多维、多尺度石墨(CNTs)/铝复合材料的可控制备与热特性研究

The rapid development of the electronic industry puts forward higher requirements on thermal properties of the thermal management materials. Graphite/aluminum composites are promising thermal management materials with high thermal properties. However, the properties of these materials are highly anisotropic, with much lower properties in the through-thickness direction than in the in-plane directions, which strongly limits the applications of them in thermal management. In order to solve this problem, we propose a new kind of metal matrix composites in this research proposal. Carbon nanotubes (CNTs) with controllable dimension, morphology, distribution and quantity are grown on graphite with high thermal properties in the in-plane directions by a chemical vapor deposition (CVD) process to form hybrid reinforcements with high thermal properties in three dimensions. Then these hybrid reinforcements are mixed with aluminum to fabricate multi-dimensional and multi-scale graphite(CNTs)/aluminum composites with different structure architecture design, controllable microstructure of reinforcements, as well as fine interfacial structure and high thermal properties. By characterizing the microstructures and thermal properties of the composites, analyzing the thermal conduct behavior of the composites and theoretical studies, we investigate the effect of graphite(CNTs) hybrid reinforcements and architecture design on thermal properties of the composites. In this research proposal, a new technological prototype of graphite(CNTs)/aluminum composites with different architecture design will be established to illustrate the thermal conduct behavior and mechanism of the composites, which provides theoretical basis and practical approach for design and fabrication of new types of high performance aluminum matrix composites for thermal management applications.

高速发展的电子工业对热管理材料的热学性能提出了越来越高的要求。石墨/铝复合材料是一种热学性能优异、极具竞争力和应用前景的热管理材料。但该种材料具有严重的各向异性（厚度方向性能远低于面内方向），使其在热管理领域的应用受到了很大的限制。本项目拟通过在具有二维优异性能的微米石墨上原位生长尺寸、形态、分布和数量可控的碳纳米管（Carbon Nanotubes，简称CNTs），形成具有三维优异性能的复合增强体，并将其与铝复合；设计不同的复合构型，制备出增强体分布和取向可控、界面结合良好、热学性能优异的多维、多尺度石墨(CNTs)/铝复合材料；通过对其微观结构和性能的表征、热传导行为的研究和理论模拟，掌握石墨(CNTs)复合增强体及构型对热特性的影响规律，建立不同构型下石墨(CNTs)/铝复合材料制备的技术原型，揭示它们的热传导行为与机制，为新型热管理用铝基复合材料的设计和制备提供理论依据和实用途径。

高速发展的电子工业对热管理材料的热学性能提出了越来越高的要求。石墨/铝复合材料是一种热学性能优异、极具竞争力和应用前景的热管理材料。但该种材料具有严重的各向异性（厚度方向性能远低于面内方向），使其在热管理领域的应用受到了很大的限制。本项目 (1) 通过在具有二维优异性能的微米石墨片上原位生长碳纳米管（Carbon Nanotubes，简称CNTs),并与铝进行复合，制备得到新型铝基复合材料，然而由于CNT容易相互缠结，热导率与力学性能的试验结果并未达到预期的提升效果，（2）因而改为原位生长石墨烯纳米片（Graphene nanoplatelets，简称GNPs），形成具有三维优异性能的复合增强体，并将其与铝复合；制备出增强体分布和取向可控、界面结合良好、热学性能优异的多维、多尺度石墨(GNPs)/铝复合材料；试验结果表明：通过在石墨片表面引入GNPs，厚向热导率和机械强度得到共同提高。当GNP含量增加到3.3vol%时，由于厚向导热通道的建立，55 vol%石墨片/Al的厚向热导率可从32 W/mK提高到60 W/mK。同时，由于GNP对界面区域的强化作用，复合材料的抗弯强度可从35 MPa提高到80 MPa。这为新型热管理用铝基复合材料的设计和制备提供了新的设计思路。（3） 探究了石墨膜表面 W 涂层和 Cu 涂层对复合材料界面结合、界面热导和导热性能的影响规律。结果表明：石墨膜表面溶胶-凝胶 W 涂层呈现非连续“龟裂”形貌，复合材料的界面处易形成裂纹，对复合材料导热性能不利。物理气相沉积的 Cu涂层均匀、完整且致密，与石墨膜界面结合良好。Cu 涂层石墨膜本身可作为柔性热管理材料。在 400 °C/30 min/45 MPa 真空热压烧结的石墨膜/Cu/Al 复合材料具有良好的界面组织和较高的界面热导。Cu 涂层能将石墨膜体积含量为 17.4-53.2%的石墨膜/Al 复合材料的界面热导提升 20 倍以上，面内热导率提升 3-4.5%，厚度方向热导率提升 14-25%。