專利名稱：高導熱、低膨脹碳－碳/鋁復合材料的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種鋁復合材料，具體是一種高導熱、低膨脹碳-碳/鋁復合材料。用于電子器件領域。
背景技術：
隨著電子信息技術的不斷發展，半導體集成度的不斷提高，芯片單位面積功率也在不斷提高，能量密度的提高導致能量損失也在不斷提高，并且能量損失的99％以上是以熱量的形式散失的，而半導體元器件的性能、壽命都和它的工作溫度有直接的關系，因此對封裝中所使用的熱量控制材料的性能提出了更高的要求。尺寸穩定性材料廣泛應用于高精度儀器、慣性平臺、宇航等領域。由于工作環境溫度變化幅度較大，以及儀器自身工作的需要，尤其是一些光電設備，要求所使用的材料在溫度變化時，尺寸變化非常小。這就要求所使用的材料熱膨脹系數非常小，甚至為零。而在航天器設計中，為了提高航天器的有效載荷，提出了多功能結構的概念；即在單一結構中集成機械保護、熱量控制、電力傳輸、信號傳輸等多種功能。為滿足多方面的設計要求，在航天器多功能結構中也要求使用高導熱、低膨脹的材料。
碳纖維具有軸向的高強度(3000～7000MPa)、高彈性模量(250～900GPa)，以及高的導熱系數(最高達2000W/mK)、低的熱膨脹系數(可為負值)，較小的密度(1.8～2.1g/cm3)等一系列優良的綜合性能，以高導熱碳纖維增強鋁基體獲得的碳/鋁復合材料能夠同時具有高的熱導率和低的熱膨脹系數。美國的MMCC公司(鑄造金屬基復合材料有限公司)于1998年開發的2-D高導熱、低膨脹碳/鋁復合材料熱導率高達280W/mK，而膨脹系數僅為2.8×10-6。其組成為23％的K1100高導熱碳纖維，77％為鋁基體(體積含量)(根據密度估計值)。該種高導熱、低膨脹碳/鋁復合材料使用高導熱的K1100短碳纖維(熱導率為1100W/mK)為增強體，在平面內纖維雜亂排列，因而為平面內的準各向同性。使用高導熱碳纖維獲得的碳/鋁復合材料的主要不足在于價格昂貴。高導熱纖維較難獲得，因而價格十分高昂。
發明內容
本發明針對信息、航天等領域的需求，提供一種高導熱、低膨脹碳-碳/鋁復合材料，使針刺氈碳-碳/鋁復合材料在不使用高導熱碳纖維的情況下，通過控制熱解碳的形態、結構，所制成的針刺氈碳-碳/鋁復合材料的熱導率達到一個很高的水平，主要用于微電子熱量控制、精密儀器、航空航天器件。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明碳-碳/鋁復合材料由碳纖維、熱解碳、鋁基體組成，其中碳纖維完整的包裹在熱解碳層中，鋁基體在熱解碳層的外側，包裹著熱解碳層和碳纖維，其中熱解碳層的厚度由化學氣相滲的工藝參數和時間控制，熱解碳厚度根據需要在1～4μm間。由于對熱量控制材料的一個首要要求是熱膨脹系數為4～8×10-6之間，由此可以確定出鋁基體的含量，之后考慮到所要求達到的熱導率值，確定碳纖維、熱解碳的體積含量。在本發明中，通過熱解碳和碳纖維來降低熱膨脹系數，而鋁基體和熱解碳則是主要的熱量傳輸載體。熱解碳必須具備以下特征具有完整的三維石墨晶體結構；晶體尺寸La≥100nm，石墨晶粒的取向高度一致。
