一種納米碳纖維-銅復合材料的制備方法
【專利摘要】本發明公開了屬于電子元器件復合材料制備【技術領域】的一種納米碳纖維-銅復合材料的制備方法。此方法首先通過化學鍍或電鍍將納米碳纖維鍍覆一定體積分數的銅或銅-鎳合金，在氫氣中還原金屬化的納米碳纖維，之后將其通過熱等靜壓或放電等離子體燒結制備納米碳纖維-銅復合材料坯件，最后經過熱軋開坯，冷軋達到納米碳纖維的定向排布，最后制得納米碳纖維-銅復合材料。制備的納米碳纖維復合材料比銅密度低、熱膨脹系數可調，平行纖維方向熱導率高，可廣泛用于微電子封裝、激光二極管、IGBT和半導體、散熱片和蓋板。
【專利說明】一種納米碳纖維-銅復合材料的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于電子元器件復合材料制備【技術領域】，具體涉及一種納米碳纖維-銅復合材料的制備方法。
【背景技術】
[0002]傳統電子器件的散熱采用高導熱金屬如銅、銀作為散熱材料，但是熱沉與電子基板連接處的熱機械疲勞導致電子器件壽命縮短。在低膨脹系數、高導熱的材料中碳纖維增強金屬基復合材料不但可以減小熱膨脹系數，降低密度，而且可以增強強度、模量、熱導，提高其高溫性能，與其他高導熱材料相比易加工。
[0003]納米碳纖維具有高的比強度、比模量，良好的潤滑與耐磨損特性，具有一定的導電、導熱性，長徑比大，比表面積大、結構致密等優點。由于納米碳纖維獨特的細長結構，使得其熱傳導性在平行于軸線與垂直于軸線方向上表現出很大的不同，平行于軸線方向的熱傳導性可以與具有最高的熱傳導率的金剛石相媲美，而垂直于軸線方向上，熱傳導率非常小，但是具有軸向方向為負值的熱膨脹系數。將碳纖維與銅復合制成的復合材料可應用于微電子封裝、激光二極管、IGBT和半導體、散熱片和蓋板,與傳統的Cu合金相比熱導率相當，但最大的優勢是熱膨脹系數可根據纖維體分可調，且密度大大降低。
[0004]現有納米碳纖維的制備工藝主要是將碳纖維與銅粉通過機械混合，用粉末冶金方法制成所需的復合材料，但是銅與纖維的潤濕性不好，碳纖維與銅的界面只是通過機械互鎖連在一起，因此界面之間的結合較差。H.Weidmueller等用粉末冶金法制備納米碳纖維增強銅復合材料，采用直徑150nm、長度20微米的納米碳纖維和亞微米級銅粉，先利用超聲振動儀在乳化劑的幫助下將納米碳纖維分散為穩定的懸浮液，再加入亞微米級銅粉與微量元素，再攪拌狀態干燥，得到的混合粉在還原氣體下還原，再分別通過擠壓、熱等靜壓、熱壓做成不同樣品。以上制備工藝成率低，成本高，且碳纖維與銅之間沒有結合，沒有實現碳纖維的定向排布，χ-y取向的高導熱性不能充分發揮。
[0005]為了解決碳纖維的定取向問題，Jang等采用液體浸滲法制備出定向排列的納米碳纖維增強銅復合材料，將納米碳纖維裝入銅管拉成直徑為0.2mm的細絲，然后通過熱等靜壓后纖維表面的碳原子進入銅基體，使得碳纖維與銅基體形成機械咬合。US2003/002461 IAl中也提到以上類似方法制備非連續碳纖維金屬基復合材料的工藝方法，特別指出可以在預制件的模具中疊層放置多層定向排布的碳纖維預制件，在脫脂和熔滲過程中成為一體。以上存在的問題是，即使通過壓制預制件過程中實現碳纖維的定向排布，纖維的取向度也較差，并且納米纖維預制件熔滲是毛細力較大，難以實現，且設備的要求較高。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于提供一種納米碳纖維-銅復合材料的制備方法。
[0007]一種納米碳纖維-銅復合材料的制備方法，在納米碳纖維表面均勻鍍覆納米碳纖維質量50%-90%的銅或銅-鎳合金，將金屬化的納米碳纖維在氫氣氣氛下還原，然后熱壓燒結制得納米碳纖維-銅復合材料坯件，之后進行熱軋開坯，壓下率為50-70%，然后再冷軋，壓下率為5-10%，使納米碳纖維定向排布，制得納米碳纖維-銅復合材料。
[0008]氫氣還原溫度為400°C，還原時間為1小時。
[0009]所述熱壓燒結的方法為熱等靜壓或放電等離子體(SPS)燒結。
[0010]所述熱等靜壓燒結的壓力為90-120MPa，溫度為800-1000°C，時間為20_40min。
[0011]所述放電等離子體燒結的溫度為600-800°C，燒結時間10-15min，壓力為60-80MPa0
[0012]本發明方法的有益效果為:利用本范明方法制備的納米碳纖維-銅復合材料比銅密度低、熱膨脹系數可調，平行纖維方向熱導率高，可廣泛用于微電子封裝、激光二極管、IGBT和半導體、散熱片和蓋板，此方法實現了納米碳纖維的定向排布，且工序簡單易行。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為納米碳纖維-銅復合材料及其制備方法流程示意圖。
[0014]圖2為納米碳纖維-銅復合材料的金相組織；
