高導熱、低膨脹石墨-鋁復合材料的設計、制備與性能研究.pdf

1、隨著電子器件不斷向小型化、輕量化和高性能方向發(fā)展，單位體積的發(fā)熱量也越來越大，隨之而來的溫度升高以及封裝材料與芯片之間熱應力的增大將嚴重影響器件的性能、可靠性和使用壽命。電子器件的散熱問題已成為制約高功率器件發(fā)展與應用的瓶頸。為了有效地散熱，這就要求熱管理材料應具有盡可能高的熱導率，同時應具有與半導體材料相匹配的熱膨脹系數(CTE)，以避免因CTE差異引起的熱應力導致器件失效。傳統(tǒng)的熱管理材料由于熱導率不足以及不能同時滿足上述性能要求，

2、已經不能滿足高功率器件的散熱要求。
　　鋁基復合材料以其較高的熱導率和可設計的CTE，以及較低的密度、優(yōu)良的可加工性，為設計高性能熱管理材料提供了可能。然而以下問題制約了其發(fā)展：難以同時實現高導熱與低膨脹，而且還需兼顧可加工性、力學性能、低密度和低成本的要求。
　　本論文以提高鋁基復合材料的導熱性能和調控CTE為重點，通過優(yōu)化材料的復合構型以及調控界面結構來實現復合材料的高導熱與低膨脹性能，同時兼顧可加工性與力學性能等方面的

3、要求，最終獲得高導熱、低膨脹石墨-鋁復合材料。
　　論文首先在理論上分析實現復合材料高導熱性能的必要條件，基于有效介質理論推導預測復合材料導熱性能的理論模型，建立復合材料導熱性能與顯微結構要素(包括復合構型和界面結構)之間的定量關系，從而為石墨-鋁復合材料的設計提供理論指導。然后，對石墨-鋁復合材料的顯微結構進行優(yōu)化設計，制備了具有面內隨機分布的短切纖維、定向石墨片陣列以及互穿結構等不同復合構型的復合材料，并與常規(guī)的彌散分布的石墨

4、顆粒-鋁復合材料進行對比。通過比較不同復合構型的熱增強能力，確定最優(yōu)的復合構型；與此同時，通過抑制有害界面反應實現了低熱阻的界面結構，從而實現復合材料的高導熱性能。在此基礎上，對石墨填料、基體材料和界面結構進行優(yōu)化，進一步提高石墨-鋁復合材料的導熱性能。最后，對復合材料的熱膨脹性能和力學性能展開研究。最終獲得了高導熱、低膨脹的石墨-鋁復合材料。
　　不同復合構型的熱增強能力研究表明，定向石墨片陣列結構具有最高的熱增強能力。本文基于

5、有效介質理論推導了相應的預測復合材料熱導率的理論模型，實驗值與預測值一致，證明了預測模型的有效性。本文研究了石墨片尺寸對定向石墨片陣列結構復合材料導熱性能的影響規(guī)律，結果表明復合材料的熱導率隨石墨片直徑的增加而增加，但當直徑增加到一定程度時復合材料熱導率的增加趨于平緩；復合材料的熱導率隨石墨片縱橫比倒數的增加而增加。定向石墨片陣列在不同基體中的熱增強行為存在明顯的差異，本文推導的理論模型很好地解釋了該現象。這主要歸因于有效相襯(定義為填

6、料的有效熱導率與基體的熱導率之比)的影響。隨著有效相襯的增加，定向石墨片陣列的熱增強行為從線性逐漸過渡到非線性。
　　界面的表征結果顯示在石墨片與鋁基體之間存在非晶界面層。在石墨片的側面，界面層為反應性Al-Si-O-C非晶層，厚度約40-50nm。在石墨片端面的界面層內未發(fā)現反應產物，快速傅里葉變換的結果表明該界面層為非晶碳層，其厚度約5-8nm。復合材料熱導率的實驗值與零厚度界面對應的理論熱導率(即只考慮 Kapitza熱阻)

7、非常接近，這表明納米尺度的非晶碳層并不會對界面熱傳導產生明顯的不良影響。通過逆運算求解得到含非晶界面層的界面熱導率為1.3×107W/m2 K，這與零厚度界面對應的界面熱導率(4.5×107W/m2 K)在一個數量級。研究還發(fā)現熱處理能顯著降低復合材料的熱導率，這主要歸因于氧原子在界面處富集增加了對聲子的散射作用，以及形成有害界面反應產物降低了界面熱導率。在石墨片與鋁基體之間構造適合的中間層并將中間層的厚度控制在臨界厚度以下可以實現更高

8、的界面熱導率。理論計算表明：高導熱的金剛石、銀和銅不適合作為石墨/鋁界面的中間層，硅是最適合的材料。
　　石墨片-硅-鋁復合材料的熱膨脹行為研究表明，隨著石墨片的體積分數從13.7％增加到71.1%，復合材料 xy方向上的熱膨脹系數從11.4ppm/K降低到7.7ppm/K，這與Kerner模型的預測結果一致。但在z方向上復合材料存在反常熱膨脹行為：z方向上的熱膨脹系數反而比xy方向上的熱膨脹系數更低，且隨著石墨片體積分數的增加而