一种石墨烯导热膜增强铜基三维导热复合材料及制备方法与流程

本发明涉及导热材料，尤其涉及一种石墨烯导热膜增强铜基三维导热复合材料及制备方法。

背景技术：

1、随着集成电路制程的进步，大功率电子芯片（如cpu、gpu、ai加速芯片等）的热流密度急剧攀升，局部热点问题日益严峻。传统纯铜散热器虽导热系数较高（约），但逐渐不能满足大功率电子芯片对高效导热的需求。

2、石墨烯导热膜具有极高的面内导热系数（可达以上），是理想的均热材料。然而，单张石墨烯膜的厚度极小，多层堆叠使用时，膜层之间的法向导热系数极低（通常仅为），形成显著的垂直热阻瓶颈，使得纯石墨烯膜叠层无法直接作为厚尺寸的散热块材使用。

3、现有技术中，已有将石墨烯与铜复合的尝试，例如通过球磨混合后粉末烧结、或电沉积共沉积等方法。然而，这些方法制备的复合材料中，石墨烯多为无序分散或平面随机取向，难以构建贯穿整个材料厚度的连续垂直导热通路。同时，石墨烯与铜基体之间的界面润湿性差，界面热阻高，复合材料的整体导热性能提升有限。更关键的是，现有技术均未解决如何在垂直方向引入连续、高占比的高导热增强相的问题。

技术实现思路

1、本发明为解决现存的技术问题而提供一种石墨烯导热膜增强铜基三维导热复合材料及制备方法，解决了传统多层石墨烯叠层因层间结合力弱、法向导热极差而无法作为厚尺寸块材使用的技术难题。

2、为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，更具体的说是一种石墨烯导热膜增强铜基三维导热复合材料，包括：

