[发明专利]二维碳素-金属构型化复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种二维碳素‑金属构型化复合材料及其制备方法和应用，该制备方法为：将金属箔片进行退火还原，得到退火的金属箔片；将退火的金属箔片和碳素材料叠层卷制成单芯同轴圆柱体坯料，碳素材料选自石墨纸、鳞片石墨、石墨烯纳米片和石墨烯薄膜中的一种以上；将单芯同轴圆柱体坯料在氩气保护下进行热等静压烧结，得到碳素‑金属复合材料坯体；将碳素‑金属复合材料坯体去除包套，热挤压得到高导热、低热膨胀系数的复合材料；本发明中的叠层圆柱状同轴构型设计不仅可以保证二维碳素‑金属复合材料在横向截面的各向同性，而且在纵向方向可以获得高的热导率，从而在提高材料导热性能的同时解决了热管理材料在热导率和热膨胀不匹配的问题。

技术领域

本发明属于金属基复合材料与热管理材料技术领域，具体涉及一种具有同轴构型的高导热、低热膨胀的二维碳素-金属构型化复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，随着电子信息产业的高速发展，集成电路产业进入快速发展期。作为集成电路的载体和核心组成部分，芯片正成为关系国民经济和社会发展的基础性、先导性和战略性产业。另外，随着芯片的集成度和组装密度不断提高，高效的散热已经成为影响芯片性能发挥的主要因素；在热管理系统中，设计和应用具有高热导率、与半导体芯片热膨胀系数匹配的金属基板材料，从而降低工作温升和热循环对芯片的稳定性、可靠性和使用寿命带来的影响，是目前亟待解决的问题。碳素材料(如石墨、金刚石、石墨烯和碳纳米管等)具有高热导率和低热膨胀系数等优点，因此作为增强体或功能体被广泛应用于热管理领域的复合材料中。近年来，将碳素材料和金属复合制备的碳-金属复合材料因为其高热导率、匹配的热膨胀系数被认为是理想的热管理材料。

然而，由于石墨或石墨烯一般是层状结构，其热导率和力学性能具有显著的各向异性。现有的石墨或石墨烯-金属复合材料难以同时满足热管理应用中对热导率和膨胀系数的要求。这主要是因为在取向分布的石墨(如石墨纸、鳞片石墨、石墨烯纳米片)-金属层状结构复合材料中，可以在平行于层的面内获得高的热导率，但热膨胀系数高；而垂直于层的截面虽然热膨胀系数显著降低，但热导率降低到金属基体十分之一以下。文献(1)“Nanoplatelet size to control the alignment and thermal conductivity incopper-graphite composites(Nano Letters,2014,14(6):3640-3644)”(在纳米尺度调控铜-石墨的排列和热导率)通过高能球磨和放电等离子体烧结工艺制备了石墨烯纳米片定向排列的铜基复合材料，复合材料沿石墨烯排列的平行方向热导率达到了垂直于石墨烯排列方向的274％。文献(2)“Largely enhanced thermal conductivity of graphene/copper composites with highly aligned graphene network(Carbon,2017,127:102-112)”通过真空抽滤和放电等离子体烧结的工艺制备了铜石墨烯复合材料，石墨烯呈高度有序排列，掺杂35vol.％的石墨烯纳米片面内热导率达到了525W/M·K。另外，中国专利(公开号CN105551839A)公开了一种天然石墨/铜散热片的制备方法，一个单元散热层由天然石墨片、铜箔层和天然石墨片复合滚压组成。虽然通过本方法获得的散热片的导热系数为500-700W/M·K，但并未改变天然石墨在导热方面的各向异性。此外，为了获得各项同性的热物理性能，人们设计和制备了在金属基体中随机取向分布的鳞片石墨或石墨烯纳米片的复合材料。虽然显著降低了金属材料的热膨胀系数且近乎各向同性，但是复合材料低的热导率难以满足实际应用需求。例如：文献(3)“Thermal conductivity of Cu-graphitecomposites(International Journal of Thermal Sciences,2015,90:298-302)”(铜石墨复合材料的热导率)采用机械混粉和热等静压烧结的工艺制备了石墨体积分数为0-40vol％的铜石墨复合材料，热导率在136-337W/M·K之间，在这些复合材料中因为石墨的无序分布，因此复合材料的热导率不高。文献(4)“Effect of carbon nanotube surfacemodification on thermal properties of copper-CNT composites(Journal ofMaterials Chemistry,2011,21(43):17541)”(碳纳米管表面改性对铜-碳纳米管复合材料导热性能的影响)虽然在铜基体中加入了高热导率的碳纳米管，但因为碳纳米管在纯铜基体中的无序排列，复合材料的热导率相比于纯铜不升反降。