[发明专利]轻质高导热纳米复合材料及其制备方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及导热材料，特别是涉及一种生产成本低，重量轻，散热效果好的轻质高导热复合材料及其制备方法。

【背景技术】

随着微电子技术的复杂程度和功能以惊人的速度增加，其功率也在持续增加，而体积却不断减小。由于电子元件本身也是热源，处在整个电子设备温度的最高点，其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，对其进行可靠有效地散热显然十分重要。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。

众所周知，金属是常用的导热材料。金属导热材料中，热传导系数很高的金、银因质地软、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，而无法满足高热密度场合需要，且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，但由于密度大、成本较高、加工难度大等不利因素，在计算机设备的散热片中使用较少；铝作为地壳中含量最高的金属元素，因其热传导系数较高、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其它金属材料制成铝合金，借此获得许多纯铝所不具备的特性，因而成为散热片加工材料的首选。此外，由于金属材料密度高，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，加工过程能耗低，对环境影响小的轻质复合材料作为新的散热材料，以部分或全部取代金属，就成为一种客观需求。

另一方面，人们知道石墨是一种非金属元素，它是碳元素的结晶体，具有比铜和银更大的热导率。石墨沿其片层方向上的高导热[理论值为数kW/(mK)]特性和垂直于其片层方向的低导热[理论值为(6W/(mK))]特性与其特殊的层状结构有关。与上述金属基导热材料相比，碳材料的导热系数明显较高，且自身质轻、耐腐蚀、原料价廉易得，且我国石墨矿产资源丰富，分布面积广阔，地矿储量大，使得碳材料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】

本发明旨在解决传统散热材料存在的问题，而提供一种原料易得且廉价，生产成本低，重量轻，散热效果好，可部分或全部取代金属散热材料的轻质高导热复合材料。

本发明的目的还在于提供该复合材料的制备方法。

为实现上述目的，本发明提供一种轻质高导热复合材料，该复合材料是由重量百分比含量为50％～99％的石墨粉基体材料与重量百分比含量为1～50％的碳化硅粉末和/或硅粉末材料混合而成。

优选地，该复合材料是由重量百分比含量为85％的石墨粉基体材料与重量百分比含量为15％的碳化硅粉末和/或硅粉末材料混合而成。

石墨粉选自天然鳞片石墨、人造石墨中的一种或几种研磨成的粉体，其中人造石墨如热解石墨、酸化石墨、膨胀石墨、柔性石墨、多孔石墨。

碳化硅粉末和/或硅粉末材料是粒径为10～500纳米的碳化硅(SiC)粉末、硅(Si)粉末中的一种或其组合。

本发明还提供了轻质高导热复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

a、选取粒度为0.1～100微米的石墨粉和粒度为10～500纳米的碳化硅粉及硅粉；

b、将重量比为50～99∶0～50∶0～50的石墨粉、碳化硅粉、硅粉物料置于密闭容器中，在搅拌条件下混合0.5～24小时，混合的同时加入重量为物料重量1～10％的高分子粘结剂，混合后的物料经干燥，分散，得到复合材料前驱体粉末；

c、将前驱体粉末在无氧气氛下，温度在200℃以上，压力大于8MPa条件下热固成型。

步骤b中，所述高分子粘结剂为甲基纤维素、羟已基纤维素、羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚乙烯亚胺中的一种或几种的混合物。石墨粉、碳化硅粉、硅粉物料的重量比为60～80∶20～40∶20～40。

步骤c中，所述无氧气氛为真空状态或氩气、氢气、氮气、氨气保护气氛。所述热固成型选自加压烧结、热轧制、热挤出、放电等离子体烧结、超高压烧结、电火花烧结、微波烧结中的中的一种。

本发明的贡献在于，它有效克服了金属散热材料密度高，成本大，易腐蚀、在冶炼和加工过程中能耗和环境污染大等缺陷。与传统的金属散热材料相比，本发明的轻质高导热复合材料具有以下特点：

一、原料来源广泛，生产成本及价格低廉，产品耐腐蚀性能好。

二、制备工艺简单，生产周期短。

三、该复合材料可一次成型，成品密度小、材料内部无微裂纹。

四、导热率高，散热效果好。可部分或全部替代金属导热材料。

【具体实施方式】