[发明专利]一种高导热片状石墨/石墨烯/金属复合材料的制备方法

说明书

本发明属于电子封装材料领域，涉及一种高导热片状石墨/石墨烯/铜复合材料的制备方法。包括以下步骤：通过化学气相沉积法在铜粉末表面原位生长石墨烯。之后将石墨烯/铜复合粉末与片状石墨混合均匀后，热固结成块体片状石墨/石墨烯/铜复合材料。本发明通过在片状石墨间引入石墨烯，形成网络互连结构，可克服传统片状石墨/金属复合材料导热各向异性的缺点。在不降低复合材料平面热导率的同时，可大幅度提升复合材料的垂直平面热导率。

技术领域

本发明属于电子封装材料领域，涉及一种高导热片状石墨/石墨烯/金属复合材料的制备方法。

背景技术

金属基复合材料（MMCs）由于兼具高导热、低膨胀以及较好的机械强度，在当前电子封装领域具有广阔的应用前景。近十多年，已有多种先进电子封装用MMCs相继被开发出来，代表性主要有碳化硅/铝和金刚石/铝（铜）复合材料，但是这两种材料各自都有较明显的缺点。碳化硅/铝的热导率一般不超过250 W/mK，很难满足现在高密度封装的散热要求；金刚石/铝（铜）复合材料的热导率虽然可以达到400~700 W/mK，但是由于金刚石的高硬度，使其加工异常困难，限制了其规模化应用。

片状石墨不仅具有高导热，低膨胀的特性，而且价格低廉，易被切削加工，逐渐成为电子封装用MMCs新的理想增强体。根据报道结果，片状石墨/铝（铜）复合材料的平面热导率可与金刚石/铝（铜）复合材料相媲美。哈尔冰工业大学的武高辉课题组使用挤压铸造法制备了片状石墨/铝复合材料（Carbon 95 (2015) 545-551），片状石墨在铝基体中呈现较理想的定向排布特性，70 vol%片状石墨的加入可使复合材料的平面热导率达到714 W/mK。北京科技大学的任淑彬课题组先后通过在片状石墨实施表面镀层（Carbon 121 (2017)25-34）和基体合金化（Carbon 127 (2018) 412-423）对复合材料进行表界面改性，可制备平面热导率达到466~628 W/mK的片状石墨/铜复合材料。

虽然现阶段报道的片状石墨/铝（铜）复合材料具有优异的平面热导率，但是由于片状石墨本征导热的各向异性以及其在复合材料中的定向排布，所获得的复合材料的垂直平面热导率（60~180 W/mK）远低于平面热导率（400~800W/mK），使其只能适合于某些特殊场合的应用。因此如何提升片状石墨/金属复合材料的垂直平面热导率为扩大其应用范围的关键瓶颈所在。

发明内容

石墨烯是一种由sp2 共价键结合的碳原子组成的二维晶体材料，单层石墨烯在平行于晶体层方向上的热导率最高可达~5300 W/mK，为现有发现材料的最高值。本发明通过在片状石墨间引入少量石墨烯，形成网络互连结构，可克服传统片状石墨/金属复合材料导热各向异性的缺点。在不降低复合材料平面热导率的同时，可大幅度提升复合材料的垂直平面热导率。具体实施步骤为：

（1）将铜粉加入到PMMA溶液中，充分搅拌后离心分离出铜粉并干燥。将PMMA改性后的铜粉放置于石英管式炉中，以氢气为反应气，氩气为保护气，调节气体流量、反应温度和反应时间，在铜粉表面原位生长石墨烯，得到石墨烯/铜复合粉末。

（2）将石墨烯/铜复合粉末与一定比例的片状石墨在乙醇溶液中高速剪切混合均匀后过滤并干燥。将获得的复合粉末使用热压或放电等离子烧结成片状石墨/石墨烯/铜复合材料。

2. 优选地，步骤（1）中铜粉的粒度为：20~100 μm，PMMA溶液的浓度为0.1~1wt%。

3. 优选地，步骤（1）中搅拌时间为8~12 h，离心分离转速为3000~6000 rpm，时间为5~10 min。

4. 优选地，步骤（1）中氢气的气体流量：50~200 sccm，氩气气体流量：200~500sccm，反应温度：800℃~1000℃，反应时间：30~90 min。

5. 优选地，步骤（2）中片状石墨的片径为100~1000 μm，厚度为10~50 μm。