一种石墨基复合材料散热器整体模压成形制造方法

摘要

本发明公开了一种石墨基复合材料散热器整体模压成形制造方法。该方法先将中温煤沥青、石墨和石油焦在95～195℃之间进行混捏，制成糊料，再将制好的糊料调温至70～130℃，填入散热器模具中进行模压成形，模压压力为10～90MPa，并保持此压力1～10分钟；然后将模压生制品进行焙烧及石墨化处理；最后对石墨化制品进行浸渗环氧树脂，即得散热器。本发明可以整体制造外形复杂的石墨散热器；并且具有灵活性大、工艺流程简单、生产效率高、制品尺寸精确和表面质量好的特点。该方法可制造形状复杂的石墨散热器，此种散热器具有导热好、质量轻等优点，并且其工艺过程污染小、简单易行、低耗高效、易实现机械化和自动化生产。

权利要求

1.一种石墨基复合材料散热器整体模压成形制造方法，其步骤包括

(1)、将中温煤沥青、石墨和石油焦在95～195℃之间进行混捏，制成糊料，其中煤沥青和石墨的质量百分数分别为20％～40％和25％～40％；

(2)、将制好的糊料调温至70～130℃，填入散热器模具中进行模压成形，模压压力为10～90MPa，并保持此压力1～10分钟；

(3)、将模压生制品进行焙烧及石墨化处理；

(4)、对石墨化制品进行浸渗环氧树脂，即得散热器；

步骤(3)中焙烧的具体过程为：

焙烧的最高温度为900～1500℃，焙烧过程各阶段的升温速率为从室温到330℃阶段维持在30～60℃/小时，从330℃到800℃阶段为在10～25℃/小时，最后阶段为40～80℃/小时，达到最高温度后保温1～8小时，然后开始冷却，初始冷却速度控制在每小时50℃以内，冷却到400℃出炉，或者到800℃时任其自然冷却，在400℃时出炉，即得焙烧品；

步骤(3)中石墨化处理的具体过程为：

将焙烧品放入石墨化炉中进行石墨化处理，石墨化最高温度为2000～3000℃；石墨化开始阶段即室温至1100℃时的升温速率为45～100℃/小时，然后降低升温速率至25～40℃/小时，使温度达到1700℃，继续升温直至温度达到2000～3000℃，在最高温度下保持1～10小时，然后冷却出炉即得石墨化制品；

步骤(4)中具体过程为：

将石墨化制品放入浸渍罐内后，浸渍过程先进行抽真空，使罐内气压小于等于10KPa，然后吸入环氧树脂，所吸入环氧树脂的量淹没石墨化制品，然后向浸渍罐内充入高压气体，使罐内气压大于等于1MPa，保持此压力1～15分钟，再将制品放入烘箱内进行固化，固化完全后取出。

说明书

技术领域

本发明涉及电子器件类热源散热器技术领域，具体为一种石墨基复合材料散热器的整体模压成形制造方法。

背景技术

通常，电子器件或设备在工作时会产生很多的热量，如散热不好将会产生较高的温度，影响元器件的正常工作从而导致系统的不稳定，甚至引起系统的损坏。据相关资料显示，对于电子设备，目前的失效问题50％都是由于器件过热引起的。同时，随着科学技术的不断创新，大规模集成电路集成密度的不断提高，微处理器的运行速度越来越快，在单块芯片中集成的功能也越来越多，芯片需要消耗的能量将更多。摩尔定律也指出：大约每隔一年半，芯片的晶体管数目会翻一倍，相应的功耗也会翻一倍。这都意味着电子芯片将越来越热，散热问题已经成为制约芯片性能提升的瓶颈。因此电子器件的冷却问题越来越引人关注。
目前，电子器件所用散热器大部分仍采用翅片状散热器，通常由铝或铜及其合金制造。为了在有限的空间中增强元件的换热，以满足其性能和可靠性指标对传热的要求，工程师们往往在散热器外形上进行改进。然而限于由于铜、铝及其合金本身散热能力的不足(其中纯铜导热系数为398W/m·K，纯铝导热系数为237W/m·K)，改进的效果并不明显。研究指出，石墨微晶材料沿(002)面方向的导热率超过2000W/m·K，具有比金属铜、铝更高的导热率，同时石墨材料本身较低的密度，十分符合当前电子器件轻量化发展的需求。因此，石墨材料在散热领域已经开始越来越被关注，有关研究人员已经将其制成散热器，利用到笔记本电脑、液晶电视等方面，取得了良好的效果。然而由于石墨材料存在极大的脆性，在制造成形上存在一定困难，因此此种散热器往往形状十分简单，通常为单层平面状，或将其进行简单拼接成所需形状。即使如此，形状依然简单，难以将其应用推广到更广泛的领域，同时其工艺复杂，效率低，并不适合于产业化生产。当前，国际上尚未出现整体成形石墨散热器的方法。因此，寻求出一种能整体成形复杂形状石墨散热器的方法对于改变这种现状意义重大。

