專利名稱：一種天然石墨基復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種復(fù)合材料的制備方法，具體是說是一種天然石墨基復(fù)合 材料的制備方法。 —(二) 背景技術(shù)在微電子集成電路以及大功率整流器件中，密集的無數(shù)微小尺寸的元件產(chǎn)生 大量熱量，因芯片與散熱材料之間熱膨脹系數(shù)的不匹配而引起的熱應(yīng)力疲勞以及 散熱性能不佳，進(jìn)而導(dǎo)致的芯片過熱己成為微電子電路和器件的主要失效形式， 電子元件的散熱成為了制約系統(tǒng)性能的瓶頸問題。隨著集成電路向高密度、小型化、多功能化發(fā)展，對(duì)電子封裝材料的要求 越來越苛刻。作為理想的散熱材料，必須滿足以下幾個(gè)基本要求 一是材料的導(dǎo) 熱性能要好，能夠?qū)雽?dǎo)體芯片在工作時(shí)產(chǎn)生的熱量及時(shí)地散發(fā)出去；二是材料 的熱膨脹系數(shù)(CTE)要與Si或GaAs等芯片相匹配，以避免芯片的熱應(yīng)力損壞； 三是材料要有足夠的強(qiáng)度和剛度，對(duì)芯片起到支承和保護(hù)的作用；四是材料的成 本要盡可能低，以滿足大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的要求。傳統(tǒng)的金屬及合金等散熱材料 己經(jīng)越來越難以適應(yīng)現(xiàn)代先進(jìn)集成電路技術(shù)的高速發(fā)展對(duì)封裝的各項(xiàng)要求。天然石墨具有輕質(zhì)、耐高溫、耐腐蝕、抗熱振性好和優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性能等， 是其他材料所不可比擬的。在理想的石墨晶體中層平面內(nèi)的熱導(dǎo)率和垂直該平面 方向的熱導(dǎo)率完全不同(垂直于碳網(wǎng)平面的熱導(dǎo)率僅為平行方向的1/400)，接近 完整結(jié)晶的石墨在層平面內(nèi)的熱導(dǎo)率可達(dá)2400 W/m《，是高導(dǎo)熱金屬材料鋁、 銅、銀的5 8倍多，而其質(zhì)量?jī)H為金屬材料的1/6 1/2，且熱膨脹系數(shù)比金屬 材料低得多。由此可見，石墨材料作為散熱器取代金屬及合金具有巨大的優(yōu)勢(shì)。 目前采用的石墨大多為天然石墨或膨脹石墨經(jīng)瀝青粘結(jié)劑成型。美國(guó)專利 4, 963, 414提出"三明治"結(jié)構(gòu)散熱器，即中間部分為天然石墨和瀝青的薄片， 上下為金屬薄片，通過環(huán)氧樹脂將上述三個(gè)薄片粘接而成，但存在材料強(qiáng)度較低 的問題。美國(guó)專利US 3140190是以石墨粉與一種陶瓷添加劑(硅化鉬、硼化鈦) 和液態(tài)碳質(zhì)粘結(jié)劑混合來制備耐火材料。以天然石墨為原料制備的材料強(qiáng)度較
低，對(duì)于使用要求強(qiáng)度較高的結(jié)構(gòu)石墨材料，通常認(rèn)為不宜用天然石墨作為原料, 而采用石油焦、瀝青焦等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的百的在于提供一種以天然石墨代替焦炭制備高強(qiáng)度、高熱導(dǎo)率的石 墨復(fù)合材料，工藝操作簡(jiǎn)單、操作方便、有利于制備特種高性能石墨復(fù)合材料的 一種天然石墨基復(fù)合材料的制備方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的(1) 用有機(jī)溶劑將瀝青溶解，加入填料，混合均勻，除去溶劑，破碎成小 顆粒制得粘接劑混合物；(2) 按重量百分比為天然石墨粉50 70%、摻雜催化石墨化組元2 20%、 粘結(jié)劑混合物22~35%的比例將上述原料均勻地混合，得到混合物；(3) 將混合物壓制成型。
本發(fā)明還可以包括1、 所述填料的是碳納米管、碳纖維和碳化硅纖維的一種或兩種以上任何比 例的混合物，加入量為瀝青重量的0.1~60%。
2、 所述的壓制成型是將混合物在室溫下，壓力為10 80MPa下冷壓成型， 在600 80(TC下炭化，再浸漬步驟1所述的粘結(jié)劑混合物，然后再在600 800 。C下炭化，炭化一浸漬循環(huán)幾次后，在1000 300(TC下石墨化。
3、 所述的壓制成型是將混合物在1400 3000'C溫度、10 80MPa壓力下熱 壓成型，恒溫時(shí)間10 卯min。
4、 所述的摻雜組元是Ti粉、Si粉、Zr粉或Zr02粉末中的一種或兩種以上 任何比例的混合物。
5、 所述的瀝青是高軟化點(diǎn)瀝青，軟化點(diǎn)為105 200'C。
