[发明专利]一种Al与Ti混杂增强的石墨膜块体复合材料及其制备方法

说明书

一种Al与Ti混杂增强的石墨膜块体复合材料及其制备方法，将预处理的Ti箔和石墨膜交叉层叠放置于石墨模具后进行等离子活化烧结，得到石墨膜‑钛层状块体复合材料，然后进行穿孔处理，使穿层方向形成贯穿直孔；随后采用挤压铸造工艺使熔融的铝液填充进石墨膜‑钛层状块体复合材料的贯穿直孔中，得到Al与Ti混杂增强的石墨膜块体复合材料。本发明有效提高石墨膜‑钛层状块体复合材料的抗弯强度，使其具有优异的力学性能；同时由于金属钛骨架对石墨膜垂直膜平面方向热膨胀系数的有效约束，还能有效降低石墨膜‑钛层状块体复合材料穿层方向的热膨胀系数，从而使该复合材料的强度及穿层方向的热膨胀系数满足新型热管理材料的性能需求。

技术领域

本发明涉及一种复合材料及其制备技术领域，尤其涉及一种Al与Ti混杂增强的石墨膜块体复合材料及其制备方法。

背景技术

近年来，电子元件、集成电路和大功率半导体等电子器/部件中的芯片集成度越来越高，尺寸越来越小，功率密度越来越大，这必将造成芯片发热量剧增。如果这些热量不能被及时散除，将会导致芯片工作温度不断升高。而温度过高不仅严重制约着芯片的工作效率和使用寿命，甚至会导致电子器件/部件失效。为有效解决芯片散热的问题，研究与芯片材料热膨胀系数相匹配、具有高热导率的新型热管理材料就显得尤为重要。

从实际需求出发，新型热管理材料的应用特点是：(1)电子器/部件中芯片所在的平面方向有与之匹配的热膨胀系数，从而避免在升温和冷却过程中由于两者之间热膨胀系数相差过大而导致的热应力损坏。(2)垂直该平面方向具有尽可能高的热导率，从而可将芯片产生的热量及时传递给热沉而散除，保证芯片在理想的温度条件下稳定工作。(3)良好的力学性能，为保证散热材料在安装、移动及工作运行中不会轻易变形损坏，通常要求其有较高的抗弯强度。(4)轻质化，对于军事、航空航天等特殊领域需要减轻器件重量以降低成本，这要求热管理材料有尽可能低的密度。

高结晶度石墨膜具有轻质、取向度高、平面尺寸大、面内方向热导率高、成本低、可加工性好等优点，是一种新型的二维热管理材料，然而，该石墨膜也存在一些不足：(1)该石墨膜虽有一定柔性，但易断、易碎；(2)目前各种石墨膜的厚度有限，一般在几十至几百微米左右；(3)石墨膜在垂直膜平面方向有非常高的热膨胀系数，无法与芯片材料的热膨胀系数相匹配。这些不足使石墨膜在热管理领域中的应用受到限制。为了扩大其应用范围，研究者通常将其与金属材料复合化来制备石墨膜层状块体复合材料。

高热导率是新型热管理材料所追求的首要目标。在石墨膜层状块体复合材料中，由于石墨膜面内方向的热导率远高于金属材料，为了获得沿层方向高的热导率，就需要该复合材料中的石墨膜有尽可能高的体积分数。然而石墨膜自身的强度非常低，且厚度方向的热膨胀系数非常大，因此高体积分数的石墨膜不仅会导致该复合材料有非常差的力学性能，而且会使该复合材料穿层方向(厚度方向)有较高的热膨胀系数，从而不能满足新型热管理材料“与芯片相匹配的热膨胀系数及高强度”的性能要求。因此，如何改善高石墨含量的石墨膜层状块体复合材料的强度与热膨胀性能是研究者需要解决的问题。同时，很多热管理领域不仅需要材料沿层方向具有高导热性能，而且穿层方向也应具有较高的热导率。由于石墨膜厚度方向的热导率和金属材料的热导率都较低，从而使该复合材料穿层方向的导热性能非常低。因此，如何改善高石墨含量的石墨膜层状块体复合材料穿层方向的导热性能是另一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明为解决目前高石墨含量的石墨膜层状块体复合材料力学性能差、穿层方向热膨胀系数高以及穿层方向热导率低的问题，目的是提供了一种Al与Ti混杂增强的石墨膜块体复合材料及其制备方法。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种Al与Ti混杂增强的石墨膜块体复合材料的制备方法，包括下述步骤：

第一步，将预处理的Ti箔和预处理后的石墨膜交叉层叠放置后进行等离子活化烧结，冷却后，得到石墨膜-钛层状块体复合材料；