高导热金属基纳米复合材料的研究动态

当前，纳米技术尤其是纳米碳增强金属基复合材料的迅速发展，给高导热金属基复合材料的发展带来了新的机遇。纳米碳增强体包括: 碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯纳米片、纳米金刚石等，不但具有优异的力学性能、极低的热膨胀系数，而且具有很高的导热性能。如碳纳米管和石墨烯的热膨胀系数很低，而热导率却高达3000～6600 W / mK，甚至高于天然金刚石，可作为高导热金属基复合材料的增强体。

然而，由于具有高的比表面积和稳定的化学性质，纳米碳在复合材料中的均匀分散及其与金属基体界面结合的控制成为制备高性能金属基复合材料的难题。采用粉末冶金方法制备纳米碳增强金属基复合材料时，如碳纳米管、石墨烯纳米片等，在金属粉末中的分散存在不相容性问题: 一维与三维的形貌不相容、纳米与微米的尺度不相容、亲水与疏水的表面化学性质不相容。因而，传统高能球磨或超声分散等工艺靠机械外力或超声作用强制将碳纳米管在金属粉末中分散、再将二者复合制备的金属基复合材料导热性能都不理想。这是导致金属基复合材料导热性能不理想的主要原因之一。

针对纳米相与金属基体的不相容性及纳米相性能的各向异性，所研发的片状粉末冶金技术不但能克服上述的相容性问题，还能通过构型控制发挥纳米增强相的增强效率。该技术首先将球形或不规则形状金属粉末通过机械球磨制备片状粉末，消除与纳米相(碳纳米管、石墨烯纳米片等) 形貌与尺寸的不相容; 然后再对片状金属粉末表面亲水改性，使其与改性分散的纳米相表面化学性质相容; 这样获得的片状复合粉末具有自然堆积特性(如同石墨片)，且其中的纳米相分散均匀，冷压成型、致密化处理后(热压烧结、轧制或热挤压等) 可制备具有平面取向甚至一维定向分布的纳米相增强金属基复合材料。目前，片状粉末冶金已得到实验验证，制备的块体复合材料力学性能优异; 通过进一步优化致密化工艺和界面热导，有望获得优异的导热性能。此外，选择性涂布浸渍、金属箔冷轧退火等技术在制备具有碳纳米管二维取向分布复合构型的金属基复合材料中也得到了广泛关注。通过合理的高导热复合构型设计和复合界面控制，在不久的将来可望充分发挥纳米相的高导热增强作用，从而获得热管理用高导热纳米相增强金属基复合材料。