材料热力学论文教授推荐8篇之第六篇：石墨体积分数对该复合材料热导率和抗弯强度的影响
摘要：采用鳞片石墨粉和纯铜粉为原料，通过真空热压烧结制备高导热石墨/铜复合材料。研究了石墨体积分数对该复合材料热导率和抗弯强度的影响。结果表明：热压温度对该复合材料的界面影响较大，在热压温度970℃，该复合材料界面结合最好；随石墨体积分数的增加，复合材料的致密度下降，而热导率先升后降。当石墨体积分数为60%时，该复合材料的热导率达到最大，为680 W/（m·K）；随着石墨体积分数的增加，该复合材料的抗弯强度下降。
关键词：复合材料； 热导率； 抗弯强度；
Abstract:
Graphite/Cu composite was fabricated by vacuum hot-pressing using lamellar graphite and pure Cu. The effects of volume fraction of graphite on the thermal conductivity and bending strength of the composite were studied. The results show that the hot pressing temperature plays an important role in the interface of the composite. The composite exhibits a strong interfacial bonding when hot pressing temperature is 970 ℃。 As the volume fraction of the graphite increases, the relative density of the composite decreases, and thermal conductivity of the compsoite firsty increases and then decreases. The maximum thermal conductivity reaches 680 W/（m·K）， when the volume fraction of the graphite is 60%. The bending strength of the composite decreases as the volume fraction of the graphite increases.
Keyword:
composite; thermal conductivity; bending strength;
随着微电子技术的迅猛发展，电子元器件特征尺寸不断减小，功率不断增大，解决散热问题显得尤为急迫和关键，这就对热工管理材料提出了更高的要求[1] .传统的热工管理材料由于材料的局限性在热膨胀系数、热导率和密度等方面无法达到完美的协调。石墨材料具备低密度、高热导率、低膨胀系数和可加工性优良等优势，利用石墨作为金属基热工管理材料的导热增强体具有轻质、低价、高导热等诸多优点，因此石墨复合材料在热工管理材料领域已呈现出巨大优势[2,3] .然而目前国内石墨复合材料并未有广泛应用，从事研究的部门也相对较少，这主要是由于石墨复合材料的制备存在着很大的问题和难度。国内外制备石墨导热复合材料主要采用放电等离子烧结、真空热压和压力熔渗法等方法。鉴于此，本文采用真空热压法制备了石墨/铜复合材料，研究了真空热压工艺、石墨体积分数对石墨/铜复合材料显微组织、致密度以及热导率的影响。
1 试验材料与方法
试验所用原料为天然高纯鳞片石墨粉和电解铜粉。天然鳞片石墨的含碳量大于99.9%,呈层片状结构，平均粒径500μm,厚度约40μm.电解铜粉呈树枝状，纯度大于99.7%,平均粒径为50μm.
配制石墨含量不同的石墨铜混合粉末，石墨体积分数分别为30%、40%、50%、60%、70%、80%,通过混料机使粉料混合均匀。碳与铜的固态和液态相互溶解度都很小，但可通过机械合金化使得原料混合均匀，通过真空热压提高铜与石墨的界面结合。在混料时，注意将混料盒封紧密，不能掺入空气，防止铜的氧化。然后将混合粉末放入石墨模具中，进行真空热压烧结，炉内真空度为10-3Pa,热压压力20 MPa,烧结温度分别为940、970、1000℃，保温时间为10 min,随炉冷却，得到直径60 mm,高度大于10 mm的圆柱试样。由于天然石墨的层状结构，使得复合材料的性能在垂直于压力方向（X-Y向）和平行于压力方向（Z向）具有明显的各向异性。为获得不同方向的热导率，分别得到平面在X-Y向和Z向尺寸为10.0 mm×10.0 mm×3.0 mm的试样。同时，制取10.0 mm×10.0 mm×50.0 mm的样品用于测试弯曲强度。
2 结果与讨论
2.1 复合材料截面显微形貌