相對于傳統碳/鋁復合材料而言，熱解碳組分的引入對碳-碳/鋁復合材料的性能有重要影響。一方面，厚度超過1μm的熱解碳層能夠完全隔絕碳纖維和鋁基體的接觸，起到良好的保護碳纖維的作用，使得碳纖維能夠較好的發揮增強體的作用；另一方面，熱解碳層與鋁基體的反應性很差，在熱解碳-鋁界面很難發現界面反映產物，因而熱解碳-鋁界面較為干凈，能夠有效的降低界面熱阻。并且熱解碳自身的熱膨脹系數很低，而熱導率很高，因而能夠在不使用高導熱碳纖維的條件下，有效的提高材料的導熱系數，獲得同時具有高的導熱系數和低的熱膨脹系數的材料。熱解碳層的引入有效的提高材料設計的余度，豐富材料設計的手段，提高材料所能獲得的性能范圍，從而實現各種熱導率和若膨脹系數的組合，能夠滿足熱量控制領域及精密儀器等領域對具有不同性能的高導熱、低膨脹材料的需求。
本發明是這樣制備的首先將若干層、具有一定厚度的整體氈堆疊后，經針刺聯結為整體，并達到設計的纖維體積含量，在1050℃下碳化后，再經化學氣相滲處理后制成針刺氈碳-碳預制件；之后采用真空壓力浸漬法與鋁復合形成碳-碳/鋁復合材料。
針刺氈碳-碳/鋁復合材料平面內的纖維為無序分布，在各方向的排布比例大致相當，從而使得所制成的材料性能為平面內各向同性。垂直于平面的纖維束為在針刺過程中由刺針帶起的橫貫厚度方向的纖維，碳氈層片主要依靠這樣的纖維束聯結。預制件內的碳纖維均包裹在一定厚度的熱解碳層中，熱解碳層與碳纖維的結合良好，在與鋁復合后，熱解碳層與鋁基體的結合狀況也非常良好。
整個預制件內的碳纖維彼此交連，并且由熱解碳固定，在復合過程中，碳-碳預制件的變形量非常小，碳-碳預制件的結構得以很好的保持在碳-碳/鋁復合材料中。而且由于熱解碳與鋁基體幾乎不發生界面反應，因而界面非常干凈，難以發現界面產物Al4C3。而Al4C3的熱導率很低，若碳-鋁界面有Al4C3存在，將極大提高界面熱阻，從而降低材料的熱導率，熱解碳與鋁基體極好的化學相容性降低了界面熱阻。熱解碳的(002)晶面與碳纖維的(002)晶面平行，熱解碳和碳纖維界面結合良好。
應用本發明，能夠有效的解決在不使用高導熱碳纖維的條件下制備出高導熱、低膨脹復合材料的難題。能夠有效的簡化工藝，降低成本，從而滿足航空航天、信息工程、精密儀器等領域對高導熱、低膨脹復合材料的需求。
具體實施例方式
本發明碳-碳/鋁復合材料由碳纖維、熱解碳、鋁基體組成，其中碳纖維完整的包裹在熱解碳層中，鋁基體在熱解碳層的外側，包裹著熱解碳層和碳纖維，其中熱解碳層的厚度在1～4μm間。結構特性碳纖維完整的包裹在厚度為1～4μm的熱解碳層中，在熱解碳層外側為鋁基體，碳纖維不與鋁基體接觸。
實施例1整體氈經針刺處理后，形成碳纖維坯體，其中碳纖維的含量為7.5％，再經化學氣相滲處理后，在碳纖維坯體中沉積熱解碳，最終處理完成后，預制件內的熱解碳的含量達到27.5％。工業純鋁(99.7％Al)經真空壓力浸漬工藝滲入預制件中，與熱解碳結合良好，并且無界面反應，形成碳-碳/鋁復合材料。在平面內無序分布的碳纖維包裹在平均厚度為2μm的熱解碳層中，使得所制成的材料性能為平面各向同性，所制成的樣品熱膨脹系數為6×10-6，熱導率為275W/mK，在沒有使用價格高昂的高導熱纖維的條件下，獲得了相當與純鋁1.4倍的熱導率，并且熱膨脹系數在4～8之間，完全能夠滿足芯片熱量控制材料的需要。
