[发明专利]一种碳化钨增强石墨基复合材料及制备方法

说明书

本发明公开了一种碳化钨增强石墨基复合材料及制备方法，以片状石墨作基体，均匀的碳化钨陶瓷骨架作为增强相，均匀分布在石墨片层间，形成三维碳化钨骨架增强定向排列的石墨片层的各向异性结构；工艺上先以氧化钨颗粒和片状石墨为原料通过化学方法制备出碳化钨包覆片状石墨的粉体，然后预压成型后于1500～1900℃进行放电等离子体烧结，烧结过程中施加的轴向压力，使包覆碳化钨的石墨片层定向排布，烧结后形成的均匀三维陶瓷骨架，可显著提高石墨基体的强度，并约束石墨的热膨胀，从而形成致密、高强、沿片层方向高热导率、垂直片层方向低热膨胀的各向异性复合材料，其优异的综合性能，将在电子器件、发热部件的传热、散热等方面具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于热管理材料制备技术领域，具体涉及一种碳化钨增强石墨基复合材料及制备方法。

背景技术

随着电子器件、元部件等不断向高运算速度、小型化及轻量化方向发展，耗散功率随之倍增，导致运行过程中产生和积聚大量的热量。这些热量如不及时散除，将会严重影响系统中器件/部件的工作效率和稳定性。传统的金属散热材料(如铜、铝等)由于自身密度较大、热膨胀系数高、比热导率(热导率与材料体积密度之比)较低等局限性，已很难满足日益增长的散热需求。因此电子、航空航天、国防等领域对热管理材料提出更高要求，亟待开发出集低密度、高导热、良好力学性能、易与器件/部件连接且热膨胀系数匹配等性能于一体的新型热管理材料。

石墨是一种呈片层状结构的碳的同素异构体，在片层内，每个碳原子以共价键连着另外三个碳原子，呈六边形有序或定向排列；在片层间，结合力为分子范德华力。这种层内和层间不同的原子结合方式，使得石墨表现出很多性能方面的各向异性，如沿片层方向优异的导热性及流体扩散性。同时，石墨还具有轻质(密度～2.26g·cm^-3)、耐高温、耐热冲击、抗腐蚀等优异性能。特别是，石墨晶体沿其片层方向具有极高的室温热导率(～2000W·m^-1·K^-1)，其比热导率是传统导热材料(铜、铝)的10～20倍。但是，由于石墨力学性能差，垂直于片层方向抗弯强度低(30MPa)，热膨胀系数很高(α_⊥＝28×10^-6K^-1)，限制了其在电子部件/器件中的发展。

陶瓷材料(如碳化钨)具有高的强度、良好的导热性能和力学性能、耐高温、与硅相近的热膨胀系数等优异性能。因此，将陶瓷作为增强相均匀地引入到石墨基体中，有望制备出具有更加优异的烧结性能、力学性能和导热性能的陶瓷增强石墨基复合材料，并且该类陶瓷增强石墨基复合材料与半导体器件(硅、砷化镓等)具有更好的连接特性和相近的热膨胀系数，可大大降低半导体器件在使用过程中产生的应力，提高工作效率和使用寿命(专利号：ZL201510582695.3)。然而，以陶瓷粉料和片状石墨颗粒为原料，通过传统的球磨混合烧结所制备的复合材料，其陶瓷相在石墨基体中难以分布均匀，导致陶瓷相不能有效提高石墨的烧结性能、力学性能和导热性能，且难以束缚石墨基体片层受热产生的热膨胀。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种碳化钨增强石墨基复合材料及制备方法，该方法操作简单，通过该方法能够有效提高陶瓷骨架的均匀性，提升石墨基材料的综合性能。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种碳化钨增强石墨基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)按氧化钨：片状石墨＝1：(1～50)的摩尔比，取氧化钨粉和片状石墨混合制得原料粉，按氯化钠：氯化钾＝(1～3)：(3～1)的摩尔比，取氯化钠和氯化钾混合制得反应介质；按原料粉：反应介质＝1：(2～10)的质量比，将原料粉和反应介质充分混合均匀，制得混合粉末；

2)在真空或保护气氛下，将混合粉末以5～15℃/min的升温速率自室温起升到600℃，保温30min；再以5～10℃/min的升温速率升到900℃～1100℃，保温1～5h，经热水冲洗多次，烘干后得到粉体；