由于天然鳞片石墨粉末具有层片状结构，其受力行为也有别于普通的球形粉末。图1为复合材料的真空热压烧结的形貌。可看到，天然鳞片石墨片层面垂直于压力方向，设定该方向为X-Y二维方向。这是因为在压力作用下，天然鳞片石墨的层状结构有了选择性的排列，且趋向于X-Y二维方向。随着压力逐渐增大，粉末之间接触逐渐紧密，当压力达到一定值以后，由于铜粉的存在，阻碍了石墨进一步运动，使得石墨的层片面排列不够理想。将冷压坯进行真空热压烧结时，由于铜粉逐渐熔化，处于塑性状态，形态距离变小，阻碍鳞片石墨运动的力减小。在热压力作用下，鳞片石墨的层片面进一步趋向于X-Y二维面。
图1 石墨/铜复合材料热压烧结后的形貌Fig.1 Morphology of graphite/Cu composite after hot pressing
图2为不同热压温度下石墨/铜复合材料界面的结合情况。可看到，该复合材料的界面结合情况受热压温度的影响，当温度为940℃时，铜和石墨之间的界面结合较差，界面中可看到许多孔洞。随温度的升高，铜粉熔化为液态，使得界面结合更好，从图2（b）可看到，石墨/铜复合材料的界面结合致密，未发现孔洞。因此，选择合适的热压温度，是优化复合材料界面，提高复合材料性能的关键。
图2 不同热压温度下石墨/铜复合材料的界面Fig.2 Interface of graphite/Cu composite under different hot pressing temperatures
2.2 石墨含量对复合材料致密度的影响
图3为不同石墨含量对复合材料致密度的影响。在烧结温度970℃，热压压力20MPa下，从图中可看到，随着石墨体积分数的增加，该复合材料的致密度不断下降。这是由于石墨含量较低时，铜含量充足，石墨均匀分布其中，真空热压烧结时，坯料在烧结过程中承受压力，铜可充分填充于石墨之间的间隙。随着石墨含量的逐渐增加，石墨与石墨之间接触逐渐增多，在混合粉末中会形成"架桥效应",阻碍粉末的压实致密，"架桥"的存在也会使得铜粉与石墨的接触不够紧密，高温时铜需要移动较长的距离才能填满与石墨之间的间隙。石墨的增加会使铜由于不足而不能充分填满与石墨之间的空隙，从而引起该复合材料致密度的降低。
图3 不同石墨含量对复合材料致密度的影响Fig.3 Effect of graphite volume fraction on relative density of the composite
图4为石墨含量不同时复合材料在X-Y向和Z向的热导率。可看出，复合材料在X-Y向的热导率远大于Z向的热导率。这是由于天然鳞片石墨的层片面（X-Y）内石墨原子振动以及电子运动速率远远大于层层之间的分子运动速率，导致石墨X-Y面内的热导率远大于Z方向。在复合材料制备过程中，由于外界压力作用，复合材料内石墨鳞片层趋向于定向排列，层片结构垂直于压力方向，使得该复合材料在X-Y向的热导率比Z向的高。
图4 石墨/铜复合材料X-Y向与Z向的热导率Fig.4 Thermal conductivity of graphite/Cu composite in X-Y and Z direction
在X-Y二维面上，当复合材料内石墨体积分数小于60%时，随着石墨含量的增加，由于石墨的热传导能力高于铜基体，复合材料热导率不断增加，当石墨体积分数为60%时，最大可以达到680W/m·K,此时的热导率约为纯铜的的2倍，密度仅为纯铜的55.7%.但当石墨体积分数大于60%时，复合材料热导率会存在一定程度的下降，主要原因在于复合材料的热导率不仅与各项材料的含量有关，还受该复合材料界面的影响。由于热压烧结工艺条件以及片层石墨"桥架"作用的影响，该复合材料的致密度迅速降低，大量的空隙使得复合材料中的自由电子与声子的散射增加，从而使热导率大幅下降。另外，在Z向，复合材料热导率随石墨含量逐渐下降的原因在于石墨层片结构高度方向的热传导能力低于铜基体。
2.3 体积分数对抗弯强度的影响
材料的力学性能直接决定了材料的使用范围，其中抗弯强度属于较为重要的一种力学性能。在石墨-铜复合材料的应用过程中，主要关注X-Y向是否具有一定的抗弯强度。图5给出了石墨含量不同时石墨铜复合材料在X-Y方向上的抗弯强度。可看到，随着石墨体积分数的增加，该复合材料的抗弯强度不断降低。这主要是由于铜基体的抗弯强度要远高于石墨。
图5 石墨/铜复合材料的抗弯强度Fig.5 Bending strength of graphite/Cu composite
3 结论
（1）热压温度为940℃时，复合材料界面结合较差，界面处有许多孔洞；当热压温度为970℃时，复合材料界面结合致密。
（2）随着石墨体积分数的升高，复合材料的致密度下降，X-Y方向的热导率先升后降。当石墨体积分数为60%时，复合材料的热导率最高，为680 W/m·K.
（3）随着石墨体积分数的增加，复合材料的抗弯强度不断下降。
参考文献
[1]郭可讱，梁立达。铝-石墨复合材料的研制[J].大连理工大学学报，1982（1）：8-11.
[2]王文方，许少凡，应美芳，等。镀铜石墨-铜基复合材料组织与性能研究[J].合肥工业大学学报，1999,22（1）：35-38.
[3]张昊明，何新波，沈晓宇，等。放电等离子烧结制备非连续石墨纤维/Cu复合材料[J].粉末冶金材料科学与工程，2012,17（3）：339-344.
