一种内嵌结构高导热率复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种内嵌结构高导热率复合材料及其制备方法。所述内嵌结构高导热率复合材料由超高导热材料和多孔陶瓷金属复合材料构建而成；其中：所述超高导热材料为金刚石金属复合材料、石墨烯金属复合材料、碳纳米管金属复合材料、氮化硼金属复合材料、定向热解石墨中的一种，且横向或纵向热导率大于300W/m

【技术实现步骤摘要】
一种内嵌结构高导热率复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于复合材料领域，具体涉及一种内嵌结构高导热率复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]目前功率模块在新能源汽车、智能电网、轨道交通、变频器、逆变焊机、感应加热等领域的应用越来越广泛，但是现有的功率模块在实际使用过程中，功率模块的散热问题越来越凸显，即功率模块的散热对功率模块的寿命、可靠性起着关键作用，尤其是随着电力电子技术的发展，对功率模块在结构和电路的可靠性方面要求更高。
[0003]金属基复合材料是近年来迅速发展起来的高性能散热材料之一。通过在金属材料中添加各种增强体，可获得具备良好的导热、导电性能，抗冲击、耐腐蚀、抗疲劳和断裂韧性以外，还具有高强度、高刚度、强耐磨性和低热膨胀系数的高性能复合材料。金属基复合料的发展，对促进世界各国军用和民用领域的高科技现代化，起到了至关重要的作用。
[0004]目前，最新一代散热金属基复合材料包括铝碳化硅复合材料、金刚石/铜复合材料、金刚石铝复合材料等。高体积分数铝碳化硅复合材料可以通过调整设计增强体含量、铝合金成分、两相比例或复合材料的热处理状态等达到复合材料的尺寸稳定、高导热、高比刚度、高比强度等优异性能，从而满足航空航天领域对电子封装材料的质量要求，是一种优异的电子封装材料和精密设备的结构材料。现已有多家国内外公司研发出热导率值可达170
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200W/m
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K、热膨胀系数值为6.0～8.0
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‑6/K的铝碳化硅复合材料产品并实现商业化。但其导热性能仍难满足超高功率模块应用要求。在热导率方面，铜金刚石复合材料远优于其它材料，可保证封装器件优异的热耗散性。通过控制金刚石体积分数，可调整复合材料热膨胀系数，从而可使其与Si、GaAs、AlN、Al2O3、Si3N4等相匹配。其热导率最高达800W/m
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K。高的弹性模量有助于减小热变形，从而提高封装器件的密封性能。铝金刚石复合材料相比铜金刚石复合材料具有低密度，合成温度低的优点，纯铝
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金刚石复合材料热导率高达600W/m
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K。虽然金属金刚石复合材料具有高的导热性能，但是其成本昂贵、加工难度大，使其应用受到限制。金刚石、碳纳米管、高定向热解石墨是目前所知的热导率较高的材料。但碳纳米管和高定向热解石墨成本昂贵，且不能单独作为基板材料使用。
[0005]故基于此，提出本专利技术技术方案。

