專利名稱：輕質高導熱納米復合材料及其制備方法
輕質高導熱納米復合材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及導熱材料，特別是涉及一種生產成本低，重量輕，散熱效 果好的輕質高導熱納米復合材料及其制備方法。
背景技術：
隨著微電子技術的復雜程度和功能以驚人的速度增加，其功率也在持 續增加，而體積卻不斷減小。由于電子元件本身也是熱源，處在整個電子 設備溫度的最高點，其過高的溫升往往是導致電子系統故障和失效的致命 因素。為使電子系統(特別是敏感電路和元器件)能持續穩定地工作，對 其進行可靠有效地散熱顯然十分重要。因此，研究和開發高效率的電子散 熱材料和相關技術已刻不容緩。
眾所周知，金屬是常用的導熱材料。金屬導熱材料中，熱傳導系數很
高的金、銀因質地軟、密度大、價格高而無法廣泛采用；鐵則由于熱傳導 率低、密度大，而無法滿足高熱密度場合需要，且不適合用于制作計算機 空冷散熱片等；銅的熱傳導系數雖然很高，但由于密度大、成本較高、加 工難度大等不利因素，在計算機設備的散熱片中使用較少；鋁作為地殼中 含量最高的金屬元素，因其熱傳導系數較高、密度小、價格低而受到青睞， 但由于純鋁硬度較小，在各種應用領域中通常會摻加其它金屬材料制成鋁 合金，借此獲得許多純鋁所不具備的特性，因而成為散熱片加工材料的首 選。此外，由于金屬材料密度高，成本大，易腐蝕、在冶煉和加工過程中 能耗和環境污染大，因此尋求一種性能較金屬優越，加工過程能耗低，對 環境影響小的輕質復合材料作為新的散熱材料，以部分或全部取代金屬，就成為一種客觀需求。
另一方面，人們知道石墨是一種非金屬元素，它是碳元素的結晶體，具有比銅和銀更大的熱導率。石墨沿其片層方向上的高導熱[理論值為數
W/(mK)]特性和垂直于其片層方向的低導熱[理論值為(6W/(mK))]特性與其特殊的層狀結構有關。與上述金屬基導熱材料相比，碳材料的導熱系數明顯較高，且自身質輕、耐腐蝕、原料價廉易得，且我國石墨礦產資源豐富，分布面積廣闊，地礦儲量大，使得碳材料在散熱材料開發方面具有更加優越的前途和市場。
發明內容
本發明旨在解決傳統散熱材料存在的問題，而提供一種原料易得且廉價，生產成本低，重量輕，散熱效果好，可部分或全部取代金屬散熱材料的輕質高導熱納米復合材料。
本發明的目的還在于提供該復合材料的制備方法。
為實現上述目的，本發明提供一種輕質高導熱納米復合材料，該復合材料是由重量百分比含量為50% ~ 99%的石墨粉基體材料與重量百分比含量為1~50%的具有高導熱性的納米材料混合而成。
優選地，該復合材料是由重量百分比含量為85%的石墨粉基體材料與重量百分比含量為15%的具有高導熱性的納米材料混合而成。
石墨粉選自天然鱗片石墨、人造石墨，如熱解石墨、酸化石墨、膨脹石墨、柔性石墨、多孔石墨中的一種或幾種研磨成的4分體。
納米材料是粒度為10 - 500納米的納米碳化硅(SiC)粉末、納米硅(Si)粉末中的一種或其組合。
本發明還提供了輕質高導熱納米復合材料的制備方法，該方法包括以下步驟
a、選取粒度為0. 1 ~ 100微米的石墨粉和粒度為10- 500納米的納米
5碳化硅粉及納米硅粉；
b、 將重量比為50 - 99 : 0 ~ 50 : 0~50的石墨粉、碳化硅粉、硅粉物料置于密閉容器中，在攪拌條件下混合0.5-24小時，混合的同時加入重量為物料重量1~10%的高分子粘結劑，混合后的物料經干燥，M，得到復合材料前驅體^f分末；
