[发明专利]一种金刚石微柱增强高导热石墨材料的制备方法

说明书

一种金刚石微柱增强高导热石墨导热材料的制备方法，属于热管理材料制备领域。该导热材料以高导热石墨为基底，金刚石微柱作为结构及导热的增强件延纵向方向嵌入高导热石墨中，最后采用金属壳体进行热压焊接封装。该种导热材料既保留了定向石墨面向传热能力，又极大改善了纵向方向的传热能力，从而使得封装后的导热材料具备三维方向的传热效果。采用金属壳体封装后将进一步提升材料的强度，拓展其应用范围。嵌入过程中采用低温处理工艺，利用材料自身收缩特性，提高了金刚石微柱嵌入质量，从而保证接触面具有良好的传热界面。本发明通过三维方向上具有超高导热的金刚石微柱嵌入，建立起二维石墨纵向的导热通道，复合结构材料具备全向高导热性能，以及高的力学性能。

技术领域：

本发明属于热管理材料制备领域。特别是提供了一种实现金刚石微柱增强的高导热石墨材料的制备方法。

背景技术：

电子信息技术的不断革新，推升功率器件向两个极端发展，即输出功率越来越大，器件尺寸却越做越小，随之带来的热流密度的大幅攀升。“热失效”的问题愈发严重，逐渐成为制约电子器件向更高性能提升的瓶颈之一。如何实现高热流密度的有效排散，已经成为系统设计的关键技术。采用高导热材料是一种必然的选择，这类材料包括铜、铝以及其它合金材料及复合材料。但是，这些传统材料的热导率普遍难以超过500W/mK，在某些领域已难以满足系统对导热材料的设计要求。亟需开发一些新型的具有更高导热能力的材料。

CVD金刚石是一种三维超高导热材料，热导率在各方向上近似各向同性，其热导率在1200-2000W/mK范围内，远超过目前其它常见的导热材料。不过CVD金刚石膜尺寸较小及成本较高限制了金刚石高导热材料的广泛应用。高导热石墨也是一种具有超高导热能力的材料，但是只能实现面内(X-Y)的超高导热，是一种典型的二维导热材料，其面内热导率最高可达1500W/mK以上，但其垂直于石墨片层方向(Z向)热导率仅为5-10W/mK，且强度较低，难以单独使用。将金刚石微柱填充进高导热石墨并进行封装，不仅可实现强度的增强，同时也构建了定向石墨片层间纵向导热通道，从而获得具有高强度的三维复合导热材料。

中国专利CN201310718961.1提到采用高定向石墨为填充体，采用金属壳体进行封装的方式，实现基于高定向石墨的复合式结构导热材料。该种材料有效解决了高定向石墨强度低，不宜工程应用的问题。但是其纵向热导率仍然偏低，无法保障导热材料在任意方向上具有良好的传热能力。美国DS&A LLC公司在SiC/Al复合材料中嵌入超高导热的高定向热解石墨片复合基板，实现了散热效果的显著提高。嵌入方式采用了液态压铸的工艺，在浇注过程液态金属直接填充高定向热解石墨片与预制件的空隙，实现一定的界面结合，避免了高导热材料与基体材料的空隙产生。但是毕竟SiC/Al复合材料热导率仍然有限，而且采用液态压铸的工艺有可能造成本体材料甚至填充材料的结构破坏，从而造成复合导热材料的导热性能受损。

发明内容：

本发明提出了一种金刚石微柱增强高导热石墨导热材料的制备方法，以高导热石墨为基体材料，采用金刚石微柱作为结构及导热的增强件，延纵向方向嵌入高导热石墨中，最后采用金属壳体进行整体封装。实现结构强度以及纵向热导率显著提升的复合导热材料。

一种金刚石微柱增强高导热石墨导热材料的制备方法，以二维石墨高导热材料为基底，采用金刚石微柱作为结构及传热的增强体，嵌入到石墨基体中，然后再采用金属壳体进行封装，形成的复合导热材料。

进一步地，所述的二维石墨材料为高定向石墨(HOPG)，TPG(热解石墨)，热压石墨，石墨烯等。

进一步地，所述的金刚石采用人工CVD方法合成，包括微波CVD，直流喷射CVD以及热丝CVD等方式；

进一步地，所述的金刚石微柱采用激光加工技术实现，微柱形状不限于圆柱形，也可以是立方柱子或其它可用于连接石墨片层的其它形状；所述的金刚石微柱经强酸或等离子体处理，去除激光加工残留的表面炭膜。