【摘 要】
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随着电子器件向小型化、轻量化和高性能方向的快速发展,不断增加的功率密度及产生的热量已成为制约电子设备可靠性和效率的关键问题,一些传统的电子封装材料如Invar、Kovar、SiC/Al和Si/Al等,其导热性能已不能满足大功率电子器件的要求。为了有效及时地散失热量,迫切需要发展高导热（TC）和低热膨胀系数（CTE）的电子封装材料。近年来,石墨/Al复合材料因其高导热、易加工、轻质化等优点,已经成为
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随着电子器件向小型化、轻量化和高性能方向的快速发展,不断增加的功率密度及产生的热量已成为制约电子设备可靠性和效率的关键问题,一些传统的电子封装材料如Invar、Kovar、SiC/Al和Si/Al等,其导热性能已不能满足大功率电子器件的要求。为了有效及时地散失热量,迫切需要发展高导热（TC）和低热膨胀系数（CTE）的电子封装材料。近年来,石墨/Al复合材料因其高导热、易加工、轻质化等优点,已经成为新型电子封装材料研究的热点。本论文采用高导热石墨膜为增强体制备了石墨增强铝基复合材料（石墨/Al）,并在归纳总结石墨/Al复合材料导热机理和影响因素的基础上,开展了对其制备工艺、界面设计、复合构型调控的研究,建立了复合材料制备工艺、空间构型和复合材料导热与力学性能之间的联系,研究主要结论如下:为了改善石墨/Al复合材料基体与增强体之间的界面结合与热传递性能,本研究基于声子失配模型计算了不同碳化物改性层的石墨/Al复合材料界面换热系数,以此为理论依据选择具有代表性的碳化物TiC与SiC作为石墨/Al复合材料基体与增强体之间的改性层,通过反应溅射的手段成功在石墨表面分别制备了平均厚度183 nm的TiC改性层及167 nm的SiC改性层。以层状石墨/Al复合材料为研究对象,讨论了不同改性层对石墨/Al复合材料材料导热性能和力学性能的影响。研究发现,两种改性层均能够在改善界面结合,同时还可以提升复合材料的导热与力学性能,当石墨体分为28.7%时,SiC及TiC改性石墨所增强复合材料的平面热导率可以达到499 W/m·K和486 W/m·K,与无镀层石墨相比分别提高了 10.4%和7.5%,界面换热系数分别提高了 9.8倍和3.4倍,抗拉强度也得到了相应提升,分别达到39 MPa和44 MPa。对比两种碳化物改性石墨/Al复合材料导热与力学性能可知,SiC改性效果较好,更适合作为石墨/Al复合材料界面的改性材料。本研究还通过轧制工艺使层状复合材料转变为非连续结构,使其在牺牲部分热导率的同时提升力学性能,考察了不同轧制工艺对复合构型的影响。经本研究发现,材料的初始厚度及单次变形量越大,越容易产生石墨分布不均的现象;随着单次变形量减小,轧制道次增加,所制备复合材料中的石墨也更趋向于平行排布。基于有效介质模型分别计算了增强体尺寸分布、空间分布角度等石墨有效热导率和复合材料热导率的影响,相同平均尺寸下,石墨尺寸分布越大,小尺寸石墨占比越高,石墨的空间排布越偏离平面,复合材料的热导率也越低。结合导热模型对轧制后的材料性能进行了分析,通过控制轧件厚度、在石墨表面预制孔隙等改进工艺,改善了增强体的尺寸分布及空间排布,有效提高了复合材料热导率,在19.8%的体分下,平面热导率可以达到377 W/m·K,抗拉强度则达到95 MPa。经过连续构型与非连续构型石墨/Al复合材料的对比研究可知,连续构型石墨/Al复合材料沿增强体排布方向的热导率较高,垂直于增强体排布方向的热导率和力学性能均较低。非连续构型石墨/Al复合材料通过轧制一定程度提升了力学性能,但降低了热导率。为了获得热导率与力学性能均较高的石墨/Al复合材料,本研究通过在石墨层表面预穿孔,制备了互穿结构石墨/Al复合材料高导热高强度复合材料。比较了不同孔型参数对材料性能的影响,发现穿透率越小、孔径越大,复合材料的热导性能越高、力学性能则越低。在孔直径0.1mm、穿透率13.4%、石墨体分19.8%时,复合材料的平面热导率为362 W/m·K,抗拉强度可以达到122 MPa。互穿结构石墨/Al复合材料可以在低石墨体分下保持较高的热导率,同时具有远高于同类材料的力学性能。本论文通过不同的工艺制备出了增强体构型各异的石墨/Al复合材料,对比了几种不同构型下复合材料材料的性能特点,总结了石墨/Al复合材料增强体构型对导热与力学性能的影响规律,归纳了石墨/Al复合材料增强体空间构型的设计思路,为石墨/Al复合材料制备和性能设计提供了理论上的依据。
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