高導(dǎo)熱、低膨脹石墨-鋁復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、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(yīng)力的增大將嚴(yán)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(yīng)用的瓶頸。為了有效地散熱，這就要求熱管理材料應(yīng)具有盡可能高的熱導(dǎo)率，同時(shí)應(yīng)具有與半導(dǎo)體材料相匹配的熱膨脹系數(shù)(CTE)，以避免因CTE差異引起的熱應(yīng)力導(dǎo)致器件失效。傳統(tǒng)的熱管理材料由于熱導(dǎo)率不足以及不能同時(shí)滿足上述性能要求，

2、已經(jīng)不能滿足高功率器件的散熱要求。
　　鋁基復(fù)合材料以其較高的熱導(dǎo)率和可設(shè)計(jì)的CTE，以及較低的密度、優(yōu)良的可加工性，為設(shè)計(jì)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(shí)實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)熱與低膨脹，而且還需兼顧可加工性、力學(xué)性能、低密度和低成本的要求。
　　本論文以提高鋁基復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能和調(diào)控CTE為重點(diǎn)，通過優(yōu)化材料的復(fù)合構(gòu)型以及調(diào)控界面結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的高導(dǎo)熱與低膨脹性能，同時(shí)兼顧可加工性與力學(xué)性能等方面的

3、要求，最終獲得高導(dǎo)熱、低膨脹石墨-鋁復(fù)合材料。
　　論文首先在理論上分析實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料高導(dǎo)熱性能的必要條件，基于有效介質(zhì)理論推導(dǎo)預(yù)測復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的理論模型，建立復(fù)合材料導(dǎo)熱性能與顯微結(jié)構(gòu)要素(包括復(fù)合構(gòu)型和界面結(jié)構(gòu))之間的定量關(guān)系，從而為石墨-鋁復(fù)合材料的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。然后，對石墨-鋁復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，制備了具有面內(nèi)隨機(jī)分布的短切纖維、定向石墨片陣列以及互穿結(jié)構(gòu)等不同復(fù)合構(gòu)型的復(fù)合材料，并與常規(guī)的彌散分布的石墨

4、顆粒-鋁復(fù)合材料進(jìn)行對比。通過比較不同復(fù)合構(gòu)型的熱增強(qiáng)能力，確定最優(yōu)的復(fù)合構(gòu)型；與此同時(shí)，通過抑制有害界面反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了低熱阻的界面結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的高導(dǎo)熱性能。在此基礎(chǔ)上，對石墨填料、基體材料和界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高石墨-鋁復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。最后，對復(fù)合材料的熱膨脹性能和力學(xué)性能展開研究。最終獲得了高導(dǎo)熱、低膨脹的石墨-鋁復(fù)合材料。
　　不同復(fù)合構(gòu)型的熱增強(qiáng)能力研究表明，定向石墨片陣列結(jié)構(gòu)具有最高的熱增強(qiáng)能力。本文基于

5、有效介質(zhì)理論推導(dǎo)了相應(yīng)的預(yù)測復(fù)合材料熱導(dǎo)率的理論模型，實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測值一致，證明了預(yù)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(jié)構(gòu)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明復(fù)合材料的熱導(dǎo)率隨石墨片直徑的增加而增加，但當(dāng)直徑增加到一定程度時(shí)復(fù)合材料熱導(dǎo)率的增加趨于平緩；復(fù)合材料的熱導(dǎo)率隨石墨片縱橫比倒數(shù)的增加而增加。定向石墨片陣列在不同基體中的熱增強(qiáng)行為存在明顯的差異，本文推導(dǎo)的理論模型很好地解釋了該現(xiàn)象。這主要?dú)w因于有效相襯(定義為填

6、料的有效熱導(dǎo)率與基體的熱導(dǎo)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(qiáng)行為從線性逐漸過渡到非線性。
　　界面的表征結(jié)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(cè)面，界面層為反應(yīng)性Al-Si-O-C非晶層，厚度約40-50nm。在石墨片端面的界面層內(nèi)未發(fā)現(xiàn)反應(yīng)產(chǎn)物，快速傅里葉變換的結(jié)果表明該界面層為非晶碳層，其厚度約5-8nm。復(fù)合材料熱導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)值與零厚度界面對應(yīng)的理論熱導(dǎo)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(dǎo)產(chǎn)生明顯的不良影響。通過逆運(yùn)算求解得到含非晶界面層的界面熱導(dǎo)率為1.3×107W/m2 K，這與零厚度界面對應(yīng)的界面熱導(dǎo)率(4.5×107W/m2 K)在一個數(shù)量級。研究還發(fā)現(xiàn)熱處理能顯著降低復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，這主要?dú)w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(yīng)產(chǎn)物降低了界面熱導(dǎo)率。在石墨片與鋁基體之間構(gòu)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(shí)現(xiàn)更高

8、的界面熱導(dǎo)率。理論計(jì)算表明：高導(dǎo)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(fù)合材料的熱膨脹行為研究表明，隨著石墨片的體積分?jǐn)?shù)從13.7％增加到71.1%，復(fù)合材料 xy方向上的熱膨脹系數(shù)從11.4ppm/K降低到7.7ppm/K，這與Kerner模型的預(yù)測結(jié)果一致。但在z方向上復(fù)合材料存在反常熱膨脹行為：z方向上的熱膨脹系數(shù)反而比xy方向上的熱膨脹系數(shù)更低，且隨著石墨片體積分?jǐn)?shù)的增加而