c、 將前驅體粉末在無氧氣氛下，溫度在200°C以上，壓力大于8MPa條件下熱固成型。
步驟b中，所述高分子粘結劑為甲基纖維素、羥已基纖維素、羧曱基纖維素、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚乙烯亞胺中的一種或幾種的混合物。石墨粉、碳化硅粉、硅粉物料的重量比為60~ 80 : 20 ~ 40 : 20 - 40。
步驟c中，所述無氧氣氛為真空狀態或氬氣、氫氣、氮氣、氨氣保護氣氛。所述熱固成型選自加壓燒結、熱軋制、熱擠出、放電等離子體燒結、超高壓燒結、電火花燒結、微波燒結中的l-3種。
本發明的貢獻在于，它有效克服了金屬散熱材料密度高，成本大，易腐蝕、在冶煉和加工過程中能耗和環境污染大等缺陷。與傳統的金屬散熱材料相比，本發明的輕質高導熱納米復合材料具有以下特點
一、 原料來源廣泛，生產成本及價格低廉，產品耐腐蝕性能好。
二、 制備工藝簡單，生產周期短。
三、 該復合材料可一次成型，成品密度小、材料內部無微裂紋。
四、 導熱率高，散熱效果好。可部分或全部替代金屬導熱材料。
具體實施方式
下列實施例是對本發明的進一步解釋和說明，對本發明不構成任何限制。
實施例1
取天然鱗片石墨粉末、納米碳化硅及納米硅粉末按70 : 15 : 15的重量比置于密閉容器中，在攪拌條件下進行混合，攪拌器轉速為10000轉/分 鐘。混合的同時加入混合物料總重量5°/ 的高分子粘結劑曱基纖維素，曱基 纖維素水溶液濃度為10%，攪拌混合1小時后，將混合后的物料在120°C的 溫度烘干，分散，然后將粉末在真空300度、30MPa的壓力下加壓燒結成型， 得到輕質高導熱納米復合材料。
經測量，該復合材料沿熱壓方向的導熱率為6. lW/m.K，垂直于熱壓方 向的導熱率為190 W/m.K。
實施例2
將熱解石墨粉末、納米碳化硅粉末按85 : 15的重量比置于密閉容器中， 在攪拌條件下進行混合，攪拌器轉速為11000轉/分鐘。混合的同時加入混 合物料總重量5%的高分子粘結劑曱基纖維素，曱基纖維素水溶液濃度為5%, 攪拌混合1小時后，將混合后的物料在100。C的溫度烘干，分散，然后將 粉末在氬氣氛中300度、30MPa壓力下熱擠出成型，得到輕質高導熱納米復 合材料。
經測量，該復合材料沿垂直擠出方向的導熱率為6. OW/m.K，沿擠出方 向的導熱率為188 W/m-K。 實施例3
將膨脹石墨粉末、納米硅粉末按90 : 10的重量比置于密閉容器中， 在攪拌條件下進行混合，攪拌器轉速為10000轉/分鐘。混合的同時加入混 合物料總重量2%的高分子粘結劑聚丙烯酰胺，聚丙烯酰胺水溶液濃度為5%, 混合攪拌2小時后，將混合后的物料在130。C的溫度烘干，分散，然后將 粉末在真空600度、50MPa壓力下超高壓燒結成型，得到輕質高導熱納米復 合材料。
經測量，該復合材料沿熱壓方向的導熱率為6. 5W/m.K,垂直于熱壓方 向的導熱率為228 W/m-K。 實施例4多孔石墨粉末、納米碳化硅及納米硅粉末按85 : 10 : 5的重量比置于 密閉容器中，在攪拌條件下進行混合，攪拌器轉速為11000轉/分鐘。混合 的同時加入混合物料總重量2%的高分子粘結劑聚乙烯醇，聚乙烯醇水溶液 濃度為5%,混合攪拌1小時后，將混合后的物料在130。C的溫度烘干，分 散，然后將粉末在氮氣氛中800度、50MPa壓力下放電等離子體燒結成型，
