一种三维氮化铝骨架增强高取向片状石墨复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种三维氮化铝骨架增强高取向片状石墨复合材料及其制备方法，通过对片状石墨进行表面改性，并以改性后的片状石墨为基体，采用溶胶

【技术实现步骤摘要】
一种三维氮化铝骨架增强高取向片状石墨复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于无机非金属材料制备的
，具体涉及一种三维氮化铝骨架增强高取向片状石墨(GF@AlN)复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]当前各种大功率电子设备朝着小型化、轻型化以及高功率密度的方向蓬勃发展，这使得器件的散热空间减少，致使器件的功率密度急剧增加。如果器件在工作过程中产生的大量热不被及时排除，将会影响电子器件的工作效率和使用寿命，因此对电子器件的热管理提出了更为严苛的要求。新型热管理材料不仅要具有较高的热导率、较低的密度和良好的抗热震性，还要拥有与半导体器件相匹配的热膨胀系数(4
‑7×
10
‑6K
‑1)。
[0003]天然片状石墨(GF)因其重量轻(2.25g
·
cm
‑3)，片层方向的导热性极佳，可加工性好，成本低，层间热膨胀系数可调等特点，符合电子设备轻量便携的发展要求，受到了人们的广泛关注。室温下，天然片状石墨具有各向异性，沿片层方向的热导率高达2200W
·
m
‑1·
K
‑1。此外，石墨还具有资源丰富、耐高温、耐热冲击、抗热震性好以及化学稳定性高等优点。然而，常规多晶石墨材料多为各向同性，室温下热导率只有70
‑
150W
·
m
‑1·
K
‑1，使其沿片层方向的高导热特性不能充分发挥。因此，为了充分发挥石墨沿片层方向的高热导，可以通过控制片状石墨的高取向来实现。但是现有的高取向石墨材料的力学性能差，垂直于片层方向的热膨胀系数(28
×
10
‑6K
‑1)远高于半导体材料，在实际应用中有很大的限制，所以考虑在石墨基体中添加增强相来改善石墨的综合性能。
[0004]氮化铝(AlN)陶瓷具有高抗弯强度(400MPa)、高导热率(理论热导率约为320W
·
m
‑1·
K
‑1)、以及低热膨胀系数(～4
×
10
‑6K
‑1)，是大功率电子元器件封装和大规模集成电路基板的理想材料。如果用三维连续AlN陶瓷骨架来增强定向排列的片状石墨，在保持定向排列片状石墨基体高热导率的前提下，既可以有效约束石墨垂直片层方向产生的热膨胀，同时AlN陶瓷自身的高强度又能增强石墨复合材料的力学性能。虽然中国专利技术专利(申请号：201510582695.3)以AlN粉和片状石墨为原料，采用放电等离子烧结的方法制备了AlN增强石墨基复合材料。然而，由于其采用的简单球磨混合工艺很难将细小的等轴状AlN粉和宽厚比较大的片状石墨颗粒均匀混合，且采用的放电等离子烧结方法很难将片状石墨颗粒充分定向排列，导致所制备的复合材料沿石墨片层方向热导率最高仅为183W
·
m
‑1·
K
‑1，远低于期望值，同时也未实现垂直片层方向热膨胀系数的降低。
[0005]因此，如何通过有效的制备工艺来实现三维AlN陶瓷骨架在石墨基体中的均匀连续分布，以及片状石墨颗粒的充分定向排布，进而获得高强、高导热、低热膨胀的三维AlN骨架增强高取向片状石墨(GF@AlN)复合材料，是当前现有技术亟待解决的问题。

