发明内容

本发明针对现有的制备工艺和石墨烯铝基复合结构的缺陷，提出一种不降低金属铝本身的力学性能、电气性能，且增强导热性能，综合性能更优越的石墨烯增强导热铝基复合材料，及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供一种石墨烯增强导热铝基复合材料，包括金属铝层和石墨烯金属铝复合结构层，所述石墨烯金属铝复合结构层是片状石墨烯间渗流金属铝层构成。

进一步地，所述片状石墨烯的层数为1～8层，所述片状石墨烯的厚度为0.336nm～2.7nm。

片状石墨烯，具有优异的力学、电学、热学和光学等性能，将其均匀分布嵌入到铝基体中，可显著提高铝基体的电学、力学及热学等性能。

所述的CMC，中文名称羧甲基纤维素钠，在本技术方案制备石墨烯浆料过程起到粘合剂作用。

所述的去离子水，是去除钙、镁两种元素的离子，在本技术方案中，避免钙、镁离子在高温时与铝元素、碳元素反应或生成杂质相，避免发生界面反应，所用的去离子水电阻值为≥18兆欧。

本发明还提供一种石墨烯增强导热铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S01：按比例称取片状石墨烯、CMC和去离子水置于釜内，在100rpm转速下搅拌2小时，得到混合物；

S02：将步骤S01中所得混合物采用砂磨机砂磨，将团聚的片状石墨烯、CMC分散于去离子水中，得到石墨烯浆料；

S03：将步骤S02得到的石墨烯浆料涂布于铝质板型材的一表面，置真空干燥箱内，真空干燥，真空干燥的真空度≤500pa，真空干燥的温度为60℃，得到石墨烯浆料涂布铝质板型材；

S04：将步骤S03得到的石墨烯浆料涂布铝质板型材装入夹紧工装模中，装入真空烧结炉的炉腔内，密封关闭；

S05：步骤S04完成后，对真空烧结炉的炉腔内抽真空至≤100pa；

S06：真空烧结炉的炉腔升温至661℃，在661℃下保持4h，使夹紧模内的石墨烯浆料涂布铝质板型材温度达到内外一致；

S07：关闭真空烧结炉的炉腔加热热源，真空烧结炉的炉腔自然降温至32℃，石墨烯浆料涂布铝质板型材中的熔融金属铝冷却凝固，形成石墨烯增强导热铝基复合材料；关闭真空烧结炉的炉腔加热热源后，真空烧结炉的炉腔温度缓慢下降，真空度继续保持≤100pa，随着真空烧结炉的炉腔的温度下降，熔融状态的液态金属铝温度缓慢下降，逐渐由液态过渡固态，随着温度继续下降，液态金属铝完全固态，液态金属铝完全固态之后，片状石墨烯被完全固态金属铝固定形成石墨烯铝基复合结构，即得石墨烯增强导热铝基复合材料；

S08：将真空烧结炉的炉腔内真空缓慢泄压；

S09：真空烧结炉的炉腔内负压泄压之后，将夹紧工装模从真空烧结炉的炉腔内取出，然后从夹紧工装模中取出石墨烯增强导热铝基复合材料。

进一步地，所述步骤S01中片状石墨烯和CMC的总量与去离子水的质量比为1:1，所述片状石墨烯占片状石墨烯和CMC总质量的60～80％，CMC占片状石墨烯和CMC总质量的20～80％。

进一步地，所述步骤S03中铝质板型材的厚度为20μm～900μm，所述石墨烯浆料涂层经真空干燥后的厚度为5μm～25μm，所述真空干燥的真空度≤500pa，真空干燥的温度为60℃。

真空干燥使铝质板型材涂布的石墨烯浆料中的水分干燥；干燥过程控制温度60℃，在较低的温度下避免石墨烯浆料中的CMC成分随温度上升过高粘度下降，避免影响石墨烯与铝质板型材的附着力，通过抽真空降低压强，使石墨烯浆料中的水分能在60℃蒸发，达到干燥目的，干燥的石墨烯浆料形成片状石墨烯堆叠多层结构。

进一步地，所述步骤S04中夹紧工装模包括夹紧框、垫块和压块；所述夹紧框上设有贯通的夹紧框矩形孔，所述垫块包括四条垫块立面、垫块上平面和垫块下平面，所述压块包括四条压块立面、压块上平面和压块下平面，所述垫块和压块与夹紧框矩形孔按照过盈公差配合装配。

所述的夹紧框、垫块和压块，采用0Cr25Ni20耐热不锈钢制造；0Cr25Ni20双相不锈钢，常用于耐高温炉管制造，具有很好的抗氧化性、耐腐蚀性，因为较高百分比的铬和镍，具有较好的蠕变强度，在高温下能持续作业，具有良好的耐高温性；最高工作温度1200℃，连续使用温度1150℃。

