高导热片层石墨/铝复合材料的制备与强化方法研究

随着互联网的快速发展,电子产品需要处理的数据和命令越来越复杂,要求电子芯片具有更高的频率、更快的处理速度,这会带来很多热量,要求现代热管理系统需要具备更好的散热能力。石墨/铝复合材料是一种用于现代热管理系统的新型导热复合材料,具有很高的散热效率,但目前仍存在机械强度不足的缺点。本文的研究内容是采用不同的强化方法和制备方法,对石墨/铝复合材料进行力学性能强化,同时保证其仍具有较高的热导率。具体如下:(1)对片层石墨粉体表面进行镀层强化处理,提高石墨自身强度。利用石墨表面的镀层作为过渡区域,解决石墨和铝难以浸润的问题,减少气孔,提高强度。对石墨表面进行了镀硅(形成碳化硅纳米镀层)处理和镀镍处理,结果显示石墨表面出现242nm的碳化硅镀层和985 nm的金属镍镀层。两种镀层都能改善石墨和铝的界面结合,界面孔隙较少。在实验范围内,镀硅对石墨/铝复合材料的强化作用明显,高导热方向热导率从268~643 W/(m·K)提升至328~725 W/(m·K),抗弯强度从72~33MPa提升至90~45MPa;而镀镍的石墨/铝复合材料虽然表现出更好的抗弯强度,但导热能力被抑制。(2)在镀层强化的基础上,通过添加铜网来提高石墨/铝复合材料的机械强度。利用铜网的物理承载作用使石墨在铜网之间拥有良好的排列取向,铜网同时作为第二相增强体提高其抗弯强度。结果表明,添加铜网后,镀硅石墨/铝复合材料内部石墨取向变好,并形成石墨片高度聚集的结构,不仅提升了镀硅石墨/铝复合材料的抗弯强度,还在石墨体积分数较低时改善了镀硅石墨/铝复合材料的热导率。添加体积分数为40%的镀硅石墨时,复合材料热导率达512W/(m·K),抗弯强度高达127MPa,综合性能最优,测定出此时其热膨胀系数为14.4×10~(-6)m/K。(3)在镀层强化的基础上,通过添加碳化硅颗粒制备了石墨/碳化硅/铝三元复合材料,来解决石墨/铝二元复合材料机械强度不足的缺点。探讨了碳化硅的粒径和添加量对石墨/碳化硅/铝三元复合材料导热系数和抗弯强度的影响,并建立了三相复合材料的导热模型。结果表明,添加碳化硅颗粒会一定程度降低复合材料在x-y平面内的热导率,但对力学性能的提升具有重大贡献。添加体积分数为12%的碳化硅时,这种三元复合材料的热导率仍能保持为521 W/(m·K),同时抗弯强度达到了121MPa,热膨胀系数为10.8×10~(-6)m/K。