實施例2整體氈經針刺處理后，形成碳纖維坯體，其中碳纖維的含量為3.5％，再經化學氣相滲處理后，在碳纖維坯體中沉積熱解碳，最終處理完成后，預制件內的熱解碳的含量達到32.5％。工業純鋁(99.7％Al)經真空壓力浸漬工藝滲入預制件中，形成碳-碳/鋁復合材料。其過程為碳-碳預制件裝入模具中，模具密封后放入加熱爐中；加熱爐上部爐體和下部爐體分別升溫，使密閉罐和鋁液達到設定溫度；爐膛內抽真空，真空度≤1×10-6MPa后，將盛有鋁液的坩鍋頂起，模具口浸入鋁液中，在爐內通入壓力1×106MPa的氮氣，在模具內外壓力差的作用下，鋁液進入模具，滲入預制件中，保溫1h后，模具隨爐冷卻。預制件溫度與鋁液溫度均為750℃。所制成的樣品熱膨脹系數為7.2×10-6，熱導率為310W/mK。在沒有使用價格高昂的高導熱纖維的條件下，獲得了相當與純銅倍的熱導率，并且熱膨脹系數在4～8之間，完全能夠滿足芯片熱量控制材料的需要。
實施例3整體氈經針刺處理后形成碳纖維坯體，其中碳纖維的含量為17.5％，再經化學氣相滲處理后，預制件內的熱解碳的含量達到7.5％。工業純鋁(99.7％Al)經真空壓力浸漬工藝滲入預制件中，形成碳-碳/鋁復合材料。其過程為在沒有使用價格高昂的高導熱纖維的條件下，獲得了相當與純鋁1.4倍的熱導率，并且熱膨脹系數在4～8之間，完全能夠滿足芯片熱量控制材料的需要。所制成的樣品熱膨脹系數為4.2×10-6，熱導率為180W/mK。
上述實施例中制成的材料都能夠滿足熱量控制材料對性能的需求，熱膨脹系數都處于4～8×10-6區間內，而熱導率隨不同的材料組成而變化，并且均能夠獲得超過150W/mK的高熱導率，并且沒有使用高導熱纖維，從而有效的降低了成本。
權利要求
1.一種高導熱、低膨脹碳-碳/鋁復合材料，其特征在于，由碳纖維、熱解碳、鋁基體組成，其中碳纖維完整的包裹在熱解碳層中，鋁基體在熱解碳層的外側，包裹著熱解碳層和碳纖維，熱解碳層的厚度在1～4μm間。
2.根據權利要求1所述的高導熱、低膨脹碳-碳/鋁復合材料，其特征是，所述的熱解碳必須具備以下特征具有完整的三維石墨晶體結構；晶體尺寸La≥100nm，石墨晶粒的取向高度一致，形成以(002)晶面為基面的織構。
3.根據權利要求1所述的高導熱、低膨脹碳-碳/鋁復合材料，其特征是，熱解碳與鋁基體緊密結合，界面清晰干凈，熱解碳的(002)晶面與碳纖維的(002)晶面平行，熱解碳和碳纖維界面結合良好。
全文摘要
一種高導熱、低膨脹碳－碳/鋁復合材料。用于電子器件領域。本發明由碳纖維、熱解碳、鋁基體組成，其中碳纖維完整的包裹在熱解碳層中，鋁基體在熱解碳層的外側，包裹著熱解碳層和碳纖維，熱解碳層的厚度在1～4μm間。本發明由于熱解碳與鋁基體幾乎不發生界面反應，因而界面非常干凈，難以發現界面產物Al
文檔編號C22C49/06GK1570189SQ20041001828
公開日2005年1月26日 申請日期2004年5月13日 優先權日2004年5月13日
發明者張國定, 孫晉良, 任慕蘇, 劉臻祎 申請人:上海交通大學