一种铝基导热导电金属复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及铝基复合材料，具体是一种铝基导热导电金属复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、随着5g技术的普及和电子产品的发展，3c产品呈现出向高集成度和多功能集成的趋势。高性能处理器的应用导致设备发热量急剧增加，若不能及时将热量导出，可能会引发产品性能下降甚至寿命缩短。

2、传统的3c电子产品采用纯铝、纯铜或其合金作为结构散热件，虽然具有较好的导热、导电能力，但在机械强度、耐腐蚀性等方面难以满足新一代电子器件的需求，行业内也逐步研发出铝铜复合材料作为散热材料，但铝、铜之间电负性、热膨胀系数等差异较大，相互之间固溶度低，在制备复合材料的过程中，易在界面结合处形成脆性金属间化合物，削弱导电性和力学性能。

3、因此，本发明提出一种铝基导热导电金属复合材料及其制备方法，通过制备铝基体和无氧紫铜复合的层状材料，以及在层状材料表面设置防腐蚀涂层，来提高复合材料的热导率、电导率和耐蚀性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种铝基导热导电金属复合材料及其制备方法，以解决现有技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种铝基导热导电金属复合材料的制备方法，包括以下步骤：

3、步骤1：取紫铜板进行粗糙化和酸洗处理，然后烘干，得到预处理紫铜板；

4、步骤2：取铝锭进行熔炼，降温至700~720℃，在氮气气氛保护下进行除气、除渣，保持温度为650~660℃，得到铝液，对铝液进行超声振动处理，形成半固态铝浆；

5、步骤3：将预处理紫铜板置于模具中，加热至360~400℃，在预处理紫铜板表面浇铸半固态铝浆，压铸成型，再进行轧制，得到复合铝铜基体；

6、步骤4：采用静电喷涂，将粉末涂料喷涂在复合铝铜基体表面，加热固化，形成耐腐蚀涂层，得到铝基导热导电金属复合材料。

7、进一步的，步骤1中，粗糙化后的紫铜板表面粗糙度ra10~20。

8、进一步的，步骤1中，酸洗处理采用的酸洗液包括以下组分：以质量百分比计，1~3%硝酸、1~2%柠檬酸、0.3~0.5%植酸，其余量为去离子水。

9、进一步的，步骤2中，铝锭的熔炼温度为730~760℃。

10、进一步的，步骤2中，超声振动处理的工艺条件为：超声频率25~35khz，振动功率1000~1200w，时间70~90s。

11、进一步的，步骤3中，压铸成型的工艺条件为：压力40~50mpa，速度900~1000mm/min，时间25~35s。

12、进一步的，步骤3中，轧制工艺分两次进行，分别为：

13、（1）采用直径为200mm轧辊对压铸成型的产品进行轧制，压下率为50%，轧制速率0.1~0.2m/s；

14、（2）将第一次轧制后的产品以厚度方向为轴线旋转90°，进行轧制，压下率为50%，轧制速率0.1~0.2m/s。

15、进一步的，两次轧制工艺之间还有退火工艺，退火的工艺条件为：温度390~400℃，时间15~25min。

16、进一步的，步骤4中，所述复合铝铜基体包括紫铜板和铝层；

17、所述紫铜板厚度为5~10mm；

18、所述铝层厚度为15~25mm。

19、进一步的，步骤4中，静电喷涂的工艺条件为：喷涂电压50~60kv，供粉压力0.03~0.05mpa，喷粉量80~100g/min。

20、进一步的，步骤4中，加热固化的工艺条件为：温度195~205℃，时间18~22min；

21、步骤4中，耐腐蚀涂层的厚度为80~120μm。

22、在上述技术方案中，在经过粗糙化的紫铜板表面浇铸半固态铝浆，并进行压铸、轧制、退火处理，得到复合铝铜基体，压铸时利用半固态铝浆的流动性，保持界面平整，改善铜和铝的界面结合性能；若直接采用温度＞700℃的液态铝浇铸在紫铜板上，会在界面结合处形成脆性层，导致复合板开裂，本发明中的半固态铝浆相比于铝液性质更稳定，能够降低缺陷的形成概率；尽管如此，由于铜、铝的热膨胀系数不同，在长期使用过程中，界面结合处会缓慢分开，空气进入间隙，导致复合板性能下降，因此，对压铸后的产品在不同方向上进行二道轧制处理，通过不同方向的轧制可以削弱同一方向轧制后的边部弱结合的缺陷，使界面结合处产生两个方向的应变，有利于在界面结合处形成十字网状的结合形貌，进一步提升结合强度。

23、进一步的，步骤4中，所述粉末涂料包括以下质量组分：30~40份超支化聚酯、30~40份环氧树脂、0.5~2.5份交联促进剂。

24、进一步的，所述超支化聚酯由端羧基超支化聚酯与环氧化石墨烯反应得到；

25、所述交联促进剂为2-甲基咪唑、苄基三乙基氯化铵中的一种或两种混合。

26、进一步的，所述超支化聚酯由以下工艺制得：

27、s1：将石墨烯、乙醇水溶液混合，搅拌均匀，水浴搅拌加热反应，再加入大分子硅烷偶联剂，超声搅拌反应，反应结束后烘干，得到环氧化石墨烯；

28、s2：在2,2,4,4-四甲基-1,3-环丁二醇中加入1/2质量组分的柠檬酸和对甲苯磺酸混合，在氮气气氛保护下加热反应，反应结束后加入剩余柠檬酸和对甲苯磺酸，加热反应，得到端羧基超支化聚酯；