技术实现思路

[0006]为了解决现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种内嵌结构高导热率复合材料及其制备方法。所述内嵌结构高导热率复合材料以多孔陶瓷金属复合材料作为载体，起到支撑作用，降低材料制备成本，超高导热材料可以实现超高导热率，能够有效达到快速传导热量的目的。采用本专利技术所述的结构设计和制备方法，可制得结构、导热率高度可调的内嵌结构高导热率复合材料。其中，经测试得热导率范围为200～1500W/m
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k，可有效降低材料制备成本，实现高性能热管理材料快速制备。
[0007]本专利技术的方案是，提供一种内嵌结构高导热率复合材料，由超高导热材料和多孔陶瓷金属复合材料构建而成；其中：
[0008]所述超高导热材料为金刚石金属复合材料、石墨烯金属复合材料、碳纳米管金属复合材料、氮化硼金属复合材料、定向热解石墨中的一种，且横向或纵向热导率大于300W/m
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K；
[0009]所述多孔陶瓷金属复合材料由多孔陶瓷和金属复合而成，所述多孔陶瓷为SiC、AlN、BN、Si3N4、Al2O3、TiC、TiB2或B4C中的一种；所述金属为纯铜、铜合金、纯铝、铝合金、纯美或镁合金中的一种。
[0010]优选地，所述多孔陶瓷的孔隙率为30～80％，平均孔径尺寸为0.1～500μm，且所述多孔陶瓷的纯质陶瓷质量分数大于95％。
[0011]优选地，所述铜合金为黄铜、白铜或青铜中的一种；所述铝合金为铝硅合金、铝镁硅合金、铝铜合金、铝镁合金、铝锰合金、铝锌合金或铝锂合金中的一种；所述镁合金为镁锰合金、镁锂合金、镁稀土合金、镁银合金或镁钍合金中的一种。
[0012]优选地，所述超高导热材料置于所述多孔陶瓷金属复合材料芯部。
[0013]优选地，所述超高导热材料嵌于所述多孔陶瓷金属复合材料表面。
[0014]基于相同的技术构思，本专利技术的再一方案是，提供一种内嵌结构高导热率复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0015](1)制备多孔陶瓷：将多孔陶瓷粉末成型，得坯体；将所述坯体进行烧结保温，得多孔陶瓷；
[0016](2)导入超高导热材料：将超高导热材料嵌入双连续陶瓷，得预制体；
[0017](3)复合：采用挤压铸造、无压浸渗或压力浸渗中的一种；所述挤压铸造为：将所述预制体于惰性气氛中预热，然后再置入复合模具中并浇铸金属溶液，加压充型即可；所述无压浸渗为：将所述预制体置入复合模具中，并于预制体顶部放入金属溶液，在惰性气氛中浸渗至多孔陶瓷中即可；所述压力浸渗为：将所述预制体置入复合模具中，并于预制体顶部放入金属溶液，抽真空后保温，再充气加压，使金属熔液浸渗入多孔陶瓷中即可。
[0018]优选地，步骤(1)中，所述烧结温度为1000～2500℃，所述保温的时间大于10min。
[0019]优选地，所述挤压铸造中，预热的温度为300～1000℃；所述复合模具的温度为200～400℃；所述浇铸的温度为500～1450℃；所述加压为5～200MPa，加压的时间大于5s，保压的时间大于5s。
[0020]优选地，所述无压渗透中，所述浸渗的温度为700～1400℃，浸渗过程中保温60～120min。
[0021]优选地，所述压力渗透中，所述浸渗的温度为900～1400℃，浸渗过程中保温60～120min，加压的压力为1～10Mpa。
[0022]另外，所述复合工艺还可以是差压铸造、常压铸造、真空铸造和负压吸铸等方法，使熔融金属进入预制体网孔内，获得内嵌结构高导热率复合材料。
[0023]本专利技术的有益效果为：
[0024]所述内嵌结构高导热率复合材料由多孔陶瓷金属复合材料和超高导热材料构建而成。其中，多孔陶瓷金属复合材料作为载体，起到支撑作用，降低材料制备成本，超高导热材料可以实现超高导热率，能够有效达到快速传导热量的目的。采用本专利技术所述的结构设
计和制备方法，可制得结构、导热率高度可调的内嵌结构高导热率复合材料。其中，经测试得热导率范围为200～1500W/m
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k，可有效降低材料制备成本，实现高性能热管理材料快速制备。
[0025]另外，所述的内嵌结构高热导率复合材料具有尺寸、结构、热导率可调特点，有利于不同应用环境需求；且与传统热管理复合材料相比，所述内嵌结构高热导率复合材料实现功能与结构相结合，解决超高热导率复合材料制备成本高、加工困难、不适用作为结构材料使用等缺点；最后，所述内嵌结构高热导率复合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种内嵌结构高导热率复合材料，其特征在于，由超高导热材料和多孔陶瓷金属复合材料构建而成；其中：所述超高导热材料为金刚石金属复合材料、石墨烯金属复合材料、碳纳米管金属复合材料、氮化硼金属复合材料、定向热解石墨中的一种，且横向或纵向热导率大于300W/m
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K；所述多孔陶瓷金属复合材料由多孔陶瓷和金属复合而成，所述多孔陶瓷为SiC、AlN、BN、Si3N4、Al2O3、TiC、TiB2或B4C中的一种；所述金属为纯铜、铜合金、纯铝、铝合金、纯美或镁合金中的一种。2.根据权利要求1所述内嵌结构高导热率复合材料，其特征在于，所述多孔陶瓷的孔隙率为30～80％，平均孔径尺寸为0.1～500μm，且所述多孔陶瓷的纯质陶瓷质量分数大于95％。3.根据权利要求1所述内嵌结构高导热率复合材料，其特征在于，所述铜合金为黄铜、白铜或青铜中的一种；所述铝合金为铝硅合金、铝镁硅合金、铝铜合金、铝镁合金、铝锰合金、铝锌合金或铝锂合金中的一种；所述镁合金为镁锰合金、镁锂合金、镁稀土合金、镁银合金或镁钍合金中的一种。4.根据权利要求1所述内嵌结构高导热率复合材料，其特征在于，所述超高导热材料置于所述多孔陶瓷金属复合材料芯部。5.根据权利要求1所述内嵌结构高导热率复合材料，其特征在于，所述超高导热材料嵌于所述多孔陶瓷金属复合材料表面。6.权利要求1～5任一所述内嵌结构高导热率复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)制备多孔陶瓷：将多孔陶瓷粉...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘湘宁，张双玉，
申请(专利权)人：河南瀚银光电科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：