发明内容

本发明的目的正是在于提供一种简单易行、低耗高效的石墨散热器整体模压成形制造方法，并且采用该方法能够制造外形复杂的石墨散热器，并且所制造的石墨散热器具有导热好、质量轻的优点。
本发明提供的石墨基复合材料散热器整体模压成形制造方法，其步骤包括
(1)、将中温煤沥青、石墨和石油焦在95～195℃之间进行混捏，制成糊料，其中，中温煤沥青和石墨的质量百分数分别为20％～40％和25％～40％；
(2)、将制好的糊料调温至70～130℃，填入散热器模具中进行模压成形，模压压力为10～90MPa，并保持此压力1～10分钟；
(3)、将模压生制品进行焙烧及石墨化处理；
(4)、对石墨化制品进行浸渗环氧树脂，即得散热器。
本发明首先利用模压工艺将添加了粘接剂的石墨基复合材料整体成形，然后通过合适的热处理，包括焙烧、石墨化使散热器具有足够高的导热系数，再通过浸渗树脂增强，最终获得所需的石墨散热器。该发明克服了传统方法制造铜、铝等金属散热器时的如下缺陷：(1)原材料开采冶炼时的严重污染；(2)散热器较重，不利于电子产品的轻量化；(3)原材料价格较高；(4)散热能力的相对较低等。同时也避免了现有的非整体制造石墨散热器的如下弊端：(1)原材料处理繁琐；(2)只能成形简单形状的散热器；(3)拼接成形时效率低；(4)难以实现机械化和自动化生产等。
本发明提供的制造方法具有以下优点：(1)可以整体制造外形复杂的石墨散热器；(2)灵活性大，通过更换模压模具即可实现在同一台压机上生产形状、规格和品种不同的石墨散热器；(3)无需后续机加工，工艺流程简单，生产效率高；(4)制品尺寸精确，表面质量好。该方法可制造形状复杂的石墨散热器，此种散热器具有导热好、质量轻等优点，能够满足当前对于散热器性能提出的新要求。本发明方法的工艺过程污染小，简单易行，易实现机械化和自动化生产。

