高导热、低膨胀碳-碳/铝复合材料 【技术领域】
本发明涉及一种铝复合材料，具体是一种高导热、低膨胀碳-碳/铝复合材料。用于电子器件领域。
背景技术
随着电子信息技术的不断发展，半导体集成度的不断提高，芯片单位面积功率也在不断提高，能量密度的提高导致能量损失也在不断提高，并且能量损失的99％以上是以热量的形式散失的，而半导体元器件的性能、寿命都和它的工作温度有直接的关系，因此对封装中所使用的热量控制材料的性能提出了更高的要求。尺寸稳定性材料广泛应用于高精度仪器、惯性平台、宇航等领域。由于工作环境温度变化幅度较大，以及仪器自身工作的需要，尤其是一些光电设备，要求所使用地材料在温度变化时，尺寸变化非常小。这就要求所使用的材料热膨胀系数非常小，甚至为零。而在航天器设计中，为了提高航天器的有效载荷，提出了多功能结构的概念；即在单一结构中集成机械保护、热量控制、电力传输、信号传输等多种功能。为满足多方面的设计要求，在航天器多功能结构中也要求使用高导热、低膨胀的材料。
碳纤维具有轴向的高强度(3000～7000MPa)、高弹性模量(250～900GPa)，以及高的导热系数(最高达2000W/mK)、低的热膨胀系数(可为负值)，较小的密度(1.8～2.1g/cm3)等一系列优良的综合性能，以高导热碳纤维增强铝基体获得的碳/铝复合材料能够同时具有高的热导率和低的热膨胀系数。美国的MMCC公司(铸造金属基复合材料有限公司)于1998年开发的2-D高导热、低膨胀碳/铝复合材料热导率高达280W/mK，而膨胀系数仅为2.8×10-6。其组成为23％的K1100高导热碳纤维，77％为铝基体(体积含量)(根据密度估计值)。该种高导热、低膨胀碳/铝复合材料使用高导热的K1100短碳纤维(热导率为1100W/mK)为增强体，在平面内纤维杂乱排列，因而为平面内的准各向同性。使用高导热碳纤维获得的碳/铝复合材料的主要不足在于价格昂贵。高导热纤维较难获得，因而价格十分高昂。
【发明内容】
本发明针对信息、航天等领域的需求，提供一种高导热、低膨胀碳-碳/铝复合材料，使针刺毡碳-碳/铝复合材料在不使用高导热碳纤维的情况下，通过控制热解碳的形态、结构，所制成的针刺毡碳-碳/铝复合材料的热导率达到一个很高的水平，主要用于微电子热量控制、精密仪器、航空航天器件。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明碳-碳/铝复合材料由碳纤维、热解碳、铝基体组成，其中碳纤维完整的包裹在热解碳层中，铝基体在热解碳层的外侧，包裹着热解碳层和碳纤维，其中热解碳层的厚度由化学气相渗的工艺参数和时间控制，热解碳厚度根据需要在1～4μm间。由于对热量控制材料的一个首要要求是热膨胀系数为4～8×10-6之间，由此可以确定出铝基体的含量，之后考虑到所要求达到的热导率值，确定碳纤维、热解碳的体积含量。在本发明中，通过热解碳和碳纤维来降低热膨胀系数，而铝基体和热解碳则是主要的热量传输载体。热解碳必须具备以下特征：具有完整的三维石墨晶体结构；晶体尺寸La≥100nm，石墨晶粒的取向高度一致。
相对于传统碳/铝复合材料而言，热解碳组分的引入对碳-碳/铝复合材料的性能有重要影响。一方面，厚度超过1μm的热解碳层能够完全隔绝碳纤维和铝基体的接触，起到良好的保护碳纤维的作用，使得碳纤维能够较好的发挥增强体的作用；另一方面，热解碳层与铝基体的反应性很差，在热解碳-铝界面很难发现界面反映产物，因而热解碳-铝界面较为干净，能够有效的降低界面热阻。并且热解碳自身的热膨胀系数很低，而热导率很高，因而能够在不使用高导热碳纤维的条件下，有效的提高材料的导热系数，获得同时具有高的导热系数和低的热膨胀系数的材料。热解碳层的引入有效的提高材料设计的余度，丰富材料设计的手段，提高材料所能获得的性能范围，从而实现各种热导率和若膨胀系数的组合，能够满足热量控制领域及精密仪器等领域对具有不同性能的高导热、低膨胀材料的需求。
本发明是这样制备的：首先将若干层、具有一定厚度的整体毡堆叠后，经针刺联结为整体，并达到设计的纤维体积含量，在1050℃下碳化后，再经化学气相渗处理后制成针刺毡碳-碳预制件；之后采用真空压力浸渍法与铝复合形成碳-碳/铝复合材料。
