【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于計(jì)算化學(xué)復(fù)合材料，特別是涉及到一種金剛石-石墨烯復(fù)合材料及其制備方法。
技術(shù)介紹
1、隨著電子和光電子器件朝著小型化、高功率密度的方向發(fā)展，散熱問題日益突出，對(duì)材料提出了新的要求。近年來，以高導(dǎo)熱石墨作為填料的復(fù)合材料越來越受到關(guān)注。天然鱗片石墨由于資源豐富、價(jià)格低廉、導(dǎo)熱系數(shù)高，是制備高導(dǎo)熱復(fù)合材料的理想填料。以金剛石為基體，天然鱗片石墨為填料，可以制備出多種高導(dǎo)熱復(fù)合材料。
2、由于石墨片層具有很高的長(zhǎng)徑比以及各向異性的導(dǎo)熱特性，以石墨為填料的復(fù)合材料表現(xiàn)出顯著的導(dǎo)熱各向異性：平行于石墨片層的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)（）可以達(dá)到垂直于石墨片層方向?qū)嵯禂?shù)（）的數(shù)十倍。
3、此外，已有多種表征手段來研究金剛石基-石墨填料復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能，如x射線衍射、掃描電鏡、透射電鏡、能量色散x射線光譜等。這些分析表征手段可以揭示復(fù)合材料的物相組成、填料分散狀態(tài)、基體與填料的界面結(jié)構(gòu)等重要信息，為深入理解復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系提供了依據(jù)。此外，還可以利用有限元分析等計(jì)算化學(xué)方法，基于復(fù)合材料組分的物性參數(shù)，通過數(shù)值模擬和理論計(jì)算，預(yù)測(cè)復(fù)合材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算的對(duì)比，可以加深對(duì)影響復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的關(guān)鍵因素的認(rèn)識(shí)。
4、為了開發(fā)和制備金剛石基-石墨填料復(fù)合材料，人們采用了多種工藝方法和設(shè)備，如利用壓力滲透、氣壓滲透、真空熱壓燒結(jié)、放電等離子體燒結(jié)（sps）等。這些方式考察了大量工藝參數(shù)對(duì)材料性能的影響，其中最重要的性能指標(biāo)是導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)（cte）。對(duì)于散熱管理領(lǐng)域的
5、本專利技術(shù)的目的是探索利用多孔石墨預(yù)制體在高壓下滲金剛石懸浮液制備高品質(zhì)金剛石-石墨復(fù)合材料的可行性。該工藝無需昂貴的設(shè)備，工藝簡(jiǎn)單，成本低，對(duì)操作人員的技能要求也不高，無需復(fù)雜的模具。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的是提供一種高導(dǎo)熱性能的金剛石-石墨烯復(fù)合材料及其制備方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中復(fù)合材料導(dǎo)熱性能不穩(wěn)定、制備工藝復(fù)雜且成本高的技術(shù)問題。本專利技術(shù)在制備高導(dǎo)熱金剛石-石墨復(fù)合材料的過程中，采用了多種現(xiàn)代分析表征手段。利用x射線衍射儀測(cè)定了所用石墨的結(jié)晶度，并通過diffrac?eva軟件對(duì)衍射圖譜進(jìn)行分析計(jì)算。采用透射電鏡（tem）和高分辨透射電鏡（hrtem）研究復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和組分，發(fā)現(xiàn)在金剛石基體與石墨片層之間形成了非晶過渡層。利用能量色散x射線光譜（edx）分析了復(fù)合材料界面處的元素組成。
2、本專利技術(shù)的技術(shù)方案如下：
3、一種金剛石-石墨烯復(fù)合材料，包括金剛石基體和分散在所述金剛石基體中的石墨片層；其中：
4、所述石墨片層的體積分?jǐn)?shù)為75%；
5、所述石墨片層相對(duì)于復(fù)合材料表面的平均取向角為97°，取向角分布寬度為20°；
6、所述金剛石基體與石墨片層之間形成厚度為5-15nm的非晶過渡層，所述非晶過渡層中含有c、o、si元素；
7、所述復(fù)合材料的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)不低于570w/（m?k）。
8、進(jìn)一步地，所述石墨片層的平均直徑為300μm，厚度為15μm。
9、進(jìn)一步地，所述石墨片層的碳含量≥99.5%，結(jié)晶度為92.8%。
10、進(jìn)一步地，所述金剛石基體的金剛石含量≥99.9%，金剛石顆粒的中位粒徑為20μm。
11、本專利技術(shù)還提供了上述金剛石-石墨烯復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：
12、（1）將石墨粉與硅粉按83：17的重量比混合，球磨1-10小時(shí)后過篩；
