压力浸渗制备石墨增强铝基复合材料及其性能研究

随着大功率电子器件、激光技术、LED照明及电子产品小型化趋势的快速发展,对高效热管理材料提出了越来越高的要求,已经成为制约微电子器件性能进一步提升的重大瓶颈,亟待开发新一代高性能的散热材料。铝／碳复合材料由高结晶大片鳞片石墨和基体铝合金组成,具有石墨片热导率高、热膨胀系数低、密度低和金属可加工性、高性价比等特点,是新一代散热材料的典型代表。本文采用压力浸渗制备石墨片增强铝基热管理复合材料。首先将石墨片与碳化硅和铝粉颗粒混合冷压成型,充分利用粉末颗粒将预制体中的石墨片堆垛层分隔开,从而制造预制体中的孔隙以便于后期铝液的浸渗。然后采用高压力将熔融的金属熔体挤入预制体中制备样品,利用压力解决了铝液与碳材料润湿性差的问题。研究了压力浸渗时最佳的模具预热温度以及改变复合材料中石墨片体积分数对复合材料热学性能和组织的影响；另外,采用性能更好的硅和氮化铝取代碳化硅制备复合材料,并摸索了利用石墨烯对氮化铝进行改性的工艺。研究结果表明,模具预热温度为500℃时,压力浸渗效果最佳；XRD测试表明石墨片是按(002)晶面平铺在复合材料中,同时我们也没有观察到AhC3的衍射峰,说明复合材料中A14C3很少或是没有；从SEM电镜图中我们可以看出随着石墨片体积分数增加,复合材料中的石墨片堆垛层在明显增加,通过电镜图我们还可以发现复合材料界面处的孔隙被铝液很好的填充,基本没有孔隙,说明复合材料致密度较高。通过对复合材料密度、比热容、热扩散系数的测量,我们可以计算出随着复合材料中的石墨片体积分数从23.9%增加到73.4%,复合材料密度从2.71 g/cm3降低到2.33 g/cm3,水平热导率从234 W/mK提高到402W/mK,同时热膨胀系数从10×10-6/K降低至5×10-6/K,复合材料的各项热学性能得到了极大的提高。在成功摸索出石墨片增强铝基高导热复合材料工艺后,我们又利用热学性能更为优异的硅和氮化铝取代碳化硅去隔离石墨片堆垛层。测试表明石墨片/硅／铝复合材料的热扩散系数要好于碳化硅制备的复合材料。但是氮化铝制备的复合材料要略低于前面两者。在此我们摸索了对氮化铝改性,并成功摸索出氧化石墨烯包覆氮化铝的工艺。