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电沉积Cu包覆低维碳材料及热压烧结制备复合热管理材料研究

孙虹  
【摘要】:随着电子工业的快速发展,电子设备的功率密度急剧增加,亟需开发热导率高和热膨胀系数可调控的碳/Cu复合热管理材料来满足散热需求。该复合材料通常使用机械混合粉体或包覆型粉体为原料,采用固相烧结方法制备。与机械混合粉体相比,包覆型粉体可实现碳材料在Cu相中更加均匀的分布,有利于复合材料性能的提高。然而采用传统的化学镀法制备Cu包覆型粉体需要经历敏化和活化预处理过程和较长的镀覆时间,镀液成分复杂,循环周期短,阻碍了其大规模应用。针对此问题,本研究提出采用间歇式电沉积方法在低维碳材料表面实现金属Cu包覆的思路,该方法具有操作条件简单、沉积速率可控、镀液稳定且可循环利用的优点。通过该方法在金刚石颗粒、短石墨纤维和石墨鳞片表面成功制备了均匀的Cu包覆层。文中揭示了 Cu在三种低维碳材料表面的电沉积均遵循Skarifker-Hills模型瞬时形核机制,阐明了在电沉积装置中碳材料固定床电极过电位具有分布不均的特点,探明了间歇式搅拌可使得碳材料表面能够均匀受镀,从而获得Cu含量可控的包覆材料。使用Cu包覆低维碳材料粉体为原料,通过热压烧结制备了高性能碳/Cu复合热管理材料。获得了金刚石颗粒均匀分布于Cu网络结构的45~65 vol%金刚石颗粒/Cu复合材料,探明了金刚石颗粒的均匀分布、适宜含量、及其与Cu相间低界面热阻是材料热学性能显著提升的主要原因。其中55 vol%金刚石颗粒/Cu复合材料的热导率可达638 w·m-1·K-1,热膨胀系数达到4.11 ppm·K-1,抗弯强度为243 MPa,达到了高功率电子元器件的散热使用要求。对于短石墨纤维/Cu复合材料,获得了短石墨纤维在平面方向上呈杆状均匀分布于Cu相的20~50 vol%短石墨纤维/Cu复合材料。短石墨纤维的本征属性使得该复合材料具有良好的热导率和低的热膨胀系数。其中,50 vol%短石墨纤维/Cu复合材料平面方向的热膨胀系数达到6.03 ppm·K-1,热导率为263 W·m-1·K-1,抗弯强度为107 MPa。对于石墨鳞片/Cu复合材料,获得了石墨鳞片以相互平行且垂直于压制方向、均匀排列于Cu相中的40~90 vol%石墨鳞片/Cu复合材料,阐明了石墨鳞片的体积分数对复合材料热学性能和力学性能的影响规律。40~90 vol%石墨鳞片/Cu复合材料在平面方向上的热导率从506 W·m-1·K-1增加至710 W·m-1·K-1,而抗弯强度则从93 MPa降低至15 MPa。在石墨鳞片表面镀钛可提高石墨鳞片和Cu相之间的界面结合强度,40 vol%镀钛石墨鳞片/Cu复合材料的抗弯强度达103 MPa,相较于未镀钛复合材料的抗弯强度提高了10 MPa。充分利用石墨鳞片在平面方向高导热的优点,在热管理材料领域拥有广阔的发展前景与应用潜能。


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