针刺毡碳-碳/铝复合材料平面内的纤维为无序分布，在各方向的排布比例大致相当，从而使得所制成的材料性能为平面内各向同性。垂直于平面的纤维束为在针刺过程中由刺针带起的横贯厚度方向的纤维，碳毡层片主要依靠这样的纤维束联结。预制件内的碳纤维均包裹在一定厚度的热解碳层中，热解碳层与碳纤维的结合良好，在与铝复合后，热解碳层与铝基体的结合状况也非常良好。
整个预制件内的碳纤维彼此交连，并且由热解碳固定，在复合过程中，碳-碳预制件的变形量非常小，碳-碳预制件的结构得以很好的保持在碳-碳/铝复合材料中。而且由于热解碳与铝基体几乎不发生界面反应，因而界面非常干净，难以发现界面产物Al4C3。而Al4C3的热导率很低，若碳-铝界面有Al4C3存在，将极大提高界面热阻，从而降低材料的热导率，热解碳与铝基体极好的化学相容性降低了界面热阻。热解碳的(002)晶面与碳纤维的(002)晶面平行，热解碳和碳纤维界面结合良好。
应用本发明，能够有效的解决在不使用高导热碳纤维的条件下制备出高导热、低膨胀复合材料的难题。能够有效的简化工艺，降低成本，从而满足航空航天、信息工程、精密仪器等领域对高导热、低膨胀复合材料的需求。
【具体实施方式】
本发明碳-碳/铝复合材料由碳纤维、热解碳、铝基体组成，其中碳纤维完整的包裹在热解碳层中，铝基体在热解碳层的外侧，包裹着热解碳层和碳纤维，其中热解碳层的厚度在1～4μm间。结构特性：碳纤维完整的包裹在厚度为1～4μm的热解碳层中，在热解碳层外侧为铝基体，碳纤维不与铝基体接触。
实施例1
整体毡经针刺处理后，形成碳纤维坯体，其中碳纤维的含量为7.5％，再经化学气相渗处理后，在碳纤维坯体中沉积热解碳，最终处理完成后，预制件内的热解碳的含量达到27.5％。工业纯铝(99.7％Al)经真空压力浸渍工艺渗入预制件中，与热解碳结合良好，并且无界面反应，形成碳-碳/铝复合材料。在平面内无序分布的碳纤维包裹在平均厚度为2μm的热解碳层中，使得所制成的材料性能为平面各向同性，所制成的样品热膨胀系数为6×10-6，热导率为275W/mK，在没有使用价格高昂的高导热纤维的条件下，获得了相当与纯铝1.4倍的热导率，并且热膨胀系数在4～8之间，完全能够满足芯片热量控制材料的需要。
实施例2
整体毡经针刺处理后，形成碳纤维坯体，其中碳纤维的含量为3.5％，再经化学气相渗处理后，在碳纤维坯体中沉积热解碳，最终处理完成后，预制件内的热解碳的含量达到32.5％。工业纯铝(99.7％Al)经真空压力浸渍工艺渗入预制件中，形成碳-碳/铝复合材料。其过程为：碳-碳预制件装入模具中，模具密封后放入加热炉中；加热炉上部炉体和下部炉体分别升温，使密闭罐和铝液达到设定温度；炉膛内抽真空，真空度≤1×10-6MPa后，将盛有铝液的坩锅顶起，模具口浸入铝液中，在炉内通入压力1×106MPa的氮气，在模具内外压力差的作用下，铝液进入模具，渗入预制件中，保温1h后，模具随炉冷却。预制件温度与铝液温度均为750℃。所制成的样品热膨胀系数为7.2×10-6，热导率为310W/mK。在没有使用价格高昂的高导热纤维的条件下，获得了相当与纯铜倍的热导率，并且热膨胀系数在4～8之间，完全能够满足芯片热量控制材料的需要。
实施例3
整体毡经针刺处理后形成碳纤维坯体，其中碳纤维的含量为17.5％，再经化学气相渗处理后，预制件内的热解碳的含量达到7.5％。工业纯铝(99.7％Al)经真空压力浸渍工艺渗入预制件中，形成碳-碳/铝复合材料。其过程为：在没有使用价格高昂的高导热纤维的条件下，获得了相当与纯铝1.4倍的热导率，并且热膨胀系数在4～8之间，完全能够满足芯片热量控制材料的需要。所制成的样品热膨胀系数为4.2×10-6，热导率为180W/mK。
上述实施例中制成的材料都能够满足热量控制材料对性能的需求，热膨胀系数都处于4～8×10-6区间内，而热导率随不同的材料组成而变化，并且均能够获得超过150W/mK的高热导率，并且没有使用高导热纤维，从而有效的降低了成本。