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高导热石墨/铜复合材料的制备及性能研究

许尧  
【摘要】:随着芯片集成度越来越高,发热不断增加,电子器件对散热材料有了更高的要求。石墨/铜新型散热复合材料,与传统铜、铝材料相比,兼具铜与石墨的优良导热性能,且密度较小,具有更优异的综合性能,是未来散热材料发展最有潜力的方向之一。石墨资源丰富,容易获得,为复合材料的广泛应用提供了良好的物质基础,因此对石墨/铜散热复合材料的研究具有重要的理论意义与实用价值。 本实验首先采用复压复烧工艺,对电解铜粉与天然鳞片石墨含量的混合粉末成形,制备了高石墨含量的石墨/铜复合材料。实验观察了原材料粉末的微观形貌,制定了先高能球磨电解铜粉,打碎其树枝状结构,再加入石墨粉末低速球磨的混粉工艺。通过分析最终成形复合材料的微观结构,研究了复合材料致密度、抗弯强度以及导热系数随石墨含量的变化。研究表明:实验压制压力过小,使得复压后的压坯致密度太低,复烧后的复合材料中部分铜仍以颗粒形态存在,铜粉的结合并不完全;随着石墨含量的增加,对铜基体的割裂越来越明显;由于铜粉末烧结并不彻底,粉末颗粒之间仍以机械啮合的形式结合,加上致密度较低,导致复合材料抗弯强度不高,随石墨含量的增加迅速降低,但当石墨质量分数小于60%时,抗弯强度就可以满足散热器的要求;大量孔隙的存在,严重降低了复合材料的导热系数,但天然鳞片石墨的定向排列,使得复合材料仍具有可观的导热系数,当石墨质量分数为40%时,复合材料在垂直于压力方向的导热系数达到252W/(m·K),此时,材料的致密度仅有90.4%,这说明石墨/铜复合材料具有非常大的散热潜力。 为了增大复合材料的导热系数,需要在天然鳞片石墨定向排列的同时,提高复合材料致密度。为此,本文采用热压法制备出了致密度更高的石墨/铜复合材料。复合材料中,铜与石墨均匀分布,铜基体呈三维网状结构,天然鳞片石墨定向排列,铜与石墨结合紧密。在给定工艺条件下,复合材料导热性能良好,当石墨质量分数为40%时,复合材料导热系数最大,达到了378W/(m·K),与铜相当,此时复合材料密度仅为铜的45%,非常适用于散热器。


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