[发明专利]高导热各向同性中间相碳微球增强铜基复合材料制备方法

说明书

一种高导热各向同性中间相碳微球增强铜基复合材料制备方法，属于金属材料领域，铜基复合材料由纯铜粉末、中间相碳微球组成。纯铜粉末体积分数为40％‑80％，中间相碳微球体积分数为20％‑60％。生产工艺步骤为：先将相应体分配比的纯铜粉末和中间相碳微球粉末进行混合，然后将混合粉末一起放入石墨模具进行放电等离子烧结，得到具有高体积分数、高热导、高致密度和近似各向同性的中间相碳微球‑铜基复合材料。本发明制备的中间相碳微球‑铜基复合材料，致密度高、组织分布均匀，可实现大批量生产、生产成本低、实用化程度高，具有较好的综合性能，其热导率近似各向同性，XY方向可达到415.61W·m^‑1·K^‑1，Z方向能达到357.27W·m^‑1·K^‑1。热膨胀系数室温条件下在3.4‑6.4×10^‑6K^‑1之间波动，致密度达到99.2％以上。

技术领域

本发明属于金属材料领域，特别涉及一种中间相碳微球-铜基复合材料(Meso-carbon Microbead-Copper Matrix Composites，MCMB-CMC)制备方法。

背景技术

石墨基面方向上能展现高效的导热性质，理论导热高达2000W·m^-1·K^-1。在垂直于石墨片层方向，石墨片层间的范德华力结合到一起，片层间理论间距为远大于石墨片层中相邻碳原子间的间距因此在垂直于石墨片层方向声子传播受到的散射作用大，热导率较低，理论值仅为6W·m^-1·K^-1。

天然石墨具有高度各向异性，其石墨片层方向热导率在50-1500W·m^-1·K^-1之间。其平面方向热导率的大小主要由石墨片层的结构所决定。热解石墨与天然石墨的结构相似，只是其晶粒沿石墨层片方向高度定向的类似石墨单晶的石墨，由热解炭在压力(10MPa)下高温热处理(3300℃以上)得到，层面方向热导率高达1600-2000W·m^-1·K^-1。天然石墨和热解石墨热导率均具有热导率高度各向异性。

作为工程材料的铜有着优良的导电性能和高的导热性能，其热导率为400W·m^-1·K^-1，热膨胀系数为17×10^-6K^-1。因此，由天然石墨或热解石墨颗粒和铜组成的双连通结构复合材料(NGCMC,Natural Graphite-Copper Matrix Composites)或(PGCMC，PyrolyticGraphite-Copper Matrix Composites)具有优异的导热性能和较小的热膨胀系数，是高性能电子装备用最有发展前景的新一代封装材料之一。目前，NGCMC或PGCMC材料较为成熟的制备方法主要有高温高压烧结法、气体或机械压力熔渗法以及SPS烧结法。这些方法可以灵活的设计基体合金成分和增强体的类型，因而材料性能的可设计性方面有着独特的优势。但是，NGCMC或PGCMC复合材料的热导率具有高度的各向异性，XY方向和Z方向的差异较大。在实际应用过程中受到重重阻碍。

发明内容

本发明目的是要解决传统NGCMC或PGCMC复合材料的热导率具有高度各向异性的问题，提供一种高导热各向同性中间相碳微球增强铜基复合材料及其制备方法，能采用较低的生产成本直接制备出近似各向同性的高热导MCMB-CMC复合材料。

一种高导热各向同性中间相碳微球增强铜基复合材料制备方法，复合材料由纯铜粉末、中间相碳微球组成，其中纯铜粉末体积分数为40％-80％，纯铜粉末平均粒径为15-95μm。中间相碳微球体积分数为20％-60％，中间相碳微球平均粒径为1-100μm；