石墨 - 金属导热复合材料研究简述王栋 |2013.11.29

目录

研究背景及意义热传导的机理研究现状实验室研究工作计划

背景及意义散热、热导率

Cu 、 Al 热膨胀系数大

Al/SiC 、 Cu/W 、 Cu/Mo 热传导系数及热扩散系数因特殊加工而有牺牲

研究的背景及意义材料 热膨胀系数 (CTE)10-6/K 导热系数 (TC)W·m-1·K-1 密度 g·cm-3

Cu 17.00 400 8.9

Al 23.00 230 2.7

Si 4.1 150 2.3

W 4.45 168 19.3

Mo 5.00 140 10.2

Kovar 5.90 17 8.3

Invar 1.60 10 -

GaAs 5.80 39 5.3

Al2O3 6.5~7.4 20~30 3.9

BeO 6.3~8 250 2.9

SiC 3.7 270 3.2

AlN 3.9~4.5 60~280 3.3

常用封装材料的性能

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研究的背景及意义

金刚石 -金属导热复合材料成本高、金刚石材料难加工

碳纤维 -金属导热复合材料用于导热的碳纤维技术要求高，国内不能生产

石墨 -金属导热复合材料国内已有高导热石墨但强度低、易脱落

热传导机理

电子• 金属晶体• 原子核外的自由电子作为载体

声子• 无机非金属材料• 晶格振动

光子• 电磁辐射• 较高温度条件下起主要作用

声子传热机理

德拜理论 (Debye’s law)石墨微观晶体结构

由于临近质点之间的振动存在位相差，使得晶格振动以弹性波的方式传播，这种晶格振动的弹性波称为格波。依据量子论，晶格振动的能量不是连续的，且只能为最小能量量子单元 hω 的整数倍。通常所谓的“声子” (phonon) 也就是格波的能量量子化。

𝜆 h𝑝 𝑜𝑛𝑜𝑛=13 𝐶𝑣𝑝 𝑙𝑝

影响热导率的因素① 声子 - 声子之间的碰撞产生的散热，降低了声子的平均自由程 ，散热越多晶格热阻就越大，对应的热导率就越小；② 材料中的各种晶界、缺陷及杂质均可以造成格波散热，同样降低了声子的平均自由程 ，热传导性能下降；③ 声子振动频率的影响，当格波以音频频率振动时，对应的波长较长，平均自由程 相对较大，产生的格波散射就小，声子热导率大；④ 温度的影响，随着温度的升高，格波频率变大，声子的平均自由程 降低，热传导性能下降。

热传导模型• Maxwell-Eucken (M-E) 模型

2//1

2/1/2

mddmd

mddmdmcom V

V

各相体积分数对颗粒增强基体复合材料热导率的影响模型• Hasselman-Johnson(H-J) 模型

2/2///1

2/2/1//2

dhVdhdhVdh

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界面热阻对复合材料热导率的影响

热膨胀

晶格振动中相邻质点的非线性及位能曲线的非对称性是材料产生热膨胀的主要原因。材料内部原子之间的相互作用力 ( 引力、斥力及键能 ) 直接影响到材料的热膨胀性能。材料的键能越强，热膨胀系数越低。材料结合强度的大小可以大概的反应材料熔点的高低。因此，熔点越高的材料，热膨胀系数就越小。

热膨胀理论模型• (a). 混合定律

(ROM) 模型• 主要适应于基体的弹性模量较小，基体与增强体颗粒之间不存在相互变形约束作用的情况

热膨胀理论模型• (b). Turner 模型• 主要考虑了显微应力不会造成微裂纹的产生，复合材料内部各组相变形程度一样，且所有的微观应力均是拉应力和压应力

( 忽略界面的剪切应力 ) 。• B代表体积模量

热膨胀理论模型• (a).Kerner 模型• 考虑增强体颗粒与基体之间的界面结合和剪切应力作用的影响• G代表剪切模量

热膨胀系数理论

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研究现状德国 Thomas Hutsch 和 Thomas Schubert 通过粉末冶金放电等离子烧结技术，制备出了以钨、铁、铝和铜为基体的鳞片石墨增强金属复合材料60 vol.% 鳞片石墨增强铜基复合材料热导率达 550 W/(m·K)

但致密度低、抗热震性能不好ReferenceHutsch T, Schubert T, Weissgaerber T, et al. Graphite metal composites with tailored physical properties [J].

Emerging Materials Research, 1(2): 107-114.Hutsch T, Schubert T, Schmidt J, et al. Innovative Metal-Graphite Composites as Thermally Conducting Materials [C]

//Proceedings of the Powder Metallurgy World Congress & Exhibition. PM2010. 2010: 361-368.

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研究现状

台湾 J. K. Chen等通过粉末冶金真空热压烧结的方式制备出了 10~90 vol.% 石墨鳞片纯铝金属基复合材料

其热导率在 324~783 W/(m·K) ，热膨胀系数在 2.5~16.9 ppm/K

ReferenceChen J K, Huang I S. Thermal properties of aluminum–graphite composites by powder metallurgy [J]. Composites

Part B: Engineering, 2013, 44(1): 698-703.

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研究现状

哈尔滨工业大学有报道制备的石墨 -铝复合材料沿鳞片石墨片层方向的热导率最高为 683 W/m•K ，热膨胀系数为 8.7 ppm/K ，但垂直于鳞片石墨层方向热导率以及复合材料力学性能无报道

上海交通大学制备的石墨 -铝复合材料热导率最高达到 402 W/m•K ，热膨胀系数为 8 ppm/K ，相关力学性能指标无

Reference武高辉 , 李文君 , 陈国钦 , 姜龙涛 , 张强 , 康鹏超 , & 苟华松 . (2013). 一种定向高导热低膨胀石墨铝复合材料及其制备方法 .周聪 , 陈哲 , 王浩伟 . (2013). 高导热石墨高硅铝基复合材料及其制备工艺 .

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本研究工作方法

金属 - 石墨复合导热材料表面改性后的石墨粉体石墨粉体

SEM、 XRD表征

测热导率、热膨胀系数

强碳化元素B/Cr/Si/Ti

熔盐法真空控制烧结

金属铝 /铜

热压烧结 /气压熔渗 / 压力熔铸

鳞片石墨表面覆硼处理

Element Weight% Atomic%

B K 74.36 76.71C K 23.40 21.73O K 2.24 1.56

Element Weight% Atomic%

C K 10.84 22.14

Si K 89.16 77.86

鳞片石墨表面覆硅处理

石墨 -铝基复合材料

• 不同石墨含量的石墨 -铝基复合材料的热导率

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预期的研究成果

制备出高强度、高热导率的石墨导热复合材料。导热系数达 400 W/(m·K) 以上，热膨胀系数6~9 ppm/K

摸索出大批量石墨粉体表面改性及导热复合材料制备的工艺条件，达到实际应用要求

谢 !谢