高导热低膨胀铜/石墨片复合材料的制备及其热传导性能

摘要

[目的]为克服传统铜/碳复合材料因界面结合弱而导致的导热性差问题，提升其在高功率电子器件散热中的应用潜力，拟开发一种兼具高导热与低热膨胀特性的铜/石墨片（Cu/GF）复合材料。[方法]采用电镀铜与放电等离子烧结（SPS）相结合的工艺制备Cu/GF复合材料。先通过表面氧化处理在石墨片表面引入含氧官能团，随后进行钯活化，接着通过电镀铜得到Cu质量分数不同的Cu/GF复合粉体，最后通过放电等离子烧结实现Cu层与石墨片界面的冶金结合。研究了Cu质量分数和石墨片取向对复合材料导热性的影响。对Cu/GF复合材料的三维微观结构及热传导性能进行了仿真分析。[结果]当Cu质量分数为40%时，Cu/GF复合材料具有最优的导热性，其轴向热导率高达692 W/（m·K），热膨胀系数低至4.12×10^-6 K^-1。微观结构表征显示，此时形成了铜相连续包覆石墨片的三维互穿网络结构，有效增强了界面结合强度与热输运效率。数值模拟结果与实验结果基本一致，都表明石墨片取向显著影响复合材料的热导率。[结论]本研究通过对Cu/石墨片复合材料的界面优化与结构设计，实现了超高导热与超低膨胀特性，为动力电池模组、高密度集成电路等前沿领域提供新一代散热解决方案。

关键词

铜 / 石墨片 / 复合材料 / 电镀 / 放电等离子烧结 / 热导率