[0015]其中2-1、2-2為垂直納米碳纖維χ-y方向的的金相組織,2-3為平行納米碳纖維x-y方向的金相組織，2-4為納米碳纖維-銅復合材料的整體金相組織。
[0016]圖3為納米碳纖維-銅復合材料的金相組織全體圖。
【具體實施方式】
[0017]實施例1
[0018]按照圖1所示的流程，在納米碳纖維表面化學鍍銅層，銅層為納米碳纖維質量的90%，氫氣還原溫度為400 V，還原時間為I小時，在90MPa壓力下，900 °C熱等靜壓25min，得到納米碳纖維-銅坯件，之后經過熱軋，壓下率為70%，冷軋的壓下率為10%，得到納米碳纖維-銅復合材料，如圖2-3所示。材料的密度為8.2g/cm3，平行于纖維χ-y方向的熱導率為250W/mK，熱膨脹系數為8ppm/°C，垂直纖維z軸方向熱導率為120W/mK，熱膨脹系數為17ppm/°C ο
[0019]實施例2
[0020]按照圖1所示的流程，在納米碳纖維表面化學鍍銅層，銅層為納米碳纖維質量的80%，氫氣還原溫度為400°C，還原時間為1小時，在95MPa壓力下，950°C熱等靜壓25min，得到納米碳纖維-銅坯件，之后經過熱軋，壓下率為65%，冷軋壓下率為8%，得到納米碳纖維-銅復合材料，如圖2-3所示。材料的密度為7.5g/cm3，平行于纖維x-y方向的熱導率為280W/mK，熱膨脹系數為IOppm/°C，垂直纖維z軸方向熱導率為150W/mK，熱膨脹系數為16.5ppm/°C。
[0021]實施例3
[0022]按照圖1所示的流程，在納米碳纖維表面化學鍍銅-鎳層，為納米碳纖維質量的65%，氫氣還原溫度為400°C，還原時間為1小時，在10OMPa壓力下，1000°C熱等靜壓30min，得到納米碳纖維-銅坯件，經過熱軋壓下率控制在60%，之后冷軋，壓下率控制在5%，得到納米碳纖維-銅復合材料，如圖2-3所示。材料的密度為6.5g/cm3，平行于纖維χ-y方向的熱導率為300W/mK，熱膨脹系數為9ppm/°C，垂直纖維z軸方向熱導率為180W/mK，熱膨脹系數為 16ppm/°C。
[0023]實施例4
[0024]按照圖1所示的流程，在納米碳纖維表面化學鍍銅層，銅層為納米碳纖維質量的50%，氫氣還原溫度為400°C，還原時間為I小時，在IlOMPa壓力下，1000°C熱等靜壓35min，得到納米碳纖維-銅坯件，經過熱軋，壓下率控制在50%，之后冷軋，壓下率控制在5%，得到納米碳纖維-銅復合材料，如圖2-3所示。材料的密度為5.5g/cm3，平行于纖維χ-y方向的熱導率為400W/mK，熱膨脹系數為7ppm/°C，垂直纖維z軸方向熱導率為200W/mK，熱膨脹系數為 16ppm/°C。
[0025]實施例5
[0026]按照圖1所示的流程，在納米碳纖維表面化學鍍銅層，銅層為納米碳纖維質量的50%，氫氣還原溫度為400°C，還原時間為I小時，在70MPa壓力下，700°C SPS燒結lOmin，得到納米碳纖維-銅坯件，經過熱軋，壓下率控制在50 %，之后冷軋，壓下率控制在5%，得到納米碳纖維-銅復合材料，如圖2-3所示。材料的密度為5.6g/cm3，平行于纖維χ-y方向的熱導率為390W/mK，熱膨脹系數為6.9ppm/°C，垂直纖維z軸方向熱導率為190W/mK，熱膨脹系數為 16ppm/°C。
【權利要求】
1.一種納米碳纖維-銅復合材料的制備方法，其特征在于，在納米碳纖維表面均勻鍍覆納米碳纖維質量50%-90%的銅或銅-鎳合金，將金屬化的納米碳纖維在氫氣氣氛下還原，然后熱壓燒結制得納米碳纖維-銅復合材料坯件，之后進行熱軋開坯，壓下率為50-70%，然后再冷軋，壓下率為5-10%，使納米碳纖維定向排布，制得納米碳纖維-銅復合材料。
2.根據權利要求1所述的納米碳纖維-銅復合材料的制備方法，其特征在于，在納米碳纖維表面鍍覆銅或銅-鎳合金的方法為電鍍或化學鍍。
3.根據權利要求1所述的納米碳纖維-銅復合材料的制備方法，其特征在于，氫氣還原溫度為400°C，還原時間為I小時。
4.根據權利要求1所述的納米碳纖維-銅復合材料的制備方法，其特征在于，所述熱壓燒結的方法為熱等靜壓或放電等離子體燒結。
5.根據權利要求4所述的納米碳纖維-銅復合材料的制備方法，其特征在于，所述熱等靜壓燒結的壓力為90-120MPa，溫度為800-1000°C，時間為20_40min。
6.根據權利要求4所述的納米碳纖維-銅復合材料的制備方法，其特征在于，所述放電等離子體燒結的溫度為600-800°C， 燒結時間10-15min，壓力為60-80 MPa。
【文檔編號】C22C101/10GK103882349SQ201210563340
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年12月21日 優先權日:2012年12月21日
【發明者】張習敏, 郭宏, 尹法章, 范葉明, 韓媛媛, 徐駿 申請人:北京有色金屬研究總院