碳纳米管高导热碳铝复合材料制备性能研究

碳纳米管高导热碳铝复合材料制备性能研究

赵政   张劲松

宝武碳业科技股份有限公司

1，相关技术与产品的现状

传统的铝合金材料，尽管在导热性能上有一定的优势，但仍无法满足现代电子器件对散热性能的高要求。因此，研究开发一种高性能、高导热的新型铝合金已成为科学研究和工业生产的关注热点。碳材料强度、弹性模量高，比表面积大，同时具有高导热性、高电子迁移率，优异的机械柔韧性以及独特的几何结构，已被广泛用于陶瓷、聚合物或金属基体中，用来制备新型复合材料。近年来，国内外学者逐渐掀起了对碳纳米材料的合成、性能及应用的研究热潮，新型碳结构被相继发现并合成。碳纳米管/铝基复合材料：这类复合材料利用碳纳米管的高强度、高模量和高热导率，提高了复合材料的力学性能和导热性能。制备工艺主要有原位合成法、冷等静压+热挤压、化学气相沉积等。性能方面，碳纳米管/铝基复合材料的导热系数可达246.6W/(m·K)，比纯铝的导热系数提高了51%。

在金属基复合材料中构建高质量的三维互连导热网络，为高导热CNT/Al复合材料的设计和制备打开了新的思路。CNT/Al复合材料的界面调控一直是长期存在的问题，但由于其比表面积大等问题，针对于碳纳米管和铝的界面研究相对较少。

2，CNT/Al复合材料目前存在的问题

目前的研究表明，直接添加CNT制备的铝基复合材料的热导率远远低于预期值。大量研究表明，直接添加CNT制备的铝基复合材料的导热性能并不十分理想的原因在于：(1)CNT极易发生团聚，在铝基体中难以均匀分散；(2)CNT的热传导具有明显的各向异性，轴向热导率很高，径向热导率很低；(3)CNT与铝基体界面结合困难，界面热阻显著降低了复合材料的热导率；(4) CNT和铝界面反应易生成脆性化合物产物Al4C3，铝碳界面恶化，阻碍力学性能的提升。

3，实施的具体内容和方法

采用放电等离子烧结和激光重熔工艺相结合的方法，制备碳纳米管连通金刚石的铝基复合材料，旨在构建纳米尺度的碳纳米管/金刚石/铝基体的双连续导热网络，以碳纳米管作为链接金刚石网络的通道，实现提升复合材料导热性能的最终目标。具体技术路线图1如下：

图1 技术路线图

理论方面：由于碳材料和铝界面结合较弱，采用第一性原理计算和原子格林函数方法(AGF)研究金刚石/铝及其掺杂界面的纳米级热输运，首先确定能够提升结合度和增强界面热导的具体合金元素有哪些，为异质界面的热输运机理提供理论基础。

实验方面：采用湿法球磨工艺制备碳纳米管/铝的复合粉末。如图2所示，将碳纳米管粗管粉体浆料与试剂一起分散，然后将平均粒径40 的球形铝粉加入混合，进行短时间球磨，以保持球形形貌。最后，经干燥和筛分后得到复合粉末。

图2 湿法球磨工艺的示意图

4，研究结论

以此为研究思路，为了解决碳材料在铝基体中易团聚、分散不均匀、样品热传导具有明显的各向异性等问题。采用类似的制备工艺，在铝基体中添加一定质量分数的金刚石，作为碳纳米管的骨架。采用等离子烧结（SPS）结合激光重熔（LR）技术，将金刚石、碳纳米管和铝粉首先混粉，混合粉末进行SPS烧结，然后将材料样品进行激光表面重熔，以快速凝固的方法实现纳米尺度碳纳米管/金刚石/铝基连续网格，确保材料的整体导热性能前提下，大大降低了材料成本。攻克现有导热材料的技术壁垒，包括高性能导热材料的制备难度、成本控制、以及与现有制造工艺的兼容性等，为我国在高导热材料领域的自主创新和产业升级提供有力支撑。基于在铝基体中构建三维互连的碳纳米管网络，结合第一性原理计算界面热导，选择合适的掺杂元素进行界面调控，在宏观和微观层面同时提高碳纳米管/铝基复合材料的综合性能。