技术实现思路

[0006]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种三维氮化铝骨架增强
高取向片状石墨复合材料及其制备方法，以解决高导热、低膨胀热管理材料难以制备，特别是陶瓷增强石墨基复合材料中均匀连续的三维AlN陶瓷骨架增强相难以形成、片状石墨颗粒难以充分定向排布，进而导致所得材料热导率不高、热膨胀系数难以降低的技术问题。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0008]本专利技术公开了一种三维氮化铝骨架增强高取向片状石墨复合材料的制备方法，包括：
[0009]首先，通过表面活性剂对片状石墨颗粒进行表面改性，以表面活化的片状石墨颗粒为基体，采用溶胶
‑
凝胶法，以Al(NO3)3作为前驱体，制备Al(OH)3包覆的片状石墨颗粒凝胶；
[0010]其次，将Al(OH)3包覆的片状石墨颗粒凝胶干燥后经高温分解得到Al2O3包覆的片状石墨复合粉体，再通过原位碳热还原氮化反应得到AlN包覆的片状石墨复合坯体；
[0011]最后，将AlN包覆的片状石墨复合坯体进行烧结，制得三维氮化铝骨架增强高取向片状石墨复合材料。
[0012]进一步优选地，本专利技术公开的三维氮化铝骨架增强高取向片状石墨复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
[0013]1)配制Al(OH)3溶胶；
[0014]2)将片状石墨颗粒、1N
‑
甲基
‑
吡咯烷酮和水按照(40～60)：(200～300)：(0.5～1.5)的质量比混合后，通过球磨充分混匀，真空干燥处理，获得表面活化的片状石墨颗粒；
[0015]3)向步骤1)制得的Al(OH)3溶胶中加入步骤2)制得的表面活化的片状石墨颗粒，搅拌混合处理3～6h，烘干，制得Al(OH)3包覆的片状石墨颗粒凝胶，即GF@Al(OH)3凝胶；
[0016]4)将GF@Al(OH)凝胶进行热处理，制得Al2O3包覆的片状石墨复合粉体，即GF@Al2O3复合粉体；
[0017]5)将GF@Al2O3复合粉体预压成形，然后在1500～1700℃下进行碳热还原氮化反应，保温处理3h，冷却，制得AlN包覆的片状石墨复合坯体，即GF@AlN复合坯体；
[0018]6)将GF@AlN复合坯体经真空烧结处理，制得三维氮化铝骨架增强高取向片状石墨复合材料。
[0019]更进一步优选地，步骤1)中，配制Al(OH)3溶胶具体操作如下：
[0020]取一定量的Al(NO3)3粉末溶于去离子水中，配制Al(NO3)3溶液，并利用磁力搅拌器进行搅拌混合，同时向Al(NO3)3溶液中缓慢滴加氨水调节pH值，直至Al(OH)3溶胶完全形成。
[0021]更进一步优选地，所述片状石墨颗粒的纯度>99％，宽度在20～40μm之间且宽厚比＞10:1。
[0022]更进一步优选地，步骤4)中，热处理是将GF@Al(OH)凝胶自室温起，以10℃
·
min
‑1的升温速率将温度从室温升至500℃，处理5h。
[0023]更进一步优选地，步骤5)中，碳热还原氮化反应的具体操作如下：
[0024]将GF@Al2O3复合粉体装入石墨模具中进行预压成形，然后放入石墨坩埚中，置于多功能炉内，抽真空到0.003Pa后，通入氮气，随后将温度以2℃
·
min
‑1升温速率升到预设温度1500～1700℃，保温反应3h。
[0025]更进一步优选地，步骤6)中，真空烧结处理具体操作如下：
[0026]将GF@AlN复本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维氮化铝骨架增强高取向片状石墨复合材料的制备方法，其特征在于，包括：首先，通过表面活性剂对片状石墨颗粒进行表面改性，以表面活化的片状石墨颗粒为基体，采用溶胶
‑
凝胶法，以Al(NO3)3作为前驱体，制备Al(OH)3包覆的片状石墨颗粒凝胶；其次，将Al(OH)3包覆的片状石墨颗粒凝胶干燥后经高温分解得到Al2O3包覆的片状石墨复合粉体，再通过原位碳热还原氮化反应得到AlN包覆的片状石墨复合坯体；最后，将AlN包覆的片状石墨复合坯体进行烧结，制得三维氮化铝骨架增强高取向片状石墨复合材料。2.根据权利要求1所述的三维氮化铝骨架增强高取向片状石墨复合材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：1)配制Al(OH)3溶胶；2)将片状石墨颗粒、1N
‑
甲基
‑
吡咯烷酮和水按照(40～60)：(200～300)：(0.5～1.5)的质量比混合后，通过球磨充分混匀，真空干燥处理，获得表面活化的片状石墨颗粒；3)向步骤1)制得的Al(OH)3溶胶中加入步骤2)制得的表面活化的片状石墨颗粒，搅拌混合处理3～6h，烘干，制得Al(OH)3包覆的片状石墨颗粒凝胶，即GF@Al(OH)3凝胶；4)将GF@Al(OH)凝胶进行热处理，制得Al2O3包覆的片状石墨复合粉体，即GF@Al2O3复合粉体；5)将GF@Al2O3复合粉体预压成形，然后在1500～1700℃下进行碳热还原氮化反应，保温处理3h，冷却，制得AlN包覆的片状石墨复合坯体，即GF@AlN复合坯体；6)将GF@AlN复合坯体经真空烧结处理，制得三维氮化铝骨架增强高取向片状石墨复合材料。3.根据权利要求2所述的三维氮化铝骨架增强高取向片状石墨复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，配制Al(OH)3溶胶具体操作如下：取一定量的Al(NO3)3粉末溶于去离子水中，配制Al(NO3)3溶液，并利用磁力搅拌器进行搅拌混合，同时向Al(NO3)3溶液中缓慢滴加氨水调节pH值，直至Al(OH)3溶胶完全形成。4.根据权利要求2所述的三维氮化铝骨架增强高取向片状石墨复合材料的制备方法，其特征在于，所述片状石墨颗粒的纯度>99％，宽度在2...

【专利技术属性】
技术研发人员：史忠旗，朱媛媛，庞皓然，张彪，夏鸿雁，王波，王继平，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：