进一步地，所述步骤S04中石墨烯浆料涂布铝质板型材装入夹紧工装模的步骤如下：

(1)将石墨烯浆料涂布铝质板型材放置于垫块上平面，位于垫块立面内；

(2)夹紧框矩形孔与垫块立面边界相切，垫块楔入夹紧框矩形孔；

(3)将压块楔入夹紧框矩形孔，垫块上平面与压块下平面对石墨烯浆料涂布铝质板型材保持面对面相向夹紧。

进一步地，所述步骤S05中抽真空至真空度≤100pa，保持6h；使石墨烯浆料涂布铝质板型材所吸附的气分子除尽。

进一步地，所述步骤S06中真空烧结炉的炉腔真空度保持≤100pa，所述真空烧结炉的炉腔的升温速率为5℃/min。

真空烧结炉的炉腔升温至235～248℃时石墨烯浆料中的CMC组分炭化，炭化的CMC组分具有导电性和较好的导热性；真空烧结炉的炉腔升温至661℃时石墨烯浆料涂布铝质板型材铝材质处于熔融状态，真空烧结炉的炉腔内真空度保持≤100pa，真空烧结炉的炉腔腔内氧分子达到稀薄水平，石墨烯浆料中各相物质及金属铝无氧化反应。

在真空烧结炉的炉腔内真空度保持≤100pa，真空烧结炉的炉腔升温至661℃时，石墨烯浆料涂布铝质板型材铝材质处于熔融状态，熔融状态的液态金属铝，形成空隙使自由体积略有增加，体积增加2.5％～5％，固体铝中的远距有序排列在熔融状态下会消失，液态金属铝成为近距有序排列，自由体积略有增加热膨胀效应，对片状石墨烯堆叠多层结构层间的形成间隙渗流。

需要说明的是，虽然石墨烯浆料涂布铝质板型材处于夹紧框、垫块、压块夹紧石墨烯浆料涂布铝质板型材状态，但是，片状石墨烯的强度和弹性模量分别是125GPa和1100GPa，片状石墨烯形状并非绝对平面，夹紧框、垫块、压块夹紧力不足以使片状石墨烯屈服形变，片状石墨烯堆叠多层结构层间间隙仍然存在，渗流金属铝渗流至堆叠多层结构的片状石墨烯层与层之间的间隙，片状石墨烯被熔融状态的液态金属铝包围，同时存在由于石墨烯质量＜液态金属铝，以及石墨烯的比表面积大，不易形成沉降效应，故，片状石墨烯悬浮在金属铝上方表面。

进一步地，所述步骤S09中从夹紧工装模中取出石墨烯增强导热铝基复合材料的步骤如下：将夹紧框固定，采用液压推杆推压块，使压块、垫块和夹紧的石墨烯增强导热铝基复合材料从夹紧框矩形孔中脱出；卸去压块，收取石墨烯增强导热铝基复合材料。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

(1)本发明提供的一种石墨烯增强导热铝基复合材料的金属铝层保留了铝金属所特有的抗氧化、耐腐蚀、导电性和导热性；石墨烯金属铝复合结构层，片状石墨烯的碳原子以sp²键紧密排列成的二维蜂窝状晶格结构二维几何形状与铝基体材料的强耦合，使得片状石墨烯可以沿面内热传导，从而提高石墨烯金属铝复合结构层热导率，特别是片状石墨烯被金属铝包围固化，有效地增强了散热和热阻的降低，起到了石墨烯增强导热的效果。

(2)本发明提供的石墨烯增强导热铝基复合材料用于导电器件时，由于石墨烯金属铝复合结构层热导率高于金属铝层，当电流通过石墨烯增强导热铝基复合材料，依照焦耳定律：

Q＝I²Rt；

式中：

Q——热量，单位是焦耳(J)，

I——电流，单位是安培(A)，

R——电阻，单位是(Ω)，

t——时间，单位是秒(s)。

由于金属铝层，石墨烯金属铝复合结构层，它们各自的电阻不同，石墨烯金属铝复合结构层的电阻，相对金属铝层电阻更小，同一时间产热存在差异，金属铝层产热大，石墨烯金属铝复合结构层产热小，石墨烯增强导热铝基复合材料作为导体通电状态下，金属铝层、石墨烯金属铝复合结构层存在温差，石墨烯金属铝复合结构层温度低于金属铝层的温度，温度较低的石墨烯金属铝复合结构层起到了散热层的功能，其次，石墨烯的高导电率，石墨烯金属铝复合结构层起到了增强了电流过载能力，石墨烯的热导率可达5300W/(m·K)，石墨烯金属铝复合结构层的强化散热作用，使石墨烯增强导热铝基复合材料在电流通过时温升较小，同时起到增大过载能力的作用。

(3)本发明提供的石墨烯增强导热铝基复合材料用于散热器件具有显著优势，石墨烯增强导热铝基复合材料是由金属铝层，石墨烯金属铝复合结构层组成复合层状结构，其中，石墨烯金属铝复合结构层导热性能显著优于金属铝层，在石墨烯增强导热铝基复合材料整体结构中，石墨烯金属铝复合结构层起到类似散热功能器件肋化效果，当石墨烯增强导热铝基复合材料的金属铝层与产热电子器件紧密接触，导热良好结构中，石墨烯金属铝复合结构层起到肋化功能，石墨烯金属铝复合结构层在空气侧或液体侧具有较大的热流密度，可用于紧凑型空间的散热，特别是手机、笔记本电脑以及一些其它移动通信设备。

(4)本发明石墨烯增强导热铝基复合材料的制备方法克服了现有制备方法石墨烯与铝基材料球磨混合温度较高时，易发生界面反应生成A1₄C₃、A1₄C₃破坏石墨烯基复合材料的力学、电学、热学性能的技术问题。