粉或其組合的至少一種類型的碳材料。此外，所述含碳基體包含多個孔隙。所述制造制品也包含含有A1、A1合金或其組合的金屬組分。所述金屬組分被布置于多個孔隙的至少一部分中。另外，所述制造制品包含添加劑，該添加劑至少包含Si。至少一部分添加劑被布置于孔隙內(nèi)的金屬組分和含碳基體之間的界面中。該添加劑增強了界面處的聲子耦合和傳播。所述添加劑可占所述金屬組分的5質(zhì)量％至11質(zhì)量％之間。此外，所述界面可包含Si晶體、SixCy、AlaSibC。或其組合。在一些情況中，本發(fā)明的制造制品可不含或僅含痕量的Al4C3，如小于1 %的Al4C30


詳細描述參照附圖進行描述。在圖中，附圖標記的最左邊的數(shù)字確定該附圖標記首次出現(xiàn)的附圖。相同的數(shù)字在整個附圖中用于表示類似的特征和元素。圖IA和IB顯示了較高品質(zhì)針狀焦炭和較低品質(zhì)的焦炭的掃描電子顯微(SEM)圖像。圖2顯示了粗石墨粒子結構和細石墨粒子結構的SEM圖像。圖3為顯示制備碳質(zhì)基體的方法的流程圖。圖4顯示碳質(zhì)基體的拉曼光譜的一個例子。圖5顯示碳質(zhì)基體的透射電子顯微(TEM)圖像。圖6A和6B顯示碳質(zhì)基體的納米石墨片的另外的TEM圖像。圖7A和7B顯示碳質(zhì)基體的TEM衍射圖案和圖像。圖8顯示制造碳-鋁復合材料熱管理材料的方法的流程圖。圖9A和9B顯示可使用碳-鋁復合材料的傳熱裝置。圖10顯示在碳質(zhì)基體的孔隙內(nèi)碳和鋁之間的界面的形成。圖11顯示界面層的極高放大率的TEM圖像，其顯示了石墨碳和鋁填充材料之間的界面。圖12A、12B和12C顯示在碳-鋁復合材料中的不同位置拍攝的TEM圖像。圖13A顯示碳-鋁復合材料的掃描電子顯微(SEM)圖像，圖1 顯示碳-鋁復合材料的對應的能量色散X-射線(EDX)分析。圖14顯示硅、鋁和碳的三元相圖。圖15顯示鋁和硅的相圖。圖16顯示碳-鋁復合材料的拉曼光譜圖。圖17顯示在碳-鋁復合材料中的富鋁區(qū)域的拉曼光譜圖。圖18顯示碳-鋁復合材料的χ-射線衍射圖(XRD)。圖19顯示XRD峰確定的參照峰的圖。
具體實施例方式本發(fā)明的熱管理復合材料包含金屬、碳質(zhì)骨架和添加劑。熱管理復合材料可通過將特定的添加劑加入原料而獲得預定的熱性質(zhì)。這些添加劑可以1)控制碳質(zhì)骨架的品質(zhì)；2)得到用于增加總熱導率的在金屬和碳質(zhì)骨架之間的界面層；3)抑制降低復合材料的性能的不需要的化學副產(chǎn)物；以及4)提供提高復合材料性能的特定的化學產(chǎn)物。這些結果可提高復合材料的熱性質(zhì)和物理性質(zhì)。不希望受限于任何理論，熱傳導由如下公式1所述的溫差(溫度梯度)支配。=公式 1其中Φ,為以W*m_2計的熱通量，Τ( )為以開爾文計的溫度場，κ為以W.nT1 f1
計的熱導率。當熱能傳遞至無限小的體積或自無限小的體積傳遞時，局部溫度根據(jù)材料的比熱容而變化，其由如下公式2所定義。dT = 公式 2其中Cp為以J · kg"1 · Γ1計的在恒定壓力下的比熱容。將這兩個法則放在一起，得到由如下公式3定義的熱方程。l=aV2r公式 3其中α為以m2 · S"1計的熱擴散率，且α由如下公式4給出。α = T^公式 4其中ρ為以kg· πΓ3計的材料密度。產(chǎn)品CpP也稱為容積熱容。對于1維體系， 格林函數(shù)由如下公式5給出。G(x, t) = , 1公式 5
-JAnat公式5中的格林函數(shù)為對于在具有無限域的材料中在χ = 0處的δ -函數(shù)初始溫度分布的公式3的解。公式3的3維格林函數(shù)由如下公式6定義。
權利要求
1.一種制造制品，其包含包含選自石墨結晶碳材料、碳粉和人造石墨粉或其組合的至少一種類型的碳材料的含碳基體，所述含碳基體包含多個孔隙；包含Al、Al合金或其組合的金屬組分，所述金屬組分被布置于所述多個孔隙的至少一部分中；以及至少包含Si的添加劑，至少一部分所述添加劑被布置于孔隙內(nèi)的金屬組分和含碳基體之間的界面中，所述添加劑增強界面處的聲子耦合和傳播。
2.根據(jù)權利要求1所述的制造制品，其中所述金屬組分被布置于至少90體積％的所述多個孔隙中。
3.根據(jù)權利要求1所述的制造制品，其中所述添加劑被布置于金屬組分中和界面中。
4.根據(jù)權利要求3所述的制造制品，其中所述添加劑占所述金屬組分的小于11質(zhì)量％。
5.根據(jù)權利要求3所述的制造制品，其中所述添加劑占所述金屬組分的大于5質(zhì)量％。