29、s3：将环氧化石墨烯与丙酮混合，搅拌分散，再加入端羧基超支化聚酯和对甲苯磺酸，加热搅拌反应，得到超支化聚酯。

30、进一步的，s1中，石墨烯、乙醇水溶液、大分子硅烷偶联剂的质量比为1：（40~60）：（0.1~0.3）；

31、所述乙醇水溶液浓度为50%。

32、进一步的，s1中，水浴搅拌加热反应的工艺条件为：温度35~45℃，时间20~30min，搅拌转速4000~5000r/min；

33、超声搅拌反应的工艺条件为：温度35~45℃，时间30~40min，频率25~35khz。

34、进一步的，s2中，2,2,4,4-四甲基-1,3-环丁二醇、柠檬酸、对甲苯磺酸的质量比为（2~4）：（8~10）：（0.02~0.03）。

35、进一步的，s2中，加热反应的工艺条件为：温度130~140℃，时间3~4h。

36、进一步的，s3中，环氧化石墨烯、丙酮、端羧基超支化聚酯和对甲苯磺酸的质量比为（0.3~0.6）：（100~200）：10：（0.01~0.03）。

37、进一步的，s3中，加热搅拌反应的工艺条件为：温度95~105℃，时间35~45min，转速100~200r/min。

38、进一步的，s1中，所述大分子硅烷偶联剂由以下工艺制得：

39、将偶氮二异丁腈、无水丁酮、甲基丙烯酸缩水甘油酯混合，在氮气气氛保护下，加热反应，然后加入衣康酸二甲酯和衣康酸二丁酯，保温反应，最后加入3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷，保温反应，旋蒸，得到大分子硅烷偶联剂。

40、进一步的，偶氮二异丁腈、无水丁酮、甲基丙烯酸缩水甘油酯、衣康酸二甲酯、衣康酸二丁酯和3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷的质量比为1：（25~35）：（4~6）：（13~15）：（14~16）：（0.4~0.5）。

41、进一步的，加热反应的工艺条件为：温度65~75℃，时间1.8~2.2h；

42、保温反应的工艺条件为：温度65~75℃，时间2.8~3.2h。

43、进一步的，旋蒸的工艺条件为：温度45~55℃，时间20~30min，真空度-0.09mpa。

44、在上述技术方案中，在偶氮二异丁腈的作用下，以甲基丙烯酸缩水甘油酯为主链，衣康酸二甲酯为硬段，衣康酸二丁酯为软段，与3-(异丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷共聚，得到含有环氧基的大分子硅烷偶联剂，相比于小分子硅烷偶联剂，具有不易迁移、不易团聚的优点，且大分子偶联剂能与超支化聚酯间产生缠绕等相互作用，增强所制涂层的致密程度，从而提高防腐性能；

45、然后利用大分子偶联剂水解与石墨烯表面形成共价键，引入环氧基，得到环氧化石墨烯，同时以2,2,4,4-四甲基-1,3-环丁二醇和柠檬酸为原料，对甲苯磺酸为催化剂，进行酯化反应，逐步形成超支化结构，得到端羧基超支化聚酯，2,2,4,4-四甲基-1,3-环丁二醇含有刚性环丁烷和4个甲基，空间位阻较大，能显著提高超支化聚酯的热稳定性，且提高超支化聚酯的流动性，使得静电喷涂时形成更平整、致密的涂层，有利于提高涂层的综合性能；最后通过环氧化石墨烯的环氧基与端羧基超支化聚酯的羧基进行开环加成，将石墨烯接枝到端羧基超支化聚酯的分子链上，得到超支化聚酯，且保证端羧基超支化聚酯过量，使得产物中仍留有羧基，与环氧树脂和交联促进剂混合制成粉末涂料，在粉末涂料喷涂固化时，在交联促进剂作用下，促进环氧树脂与端羧基超支化聚酯中残留的羧基反应，形成致密的耐腐蚀涂层，进一步提升涂层的力学性能和耐腐蚀性能。

46、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

47、1、本发明中利用经过超声振动处理的半固态铝浆替代传统铝液浇铸在紫铜板上，避免铜、铝的界面结合处形成脆性金属间化合物，且半固态铝浆比铝液的性质更稳定，能够降低缺陷的形成概率，改善铜和铝的界面结合性能。

48、2、本发明中还对压制成型后的产品在两个方向上进行轧制，通过不同方向的轧制可以削弱同一方向轧制后的边部弱结合的缺陷，使界面结合处产生两个方向的应变，有利于在界面结合处形成十字网状的结合形貌，进一步提升铜、铝之间的结合强度。

49、3、本发明制备了大分子偶联剂，并对石墨烯进行改性，在石墨烯表面接枝环氧基团，得到环氧化石墨烯，本发明还制备了热稳定性好的端羧基超支化聚酯，使二者进行反应，得到超支化聚酯，将其与环氧树脂和交联促进剂，共混得到粉末涂料，并在制得的复合铝铜基体表面喷涂，加热固化，形成致密的耐腐蚀涂层，提升复合铝铜基体的耐蚀性。