[发明专利]一种轻质高导热复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及导热复合材料及其制备方法。

背景技术

随着微电子系统的功率在持续地增加，体积不断减小。处在整个设备温度最高点的电子元件本身也是热源，过高的温升往往是导致电子系统故障和失效的致命因素。为使电子系统(特别是敏感电路和元器件)能持续稳定地工作，对其进行有效可靠的散热显然十分重要因此，研究和开发高效率的电子散热材料和相关技术已刻不容缓。

金属是首选的导热材料。热传导系数很高的金、银，由于质地软、密度大、价格高而无法广泛采用；铁则由于热传导率低、密度大，无法满足高热密度场合需要，不适合用于制作计算机空冷散热片等。铜的热传导系数虽然很高，可碍于密度大、成本较高、加工难度大等不利因素，在计算机相关散热片中使用较少。铝作为地壳中含量最高的金属，因热传导系数较高、密度小、价格低而受到青睐；但由于纯铝硬度较小，在各种应用领域中通常会掺加各种配方材料制成铝合金，寄此获得许多纯铝所不具备的特性，而成为了散热片加工材料的理想选择。但是金属材料密度高、成本大、易腐蚀、在冶炼和加工过程中能耗和环境污染大，因此寻求一种性能较金属优越的轻质复合材料，若其加工过程能耗低，对环境影响小，必将成为新一代的散热材料，以部分或全部取代金属，其市场前景十分可观，除电子器件散热外，还可用于LED、大功率电器散热等领域。

石墨是碳元素的结晶体，具有比铜和银更大的热导率。沿石墨片层方向上的高导热[理论值为数kW/(mK)]特性和垂直于石墨片层方向的低导热[理论值为(6W/(mK))]特性与其特殊的层状结构有关。相比于上述金属基导热材料，碳材料的导热系数明显高，而且自身质轻、耐腐蚀、原料价廉，在散热材料开发方面具有更加优越的前途和市场。

发明内容

针对金属材料在散热领域中存在的不足，本发明的目的是提供一种轻质高导热复合材料及其制备方法。

本发明的轻质高导热复合材料，其特征在于它含有重量百分比含量为50％～95％的石墨粉，1～45％的导热纳米材料，高分子粘结剂4～5％，上述组分之和为100％，所说的导热纳米材料是碳纳米管、纳米碳纤维、SiC、AlN和Si中的一种或几种混合。

上述的石墨粉的粒径为0.1～100微米。所说的SiC、AlN和Si是粒径分别在10～500纳米的粉末。

本发明中，所说的石墨粉可以是天然鳞片石墨或人造石墨，其中，人造石墨为石墨纤维、热解石墨、酸化石墨、膨胀石墨、柔性石墨和多孔石墨中的一种或几种。

本发明中，所说的碳纳米管是单壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的一种或混合物。

轻质高导热复合材料的制备方法，其特征是步骤如下：

按权利要求1所说的重量百分比含量称取石墨粉和导热纳米材料置于密闭容器中混合，混合的同时加入高分子粘结剂，混合0.5～24小时后，烘干，制成坯体，然后在真空或者在氩气、氢气或氮气保护气氛下，于200℃以上，大于8MPa压力下热固成型。

本发明中，作为导热纳米材料的碳纳米管为经过纯化的碳纳米管，纳米碳纤维为经过纯化的纳米碳纤维；纯化方法如下：将碳纳米管或纳米碳纤维加入到硝酸、硫酸、盐酸溶液或它们的混合溶液中，超声波振荡处理0.2-24小时，过滤、用水反复冲洗至中性，烘干。

上述的高分子粘结剂可以是甲基纤维素、羟己基纤维素、羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇和聚乙烯亚胺中的一种或混合物。

本发明制备工艺简单，生产周期短。原料来源广，价格便宜。制得的复合材料成品密度小、材料内部无微裂纹，机械强度好，热导率高。

具体实施方式

实施例1

将平均粒径为50微米天然鳞片石墨粉末、经硝酸纯化的多壁碳纳米管和纳米碳纤维、平均粒径为100纳米SiC、平均粒径为80纳米AlN和平均粒径为50纳米Si粉末按照重量百分比70∶8∶8∶2∶4∶3混合，其余5％为甲基纤维素。混合是在转速10000转/分钟的搅拌器中进行，混合的同时加入质量浓度为10％甲基纤维素水溶液，混合搅拌1小时；120℃烘干，压制成形，在真空中300℃、30MPa压力下热压成型，得到轻质高导热复合材料。室温下测量其沿热压方向导热率为7.1W/m·K，垂直热压方向导热率为190W/m·K。

实施例2