具体实施方式

本发明提供的石墨基复合材料散热器的整体模压成形制造方法，其制作工艺步骤为：
(1)、将原料进行热混捏，制成混合均匀、粘塑性良好的糊料；
所述的将原料进行热混捏，制成混合均匀、粘塑性良好的糊料是指将中温煤沥青放入混捏机内，升高温度并同时混捏，在煤沥青部分开始熔化后装入石墨和石油焦混合粉，继续进行混捏。或者是先将配好的中温煤沥青粉、石墨粉和石油焦粉在搅拌机内进行预搅拌，使其均匀混合，然后同时装入混捏机内进行混捏。混捏温度控制在95～195℃之间，混捏时间持续20～50分钟，煤沥青、石墨的质量百分数分别为20％～40％和25％～40％，其余为石油焦粉。
(2)、将制好的糊料填入散热器模具中进行模压成形；
将制好的糊料填入散热器模具中进行模压成形是指将混捏好的糊料装入烘箱中调节温度，或者将糊料放入凉料机上进行机械化凉料，使其温度至70～130℃；然后立即将其填入模具进行模压成形，模压压力为10～90MPa，并保持此压力1～10分钟，然后脱模取出即成模压生制品。
(3)、将模压生制品进行焙烧及石墨化处理；
对模压生制品进行焙烧的最高温度为900～1500℃，焙烧过程各阶段的升温速率为从室温到330℃阶段维持在30～60℃/小时，从330℃到800℃阶段为在10～25℃/小时，最后阶段为40～80℃/小时，达到最高温度后保温1～8小时，然后开始冷却，初始冷却速度须控制在每小时50℃以内，到800℃时可以任其自然冷却，在400℃时可以出炉，即得焙烧品。
所述的石墨化处理是指将焙烧品放入石墨化炉中进行石墨化处理，石墨化最高温度为2000～3000℃。石墨化开始阶段即室温至1100℃时的升温速率为45～100℃/小时，然后降低升温速率至25～40℃/小时，使温度达到1700℃，继续升温直至温度达到2000～3000℃，在最高温度下保持1～10小时，然后冷却出炉即得石墨化制品。
(4)、对石墨化制品进行浸渗环氧树脂即得最终散热器产品。
所述的对石墨化制品进行浸渗环氧树脂是指将石墨化制品放入真空浸渍设备中浸渗环氧树脂，以提高其强度满足使用的要求。将石墨化制品放入浸渍罐内后，浸渍过程须先进行抽真空，使罐内气压不高于10KPa，然后吸入树脂，所吸入树脂的量必须完全淹没石墨化制品。然后向浸渍罐内充入高压气体，使罐内气压不低于1MPa，保持此压力1～15分钟后即可卸压取出制品。然后立即将制品放入烘箱内进行固化，固化完全后取出即可。
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
实例1
(1)将质量百分数20％的中温煤沥青装入混捏机内，开始加热，将加热温度调至175℃，然后开始混捏。当煤沥青部分熔化时加入石墨和石油焦的混合粉，两者各占质量百分数25％和55％，混捏过程持续35分钟，制成粘塑性良好的糊料。
(2)将步骤(1)制得的糊料装入烘箱中，调节温度至130℃。
(3)将步骤(2)冷却好的糊料迅速填入模压模具中，开始模压，施加压力至55MPa，并在此压力下保持1分钟，形成模压生制品。
(4)脱模取出模压生制品，并将其放入焙烧炉中进行焙烧。设定焙烧工艺为：在室温下经6小时升温至330℃，12小时升温至550℃，15小时升温至800℃，10小时升温至1300℃，保温8小时后，以50℃/小时的速率降温至800℃，然后随炉冷却至400℃，出炉。
(5)将步骤(4)所得到的焙烧品装入石墨化炉中，进行石墨化，最高石墨化温度为2500℃，设定的石墨化工艺为：在室温下经20小时升温至1100℃，24小时至1700℃，10小时至2200℃，12小时至2500℃，在此温度下保温1小时，然后冷却出炉。
(6)将步骤(5)所得的石墨化制品放入真空浸渍设备进行浸渗环氧树脂，抽真空至5KPa后吸入环氧树脂至完全淹没石墨化制品。然后立即充入高压气体至1MPa，在此压力下保持2分钟后卸压，取出制品放入烘箱内进行固化，固化完全后取出即可。
实例2
(1)将质量百分数为40％的中温煤沥青、40％的石墨和20％的石油焦的混合粉末装入搅拌机内机械混合10分钟，然后将混合均匀的粉末装入混捏机内进行热混捏，设定混捏温度为100℃，经混捏50分钟制成粘塑性良好的糊料。
(2)将步骤(1)制得的糊料卸到凉料机上冷却至90℃。
(3)将步骤(2)冷却好的糊料迅速填入模压模具中，开始模压，施加压力至90MPa，并在此压力下保持2分钟，形成模压生制品。
(4)脱模取出模压生制品，并将其放入焙烧炉中进行焙烧。设定焙烧工艺为：在室温下经5小时升温至330℃，10小时升温至550℃，18小时升温至800℃，10小时升温至1300℃，保温3小时后，以50℃/小时的速率降温至800℃，然后随炉冷却至400℃，出炉。
(5)将步骤(4)所得到的焙烧品装入石墨化炉中，进行石墨化，最高石墨化温度为2100℃，设定的石墨化工艺为：在室温下经20小时升温至1100℃，30小时至1700℃，10小时至2100℃，在此温度下保温10小时，然后冷却出炉。
(6)将步骤(5)所得的石墨化制品放入真空浸渍设备进行浸渗环氧树脂，抽真空至8KPa后吸入环氧树脂至完全淹没石墨化制品。然后立即充入高压气体至1MPa，在此压力下保持10分钟后卸压，取出制品放入烘箱内进行固化，固化完全后取出即可。
实例3
(1)将质量百分数为30％的中温煤沥青、30％的石墨和40％的
石油焦的混合粉末装入搅拌机内机械混合10分钟，然后将混合均匀的粉末装入混捏机内进行热混捏，设定混捏温度为195℃，经混捏20分钟制成粘塑性良好的糊料。
(2)将步骤(1)制得的糊料卸到凉料机上冷却至110℃。
(3)将步骤(2)冷却好的糊料迅速填入模压模具中，开始模压，施加压力至65MPa，并在此压力下保持1.5分钟，形成模压生制品。
(4)脱模取出模压生制品，并将其放入焙烧炉中进行焙烧。设定焙烧工艺为：在室温下经7.5小时升温至330℃，10小时升温至550℃，13小时升温至800℃，15小时升温至1300℃，保温5小时后，以50℃/小时的速率降温至800℃，然后随炉冷却至400℃，出炉。
(5)将步骤(4)所得到的焙烧品装入石墨化炉中，进行石墨化，最高石墨化温度为2300℃，设定的石墨化工艺为：在室温下经16小时升温至1100℃，18小时至1700℃，15小时至2300℃，在此温度下保温3小时，然后冷却出炉。
(6)将步骤(5)所得的石墨化制品放入真空浸渍设备进行浸渗环氧树脂，抽真空至10KPa后吸入环氧树脂至完全淹没石墨化制品。然后立即充入高压气体至2MPa，在此压力下保持15分钟后卸压，取出制品放入烘箱内进行固化，固化完全后取出即可。
以上所述实施例，只是本发明的较佳实例，并非来限制本发明实施范围，故凡依本发明申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请范围内。