本發(fā)明的方法與已有的技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)1、以天然石墨為原料代替焦炭制備高強(qiáng)度、高熱導(dǎo)率的石墨復(fù)合材料，其 抗彎強(qiáng)度均大于30MPa，熱導(dǎo)率大于250W/m.K,而且成本顯著降低。
2、 由于在原料中加入了具有增強(qiáng)作用的填料碳納米管、碳纖維或者碳化硅纖 維，使得制備的石墨復(fù)合材料的強(qiáng)度顯著提高。
3、 由于在原料中加入了催化石墨化組元，提高石墨復(fù)合材料的石墨化度，進(jìn)
而提高其熱導(dǎo)率。4、以天然石墨代替焦碳制備石墨復(fù)合材料，具有天然石墨本身的優(yōu)良特征 如熱穩(wěn)定性好、較低的電阻率、揮發(fā)份和熱膨脹系數(shù)。 3、本發(fā)明工藝操作簡(jiǎn)單，操作方便，有利于制備特種高性能石墨復(fù)合材料。
具體實(shí)施方式
下面舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述 實(shí)施例1以天然石墨為原料，添加量為70%，粘結(jié)劑為煤瀝青，軟化點(diǎn)為105'C，加 入填料是碳納米管，含量為瀝青重量的0.1%，粘結(jié)劑混合物的添加量為22%, 摻雜組元為Si粉，添加量為8%。將上述混合料混合均勻，在2400'C下，壓力 為15MPa下熱壓成型，恒溫時(shí)間30min。制備的復(fù)合材料的室溫性能為抗彎 強(qiáng)度為40MPa，熱導(dǎo)率為260W/m.K。實(shí)施例2以天然石墨為原料，添加量為60%，粘結(jié)劑為煤瀝青，軟化點(diǎn)為200'C，加 入填料是碳納米管，含量為瀝青重量的0.1%，粘結(jié)劑混合物的添加量為30%， 摻雜組元為Zr02粉，添加量為10%。將上述混合料混合均勻，在260(TC下，壓 力為20MPa下熱壓成型，恒溫時(shí)間40min。制備的復(fù)合材料的室溫性能為抗 彎強(qiáng)度為38MPa，熱導(dǎo)率為430 W/m.K。實(shí)施例3以天然石墨為原料，添加量為50%，粘結(jié)劑為煤瀝青，軟化點(diǎn)為120'C，加 入填料是碳纖維，含量為瀝青重量的60%，粘結(jié)劑混合物的添加量為35%，摻 雜組元為Ti粉，添加量為15%。將上述混合料混合均勻，在280(TC下，壓力為 50MPa下熱壓成型，恒溫時(shí)間60min。制備的復(fù)合材料的室溫性能為抗彎強(qiáng)度 為60MPa，熱導(dǎo)率為350W/m.K。實(shí)施例4以天然石墨為原料，添加量為70%，粘結(jié)劑為煤瀝青，軟化點(diǎn)為106'C，加 入填料是碳納米管，含量為瀝青重量的2%,粘結(jié)劑混合物的添加量為22%，摻 雜組元為Si粉，添加量為8%。將上述混合料混合均勻，成型工藝采用常規(guī)工藝， 壓力為40MPa下冷壓成型，在80(TC下炭化，再經(jīng)粘結(jié)劑混合物浸漬，然后再
在800'C下炭化，炭化一浸漬循環(huán)2次后，在2400'C下石墨化。制備的復(fù)合材料 的室溫性能為抗彎強(qiáng)度為36MPa，熱導(dǎo)率為250 W/m.K。 實(shí)施例5以天然石墨為原料，添加量為58%，粘結(jié)劑為石油瀝青，軟化點(diǎn)為150'C， 加入填料是碳化硅纖維，含量為瀝青重量的10% ，粘結(jié)劑混合物的添加量為22%, 摻雜組元為Si粉，添加量為20%。將上述混合料混合均勻，成型工藝采用常規(guī) 工藝，壓力為80MPa下冷壓成型，在60(TC下炭化，再經(jīng)粘結(jié)劑混合物浸漬， 然后再在800'C下炭化，炭化一浸漬循環(huán)4次后，在300(TC下石墨化。制備的復(fù) 合材料的室溫性能為抗彎強(qiáng)度為30MPa，熱導(dǎo)率為240W/m.K。實(shí)施例6以天然石墨為原料，添加量為70%，粘結(jié)劑為石油瀝青，軟化點(diǎn)為18(TC， 加入填料是碳納米管，含量為瀝青重量的30%，粘結(jié)劑混合物的添加量為28%， 摻雜組元為Ti粉，添加量為2%。將上述混合料混合均勻，成型工藝采用常規(guī)工 藝，壓力為10 MPa下冷壓成型，在80(TC下炭化，再經(jīng)粘結(jié)劑混合物浸漬，然 后再在800'C下炭化，炭化一浸漬循環(huán)2次后，在240(TC下石墨化。制備的復(fù)合 材料的室溫性能為抗彎強(qiáng)度為31MPa，熱導(dǎo)率為270百/111乂。實(shí)施例7以天然石墨為原料，添加量為70%，粘結(jié)劑為煤瀝青，軟化點(diǎn)為106°C,加 入填料是碳納米管，含量為瀝青重量的2%，粘結(jié)劑混合物的添加量為22%,摻 雜組元為Si粉，添加量為8%。