[发明专利]一种取向碳纳米管-金属基复合材料导热盘的制备方法

说明书

一种碳纳米管‑金属基复合材料导热盘的制备方法，属于粉末冶金领域。首先采用浆料法制备金属基/碳纳米管复合粉末，即将预先退火的金属粉末与经过超声破碎分散的碳纳米管一同放在去离子水中进行机械搅拌，搅拌直至透明状后，再将溶液过滤所得粉末进行烘干，得到碳纳米管均匀分散在金属粉体表面的复合粉；接着将复合粉末装入石墨模具中，采用热压的方式压制成取向碳纳米管‑金属基复合材料。该方法具有界面可分离的显著优点，能够适用于目前各种模块化设备即插即用式的高效热输运工况，尤其利于在轨组装模块化航天器的发展；相比于基于垂直碳纳米管阵列的可分离式热界面材料，直接引入分散的碳纳米管不仅缩短了工艺流程，还极大地降低了制造成本。

技术领域

本发明属于粉末冶金领域，具体涉及一种取向碳纳米管-金属基复合材料导热盘的制备方法，碳纳米管-金属基复合材料导热盘具有超低界面热阻的取向。

背景技术

随着人类太空探索步伐的不断深入，对航天器或空间系统的功能要求越来越高，相应航天器的体积和重量不断增加，依靠现有的发射技术很难一次将大型航天器发射到太空。模块化在轨组装是国内外公认的解决这一问题的最佳途径。该技术先将航天器或空间系统根据功能进行模块化设计，之后将不同的功能模块分步发射到太空中，再根据具体的功能需求将模块与主模块(如卫星)通过在轨组装的方法进行机械连接以完成特定的功能需要。功能模块中很大一部分为工作时产生大量热量的大功率电器模块，热量能否有效地散发出去关系到功能模块是否能够稳定工作。但是由于结构限制，模块不带有自身冷却功能。模块设计时，散热问题的解决思路是模块本身产生的热量通过主空间站搭载的冷却系统进行冷却。因此保证标准模块与主模块之间两对接圆盘(导热盘)通畅的传热路径尤为关键。

对于两导热盘间的固-固界面传热，实际粗糙的固体表面相接触时仅有少量凸起部分紧密接触进行传导传热，周围绝大部分为间隙空气通过辐射传热，所以当热流通过此界面时，会由于热流收缩而产生界面接触热阻。接触热阻的存在严重限制了高热导率热沉的性能发挥，此时热界面材料(Thermal Interface Materials,TIMs)应运而生。TIMs填充于两接触固体表面间，可以增加实际接触面积，提高热流输运能力，其理想效果是采用高热导率的材料替代两固体间充满空气的空间并与基体紧密粘接。目前商用的热界面材料包括有机类热界面材料(如导热膏、导热凝胶，材料本身热阻介于10-20mm²·K/W)、低熔点合金焊料(主要成分为Sn、Ag、Cu等，材料本身热阻5mm²·K/W)和相变材料三大类，但是这些材料均存在界面不可分离这一致命问题，不适合在轨组装模块化航天器传热使用。

研究表明，单根单壁碳纳米管在室温下的热导率高于6000W/(m·K)，实验测得的单根多壁碳纳米管在室温下的热导率也高于3000W/(m·K)，而且其本身具有较低的径向面内膨胀系数以及形貌可适应接触面粗糙度，唯一不足之处在于范德华力的作用使得碳纳米管极易发生团聚。因此，如何将碳纳米管均匀的分散在金属粉体的表面，与金属基体构成良好复合关系的同时能够在接触界面处形成取向，填充两接触界面之间的间隙以降低界面热阻，成为开发适用于模块化散热的具有超低界面热阻的导热盘的关键。

发明内容

本发明的目的在于实现一种可分离式、具有超低界面热阻的取向碳纳米管-金属基复合材料导热盘的制备，以期适用于目前各种模块化设备即插即用式的热输运工况，尤其是保证在轨组装模块化航天器之间的高效热输运。

本发明提供了一种取向碳纳米管-金属基复合材料导热盘的制备方法，具有超低界面热阻，其特征在于具体步骤为：

S1、首先采用浆料法制备金属基/碳纳米管复合粉末，即将预先退火的金属粉末与经过超声破碎分散的碳纳米管一同放在去离子水中进行机械搅拌，搅拌直至透明状后，再将溶液过滤所得粉末进行烘干，得到碳纳米管均匀分散在金属粉体表面的复合粉；

S2、接着将复合粉末装入石墨模具中，采用热压的方式压制成取向碳纳米管-金属基复合材料；