6.根據(jù)權利要求1所述的制造制品，其中所述添加劑包含Si晶體。
7.根據(jù)權利要求1所述的制造制品，其中所述界面包含Si晶體、SiC、AlaSibCc或其組合。
8.根據(jù)權利要求1所述的制造制品，其還包含不超過的Al4C315
9.根據(jù)權利要求1所述的制造制品，其中所述界面的厚度小于lOOnm。
10.根據(jù)權利要求1所述的制造制品，其具有300W/mK至600W/mK范圍內(nèi)的熱導率。
11.根據(jù)權利要求1所述的制造制品，其具有0.8cm2/s至3. 2cm2/s范圍內(nèi)的熱擴散率。
12.—種制備如權利要求1所述的制造制品的方法，其包括 將含碳基體、金屬組分和添加劑提供至模子；將模子加壓至80MPa至IOOMPa范圍內(nèi)的壓力和700°C至800°C范圍內(nèi)的溫度達10分鐘至20分鐘范圍內(nèi)的持續(xù)時間。
13.根據(jù)權利要求12所述的方法，其還包括將含碳基體預加熱至700°C至750°C范圍內(nèi)的溫度，并在加壓模子之前將模子和模頭預加熱至約250°C的溫度。
14.根據(jù)權利要求12所述的方法，其還包括在加壓模子之前在700°C至750°C范圍內(nèi)的溫度下熔融所述金屬組分。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法，其還包括在熔融所述金屬組分之前預混合所述添加劑和所述金屬組分。
16.根據(jù)權利要求14所述的方法，其還包括在熔融所述金屬組分之后將所述添加劑加入所述金屬組分。
17.根據(jù)權利要求12所述的方法，其還包括將碳塊加熱至3200°C至3600°C范圍內(nèi)的溫度達2天至3天范圍內(nèi)的持續(xù)時間以形成含碳基體。
18.根據(jù)權利要求17所述的方法，其還包括在500°C至800°C范圍內(nèi)的溫度下擠出石油焦、針狀焦、焦油或其混合物以形成碳塊。
19.根據(jù)權利要求12所述的方法，其還包括將權利要求1所述的制造制品機械加工為傳熱裝置。
20.一種通過包括如下步驟的方法制得的制造制品將含碳基體、一定量的Si和固體或熔化的Al或Al合金提供至模子，所述含碳基體包含選自石墨結晶碳材料、碳粉、人造石墨粉或其組合的至少一種類型的碳材料；以及將模子加壓至80MPa至IOOMPa范圍內(nèi)的壓力和700°C至800°C范圍內(nèi)的溫度達10分鐘至20分鐘范圍內(nèi)的持續(xù)時間。
21.一種制造制品，其包含包含選自石墨結晶碳材料、碳粉和人造石墨粉或其組合的至少一種類型的碳材料的含碳基體，所述含碳基體包含多個孔隙；其中所述含碳基體由高壓壓模機制得；金屬組分，所述金屬組分包含Al、Al合金或其組合，所述金屬組分被布置于多個孔隙的至少一部分中；以及至少包含Si的添加劑，至少一部分所述添加劑被布置于孔隙內(nèi)的金屬組分和含碳基體之間的界面中，所述添加劑增強界面處的聲子耦合和傳播。
22.根據(jù)權利要求21所述的制造制品，其中最大熱導率垂直于在含碳基體形成過程中高壓壓模機在含碳基體上施加的壓力方向。
23.一種制造制品，其包含包含選自石墨結晶碳材料、碳粉和人造石墨粉或其組合的至少一種類型的碳材料的含碳基體，所述含碳基體包含多個孔隙；其中所述含碳基體通過擠出制得；金屬組分，所述金屬組分包含Al、Al合金或其組合，所述金屬組分被布置于多個孔隙的至少一部分中；以及至少包含Si的添加劑，至少一部分所述添加劑被布置于孔隙內(nèi)的金屬組分和含碳基體之間的界面中，所述添加劑增強界面處的聲子耦合和傳播。
24.根據(jù)權利要求23所述的制造制品，其中最大熱導率平行于在含碳基體形成過程中的擠出方向。
全文摘要
一種制造制品包含含碳基體。所述含碳基體可包含選自石墨結晶碳材料、碳粉和人造石墨粉的至少一種類型的碳材料。此外，所述含碳基體包含多個孔隙。所述制造制品也包含含有Al、Al合金或其組合的金屬組分。所述金屬組分被布置于多個孔隙的至少一部分中。另外，所述制造制品包含添加劑，該添加劑至少包含Si。至少一部分添加劑被布置于孔隙內(nèi)的金屬組分和含碳基體之間的界面中。該添加劑增強了界面處的聲子耦合和傳播。
文檔編號C25D7/04GK102301039SQ200980149123
公開日2011年12月28日 申請日期2009年12月3日 優(yōu)先權日2008年12月3日
發(fā)明者I·帕維洛弗斯基, J·P·諾瓦克, M·楊, R·芬克, S·金, Z·雅尼弗, 江南, 茅東升 申請人:應用納米技術公司