將上述混合料混合均勻，成型工藝采用常規(guī)工藝， 壓力為60MPa下冷壓成型，在800'C下炭化，再經(jīng)粘結(jié)劑混合物浸漬，然后再 在800'C下炭化，炭化一浸漬循環(huán)5次后，在1000'C下石墨化。制備的復(fù)合材料 的室溫性能為抗彎強(qiáng)度為32 MPa，熱導(dǎo)率為260 W/m.K。實(shí)施例8以天然石墨為原料，添加量為70%，粘結(jié)劑為煤瀝青，軟化點(diǎn)為106'C，加 入填料是碳纖維，含量為瀝青重量的40%，粘結(jié)劑混合物的添加量為22%，摻 雜組元為Ti粉，添加量為8%。將上述混合料混合均勻，成型工藝采,用常規(guī)工藝， 壓力為40MPa下冷壓成型，在80(TC下炭化，再經(jīng)粘結(jié)劑混合物浸漬，然后再 在80(TC下炭化，炭化一浸漬循環(huán)2次后，在2600'C下石墨化。制備的復(fù)合材料 的室溫性能為抗彎強(qiáng)度為38MPa,熱導(dǎo)率為265 W/m.K。
權(quán)利要求
1、 一種天然石墨基復(fù)合材料的制備方法，其特征是(1) 用有機(jī)溶劑將瀝青溶解，加入填料，混合均勻，除去溶劑，破碎成小 顆粒制得粘接劑混合物；(2) 按重量百分比為天然石墨粉50 70%、摻雜催化石墨化組元2 20%、 粘結(jié)劑混合物22 35%的比例將上述原料均勻地混合，得到混合物；(3) 將混合物壓制成型。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種天然石墨基復(fù)合材料的制備方法，其特征是:所述的填料是碳納米管、碳纖維和碳化硅纖維的一種或兩種以上任何比例的混合物，加入量為瀝青重量的0.1~60%。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種天然石墨基復(fù)合材料的制備方法，其特征是: 所述的摻雜組元是Ti粉、Si粉、Zr粉或Zr02粉末中的一種或兩種以上任何比 例的混合物。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種天然石墨基復(fù)合材料的制備方法，其特征是: 所述的瀝青是高軟化點(diǎn)瀝青，軟化點(diǎn)為105 20(TC。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l-4任何一項(xiàng)所述的一種天然石墨基復(fù)合材料的制備方法， 其特征是所述的壓制成型是將混合物在室溫下，壓力為10 80MPa下冷壓成 型，在600 80(TC下炭化，再浸漬步驟1所述的粘結(jié)劑混合物，然后再在600 80(TC下炭化，炭化一浸漬循環(huán)幾次后，在1000 3000'C下石墨化。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l-4任何一項(xiàng)所述的一種天然石墨基復(fù)合材料的制備方法, 其特征是所述的壓制成型是將混合物在1400 300(TC溫度、10 80MPa壓力 下熱壓成型，恒溫時(shí)間10 90min。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種天然石墨基復(fù)合材料的制備方法。用有機(jī)溶劑將瀝青溶解，加入填料，混合均勻，除去溶劑，破碎成小顆粒制得粘接劑混合物；按重量百分比為天然石墨粉50～70％、摻雜催化石墨化組元2～20％、粘結(jié)劑混合物22～35％的比例將上述原料均勻地混合，得到混合物；將混合物通過常規(guī)工藝或熱壓工藝制備高強(qiáng)度、高熱導(dǎo)率的石墨基復(fù)合材料。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在由于在原料中加入了具有增強(qiáng)作用的填料碳納米管、碳纖維或者碳化硅纖維，使得制備的石墨復(fù)合材料的強(qiáng)度顯著提高，同時(shí)原料中加入的催化石墨化組元，可以提高石墨復(fù)合材料的石墨化度，進(jìn)而提高其熱導(dǎo)率。因此可以天然石墨為原料代替焦炭制備高強(qiáng)度、高熱導(dǎo)率的石墨復(fù)合材料，其抗彎強(qiáng)度均大于30MPa，熱導(dǎo)率大于250W/m.K，而且成本顯著降低。
文檔編號(hào)C08K3/04GK101121823SQ20071007262
公開日2008年2月13日 申請(qǐng)日期2007年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月7日
發(fā)明者范壯軍, 彤 魏 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)