高导热石墨膜/铝复合材料的设计、制备与性能研究

随着电子工业的不断发展,电子元器件不断向集成化、小型化、轻量化和高功率化发展,这就导致其热密度不断增加。如果不能及时将热量散出,电子元器件的工作效率、可靠性和寿命将大大降低。因此,迫切需要发展轻质、高导热和低热膨胀系数的热管理材料,以实现高效散热,保证电子元器件的良好工作效率和高可靠性。而高导热石墨/Al复合材料具有轻质、高导热和低热膨胀系数等优异性能,是极具竞争力的热管理材料。本论文将高导热石墨膜作为增强体引入到铝基复合材料中,制成新型石墨膜/Al复合材料,不仅为高导热石墨/Al复合材料注入新的材料体系和构型设计思想及方法,使得复合材料性能可设计性得到充分发挥,而且能解决石墨膜在应用中存在的容易破损等问题。以该种新型石墨膜/Al复合材料为研究对象,基于界面热力学与动力学,系统地探索了真空热压烧结工艺对复合材料界面组织和导热性能的影响规律;通过界面改性处理,降低了界面热阻,实现了复合材料的导热性能的提高;提出了石墨/Al复合材料新型构型设计思想和方法,设计制备了不同复合构型的石墨/Al复合材料,形成了具有不同性能特点的高导热复合材料体系。主要结论如下:1.系统地研究并优化了石墨膜/Al复合材料的真空热压烧结制备工艺。研究结果表明:Al箔表面氧化膜是制备过程中界面扩散阻碍层,对其进行去除后复合材料的面内、厚向热导率分别提高9.4%和38.6%。优化的真空热压烧结工艺参数为655oC/45 MPa/100 min,该工艺下制备的复合材料中石墨膜分布均匀、取向度高且易控制,界面结合良好,石墨膜(厚度约29.5μm)体积含量为17.4-69.4%的复合材料面内热导率可达380-940 W/mK,厚度方向热导率为28.7-7.2 W/mK。2.真空热压烧结过程中,石墨膜/Al复合界面形成与演变过程为:复合初期,Al基体和石墨膜界面会形成一层纳米非晶过渡层。随着热压时间的增加,界面处开始生成Al_4C_3相,随后其生成量不断增加。复合界面扩散过渡层的形成有利于复合材料导热性能的提高,而Al_4C_3对其导热性能有害。3.探究了石墨膜表面W涂层和Cu涂层对复合材料界面结合、界面热导和导热性能的影响规律。结果表明:石墨膜表面溶胶-凝胶W涂层呈现非连续“龟裂”形貌,复合材料的界面处易形成裂纹,对复合材料导热性能不利。物理气相沉积的Cu涂层均匀、完整且致密,与石墨膜界面结合良好。Cu涂层石墨膜本身可作为柔性热管理材料。在400°C/30 min/45 MPa真空热压烧结的石墨膜/Cu/Al复合材料具有良好的界面组织和较高的界面热导。Cu涂层能将石墨膜体积含量为17.4-53.2%的石墨膜/Al复合材料的界面热导提升20倍以上,面内热导率提升3-4.5%,厚度方向热导率提升14-25%。4.提出了高导热石墨/Al复合材料新型构型设计思想和方法,设计制备了不同复合构型的石墨/Al复合材料,并建立了相应的热导率理论计算模型和有限元模型。结果表明:利用复合构型设计来调控或改善复合材料性能是可行的,通过模型计算可实现不同构型的复合材料导热性能的预测,用以指导复合构型设计。5.研究了不同构型石墨/Al复合材料的性能特点,阐明了复合构型-性能关系,形成了具有不同复合构型和性能特点的高导热石墨/Al复合材料。结果表明:层状构型石墨膜/Al复合材料面内热导率为380-940 W/mK,厚向热导率小于40 W/mK,热膨胀系数为20.2-3.4×10~(-6) K~(-1);层状穿孔/非均匀构型石墨膜/Al复合材料面内热导率为290-670 W/mK,厚向热导率为10-70 W/mK,热膨胀系数为23.4-8.5×10~(-6) K~(-1);非连续构型石墨/Al复合材料面内热导率200-500 W/mK,厚向热导率30-100 W/mK,热膨胀系数为23.2-17.5×10~(-6) K~(-1)。本论文系统地研究了新型石墨膜/Al复合材料的制备工艺、界面特征与改性方法、复合构型设计方法,制备的复合材料面内热导率可达940 W/mK,是纯铜的2倍以上,并且形成了具有不同性能特点的高导热复合材料系列,在微处理器、相控阵雷达等大功率器件的热管理中有着很大的应用潜力。研究结果具有较高的理论意义和实用价值,为高导热材料的设计、研制和应用提供了理论依据和技术方法。