13、（2）將混合粉體在模具中進(jìn)行振動(dòng)壓制，最大壓力為25mpa，得到多孔石墨預(yù)制體；
14、（3）將所述多孔預(yù)制體以10℃/min的速率加熱至600℃并保溫60分鐘；
15、（4）配制金剛石懸浮液；
16、（5）將金剛石懸浮液加熱至900℃；
17、（6）在100mpa壓力下將所述金剛石懸浮液滲透到所述多孔石墨預(yù)制體中；
18、（7）在壓力作用下進(jìn)行冷卻定向凝固。
19、此外，本專利技術(shù)基于計(jì)算化學(xué)技術(shù)定量評(píng)估了石墨片層在復(fù)合材料中的取向度。在已知復(fù)合材料組分的物性參數(shù)（如石墨的面內(nèi)/垂直導(dǎo)熱系數(shù)、金剛石的導(dǎo)熱系數(shù)等）的基礎(chǔ)上，利用以下理論計(jì)算模型，估算了復(fù)合材料的綜合導(dǎo)熱系數(shù)：
20、；其中，為復(fù)合材料中石墨片層的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)，為石墨的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)，為石墨片層法線方向相對(duì)于復(fù)合材料表面法線的平均偏角，為取向角分布的標(biāo)準(zhǔn)差。
21、考慮到石墨片層分散在金剛石基體中，此處的需要考慮金剛石/石墨界面熱阻的影響，采用下式計(jì)算其有效值：
22、；其中，為金剛石/石墨界面的導(dǎo)熱系數(shù)，為石墨片層的平均直徑。
23、將式（4）計(jì)算得到的代入式（3），可以得到復(fù)合材料中石墨片層的平均面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)。再結(jié)合石墨的體積分?jǐn)?shù)以及金剛石基體的導(dǎo)熱系數(shù)，利用混合律即可算出復(fù)合材料的綜合導(dǎo)熱系數(shù)。這些分析表征和理論計(jì)算結(jié)果為揭示本專利技術(shù)復(fù)合材料的高導(dǎo)熱性能的微觀機(jī)制提供了重要依據(jù)。
24、本專利技術(shù)的有益效果：
25、1.本專利技術(shù)采用振動(dòng)壓制工藝制備多孔石墨預(yù)制體，顯著提高了石墨片層的取向度，使復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)提升至570-625w/（m?k），且性能穩(wěn)定，離散度控制在±5%以內(nèi)。
26、2.本專利技術(shù)在金剛石基體與石墨片層之間形成了納米級(jí)非晶過渡層，有效改善了界面結(jié)合，降低了界面熱阻，提高了復(fù)合材料的綜合導(dǎo)熱性能。
27、3.本專利技術(shù)的制備工藝簡(jiǎn)單，無需昂貴設(shè)備，也無需復(fù)雜的模具，具有較低的生產(chǎn)成本和較好的工業(yè)化應(yīng)用前景。
本文檔來自技高網(wǎng)...【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種金剛石-石墨烯復(fù)合材料，其特征在于：所述復(fù)合材料包括金剛石基體和分散在所述金剛石基體中的鱗片石墨，其中：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于：所述鱗片石墨的直徑為300μm，厚度為15μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于：所述鱗片石墨的碳含量≥99.5%，結(jié)晶度為92.8%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于：所述金剛石基體由粒徑20μm的金剛石微粉構(gòu)成，所述金剛石微粉的金剛石含量≥99.9%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于：所述復(fù)合材料的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)的值為581W/（m·K）。
6.如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：
【技術(shù)特征摘要】
1.一種金剛石-石墨烯復(fù)合材料，其特征在于：所述復(fù)合材料包括金剛石基體和分散在所述金剛石基體中的鱗片石墨，其中：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于：所述鱗片石墨的直徑為300μm，厚度為15μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于：所述鱗片石墨的碳含量≥99.5%，結(jié)晶度為92.8%。
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陸治剛，林立莎，蘭傳清，劉新杰，李衛(wèi)民，張立英，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：青島德鎧重工有限公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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