3、水平堆叠的多层石墨烯导热膜；

4、高导热碳纤维，沿垂直于所述石墨烯导热膜平面的方向贯穿全部膜层，形成垂直导热通道；

5、填充铜，致密填充于所述石墨烯导热膜的层间间隙、所述高导热碳纤维与膜孔壁之间的间隙以及残余孔隙中；

6、其中，所述石墨烯导热膜、高导热碳纤维和填充铜共同构成三维连续导热网络。

7、更进一步的，所述石墨烯导热膜的面内导热系数，单层石墨烯导热膜的厚度为;所述高导热碳纤维的轴向导热系数，所述高导热碳纤维的单丝直径为。

8、更进一步的，所述石墨烯导热膜的体积占比为，所述高导热碳纤维的体积占比为，所述填充铜的体积占比为。

9、更进一步的，所述石墨烯导热膜增强铜基三维导热复合材料的总热阻比同等尺寸纯铜降低至少，密度小于纯铜密度的。

10、一种石墨烯导热膜增强铜基三维导热复合材料的制备方法，具体包括：

11、步骤s1、将多层石墨烯导热膜平铺叠放，采用高导热碳纤维垂直穿刺缝制全部膜层，形成三维骨架预制体；

12、步骤s2、使填充铜填充三维骨架预制体的所有间隙；

13、步骤s3、将填充后的复合材料置于真空或惰性气体氛围中，进行热压致密化处理，使填充铜基体发生蠕变并实现界面扩散键合；

14、步骤s4、对热压致密化后的复合材料进行表面磨削或抛光至预设厚度和表面粗糙度，并在表面进行防氧化处理。

15、更进一步的，步骤s1中，缝制采用数控缝制设备按预设阵列图案进行，该预设阵列图案的孔间距根据目标碳纤维体积占比确定。

16、更进一步的，步骤s2中，使填充铜填充采用脉冲电镀工艺，具体为：

17、步骤1、以所述三维骨架预制体为阴极；

18、步骤2、在酸性镀铜液中进行电镀；

19、步骤3、控制填充铜使其从内部孔隙表面向外生长。

20、更进一步的，步骤s2中，使填充铜填充采用真空压力浸渗工艺，具体为：

21、步骤1、将所述三维骨架预制体置于真空压力浸渗炉中；

22、步骤2、将真空压力浸渗炉抽至真空，并充入惰性气体至；

23、步骤3、将所述三维骨架预制体浸入的熔融无氧铜液中，保压15-30分钟完成浸渗。

24、更进一步的，步骤s3中，热压致密化处理的温度为，压力为，保温保压时间为30-60分钟。

25、本发明提供的一种石墨烯导热膜增强铜基三维导热复合材料及制备方法，相比现有技术，本方法取得的效果有：

26、1、本发明采用纺织式碳纤维缝合工艺，将高导热碳纤维以垂直缝制的方式引入石墨烯膜叠层中，形成具有连续垂直导热通路的三维骨架预制体。该工艺天然保证了碳纤维的精确垂直取向和石墨烯膜层的精确定位，从根本上解决了传统多层石墨烯叠层因层间结合力弱、法向导热极差而无法作为厚尺寸块材使用的技术难题，同时避免了现有球磨混合或电沉积方法中石墨烯无序分散、无法构建连续垂直导热通路的缺陷。

27、2、本发明通过碳纤维垂直贯穿缝制与铜致密填充的协同作用，构建了三维连续导热网络。垂直方向上，碳纤维束和致密铜相共同构成贯穿材料厚度的“热过孔”阵列，提供远超纯铜的垂直导热效率；水平方向上，石墨烯膜提供超高面内导热能力，实现优异的均热效果。真空热压过程中铜基体发生蠕变并在界面处形成原子级机械互锁和扩散键合，彻底消除了石墨烯与铜之间、碳纤维与铜之间以及各膜层之间的界面热阻，使热量在三维方向上均能实现无障碍高速传输。

28、3、本发明通过脉冲电镀铜填充结合真空热压致密，全程最高工艺温度远低于铜的熔点。该低温工艺完整保留了石墨烯导热膜和碳纤维各自本征的超高导热性能，避免了高温处理对碳材料结构完整性的损伤，同时实现了原子级别的缝隙填充和界面结合，确保了复合材料整体导热性能的最优化。

29、4、本发明通过调整缝制阵列的密度、图案以及铜填充量，可以灵活调节碳纤维和铜的体积占比，进而精确设计复合材料的垂直导热系数、水平导热系数和总热阻，实现热学性能的按需定制。针对不同功率芯片的散热需求，可设计梯度导热结构或各向异性导热比值的材料，具有较强的设计灵活性和应用适配性。

1.一种石墨烯导热膜增强铜基三维导热复合材料，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的石墨烯导热膜增强铜基三维导热复合材料，其特征在于：所述石墨烯导热膜的面内导热系数，单层石墨烯导热膜的厚度为;所述高导热碳纤维的轴向导热系数，所述高导热碳纤维的单丝直径为。

3.根据权利要求1所述的石墨烯导热膜增强铜基三维导热复合材料，其特征在于：所述石墨烯导热膜的体积占比为，所述高导热碳纤维的体积占比为，所述填充铜的体积占比为。

4.根据权利要求1所述的石墨烯导热膜增强铜基三维导热复合材料，其特征在于：所述石墨烯导热膜增强铜基三维导热复合材料的总热阻比同等尺寸纯铜降低至少，密度小于纯铜密度的。

5.一种石墨烯导热膜增强铜基三维导热复合材料的制备方法，其特征在于，应用于权利要求1-4任一项所述的石墨烯导热膜增强铜基三维导热复合材料，所述的石墨烯导热膜增强铜基三维导热复合材料的制备方法，具体包括：

6.根据权利要求5所述的石墨烯导热膜增强铜基三维导热复合材料的制备方法，其特征在于：步骤s1中，缝制采用数控缝制设备按预设阵列图案进行，该预设阵列图案的孔间距根据目标碳纤维体积占比确定。

7.根据权利要求5所述的石墨烯导热膜增强铜基三维导热复合材料的制备方法，其特征在于：步骤s2中，使填充铜填充采用脉冲电镀工艺，具体为：

8.根据权利要求5所述的石墨烯导热膜增强铜基三维导热复合材料的制备方法，其特征在于：步骤s2中，使填充铜填充采用真空压力浸渗工艺，具体为：

9.根据权利要求5所述的石墨烯导热膜增强铜基三维导热复合材料的制备方法，其特征在于：步骤s3中，热压致密化处理的温度为，压力为，保温保压时间为30-60分钟。