得到輕質高導熱納米復合材料。
經測量，該復合材料沿熱壓方向的導熱率為5.8 W/m.K,垂直于熱壓方 向的導熱率為240 W/m-K。
權利要求
1、一種輕質高導熱納米復合材料，其特征在于，它是由重量百分比含量為50％～99％的石墨粉基體材料與重量百分比含量為1～50％的具有高導熱性的納米材料混合而成。
2、 如權利要求l所述的輕質高導熱納米復合材料，其特征在于，它是 由重量百分比含量為85%的石墨粉基體材料與重量百分比含量為15%的具有 高導熱性的納米材料混合而成。
3、 如權利要求l所述的輕質高導熱納米復合材料，其特征在于，所述 石墨粉選自天然鱗片石墨、人造石墨，如熱解石墨、酸化石墨、膨脹石墨、 柔性石墨、多孔石墨中的一種或幾種研磨成的粉體。
4、 如權利要求l所述的輕質高導熱納米復合材料，其特征在于，所述 納米材料是粒度為10~ 500納米的納米碳化硅粉末、納米硅粉末中的一種 或其組合。
5、 如權利要求l所述輕質高導熱納米復合材料的制備方法，其特征在 于，它包括以下步驟a、 選取粒度為0.1 ~ 100微米的石墨粉和粒度為10- 500納米的納米 碳化硅粉及納米硅粉；b、 將重量比為50~99 : 0~50 : 0~50的石墨粉、碳化硅粉、硅粉物 料置于密閉容器中，在攪拌條件下混合0. 5 ~ 24小時，混合的同時加入重 量為物料重量1~10%的高分子粘結劑，混合后的物料經干燥，得到 復合材料前驅體粉末；c、 將前驅體粉末在無氧氣氛下，溫度在200。C以上，壓力大于8MPa 條件下熱固成型。
6、 如權利要求5所述的制備方法，其特征在于，步驟(b)中，所述 高分子粘結劑為曱基纖維素、羥已基纖維素、羧曱基纖維素、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚乙烯亞胺中的一種或幾種的混合物。
7、 如權利要求5所述的制備方法，其特征在于，步驟(b)中，石墨 粉、碳化石圭4分、硅4分物料的重量比為60~ 80 : 20 ~ 40 : 20 ~40。
8、 如權利要求5所述的制備方法，其特征在于，步驟(c)中，所述 無氧氣氛為真空狀態或氬氣、氫氣、氮氣、氨氣保護氣氛。
9、 如權利要求5所述的制備方法，其特征在于，步驟(c)中，所述 熱固成型選自加壓燒結、熱軋制、熱擠出、放電等離子體燒結、超高壓燒 結、電火花燒結、微波燒結中的1 3種。
全文摘要
一種輕質高導熱納米復合材料及其制備方法，其中，復合材料是由重量百分比含量為50％～99％的石墨粉基體材料與重量百分比含量為1～50％的具有高導熱性的納米材料混合而成。制備方法包括a.選取粒度為0.1～100微米的石墨粉和粒度為10～500納米的納米碳化硅粉及納米硅粉；b.將石墨粉、碳化硅粉、硅粉物料在攪拌條件下混合，同時加入高分子粘結劑，混合后的物料經干燥，分散，得到復合材料前驅體粉末；c.將前驅體粉末在無氧氣氛下熱固成型。本發明的復合材料具有原料易得且廉價，生產成本低，重量輕，散熱效果好等特點，可部分或全部取代金屬散熱材料。
文檔編號C04B35/52GK101486575SQ20091010552
公開日2009年7月22日 申請日期2009年2月23日 優先權日2009年2月23日
發明者程繼鵬, 黃國清 申請人:深圳市東維豐電子科技股份有限公司;浙江大學