[发明专利]一种石墨烯基复合材料基板内镶嵌铝合金的导热结构及其制造方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯基复合材料基板内镶嵌铝合金的导热结构及其制造方法，所述导热结构包括石墨烯基复合材料基板和铝块体，其中：所述石墨烯基复合材料基板纵向打孔，所述铝块体镶嵌在石墨烯基复合材料基板的孔中。所述方法步骤如下：1）在石墨烯基复合材料上纵向打孔；2）制备铝块体；3）将石墨烯基复合材料孔表面进行表面金属化；4）将表面抛光后的铝块体进行表面镀铜；5）将镀铜铝块体镶嵌在表面金属化的石墨烯基复合材料基板的孔中，得到石墨烯材料基板内镶嵌铝合金的导热结构。通过本发明可以大大提高石墨烯基复合材料基板的纵向导热效率，从而提高其整体的散热效率。

技术领域

本发明属于材料结构设计技术领域，涉及一种石墨烯基复合材料基板内镶嵌铝合金的导热结构及其制造方法。

背景技术

随着器件微型化和多功能化的需求增长，电子器件的高度集成化已经成为其发展的主流趋势。这也导致了器件的功率密度越来越大，相应的产生的热量越来越多，如果不及时将这些热量散失出去，会使器件的温度逐渐升高，从而对其可靠性和使用寿命产生重要的影响，尤其是在航空航天和国防领域。深空探测器、各种卫星、核反应堆、飞行器、激光武器、导弹等武器装备均需要高效率的散热材料和结构。比如，将核能应用于航天器是未来的发展趋势，核能具有体积小、重量轻、能量密度大等优势，但是目前来说，核能的热电转换效率不高，即使采用比较先进的结构设计，其热电转换也只能达到19%左右。在深空环境下，其余的热量只能通过热传导与向太空热辐射的方式散去。在武器装备方面，高能激光武器等瞬时、大热量散热系统轻量化问题制约战术机动性，芯片内极高热流密度热点难题制约未来装备微系统发展，武器装备发展对散热技术的需求迫切。以美国空军为代表的武器装备中，热管理技术已经系统性布局考虑。在航空航天领域，要求散热材料或者结构不但具有高导热和高辐射，而且兼顾轻质和良好的机械性能。

传统的散热材料和结构如金属、石墨、热管等，要么就是密度太大，要么就是热导率太低，存在“一重两低”（密度大、热导率低、热辐射系数低）的瓶颈问题，已经不能满足武器装备的发展需要。而石墨烯是具有超高热导率的二维晶体材料，具有完美晶格的单层石墨烯面内热导率高达~5300W/（m·K），给新一代散热材料的研制提供了难得的机遇。实现石墨烯从纳观尺度到宏观性能的跨越是解决散热难题的一个可行的途径。

石墨烯本身是高度各向异性的材料，其面外热导率不到10W/（m·K），目前制备的石墨烯基散热材料基本都是石墨烯定向排布的材料，因为只有这样才能减小界面热阻，充分发挥石墨烯优异的面内导热性能。然而，这种定向排布结构同时导致了石墨烯基散热材料沿垂直于定向排布的方向热导率非常低（1~30 W/m·K），这种高度各向异性的导热性能，限制了热量在三维方向的传导，进而无法发挥这类材料高面内热导率的优势。因此，要想打破石墨烯类散热材料的应用瓶颈必须找到提高垂直方向散热能力的方法。

发明内容

为了解决上述石墨烯基散热材料纵向导热能力低限制其综合散热能力的问题，本发明提供了一种石墨烯基复合材料基板内镶嵌铝合金的导热结构及其制造方法，可以大大提高石墨烯基复合材料基板的纵向导热效率，从而提高其整体的散热效率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种石墨烯基复合材料基板内镶嵌铝合金的导热结构，包括石墨烯基复合材料基板和铝块体，其中：

所述石墨烯基复合材料基板纵向打孔，所述孔的位置在石墨烯基复合材料基板和热源的接触点上；

所述铝块体镶嵌在石墨烯基复合材料基板的孔内。

本发明中，所述孔的高度和基板的厚度相同；孔的侧截面为梯形；孔的尺寸和数量根据热源的尺寸和数量确定，孔的数量可以是一个，也可以是多个；打孔方式是CNC加工。

本发明中，所述石墨烯基复合材料为以石墨烯为基体且石墨烯在材料内部沿石墨烯片层方向（XY平面）定向排列的三维材料。