一种纳米碳铝复合导热材料及其在制备高功率led光源散热器中的应用
阅读说明：本技术 一种纳米碳铝复合导热材料及其在制备高功率led光源散热器中的应用 (Nano carbon-aluminum composite heat conduction material and application thereof in preparation of high-power LED light source radiator ) 是由 张鹏 林志丹 李卫 曹琳 于 2021-06-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种纳米碳铝复合导热材料及其在制备高功率LED光源散热器中的应用。所述的纳米碳铝复合导热材料,其包含如下重量份的原料：铝70～100份；硅1～3份；铁0.5～2份；锌0.1～1份；锶0.1-1份；铜0.01～0.1份；碳纳米管0.1～1份；钛酸铋或改性钛酸铋15～30份。由于本发明所述的纳米碳铝复合导热材料具有较低的热膨胀系数以及较高的导热率,因此,将其应用于制备高功率LED光源散热器,可以提高高功率LED光源散热器的散热效率以及减少高功率LED光源散热器在温差较大的环境下使用发生变形的情况。(The invention discloses a nano carbon-aluminum composite heat conduction material and application thereof in preparation of a high-power LED light source radiator. The nano carbon-aluminum composite heat conduction material comprises the following raw materials in parts by weight: 70-100 parts of aluminum; 1-3 parts of silicon; 0.5-2 parts of iron; 0.1-1 part of zinc; 0.1-1 part of strontium; 0.01-0.1 part of copper; 0.1-1 part of carbon nano tube; 15-30 parts of bismuth titanate or modified bismuth titanate. The nano carbon-aluminum composite heat conduction material has lower thermal expansion coefficient and higher heat conductivity, so that the nano carbon-aluminum composite heat conduction material is applied to the preparation of the high-power LED light source radiator, the heat dissipation efficiency of the high-power LED light source radiator can be improved, and the deformation of the high-power LED light source radiator in the environment with larger temperature difference can be reduced.)
技术领域
本发明涉及铝合金制备技术领域，具体涉及一种纳米碳铝复合导热材料及其在制备高功率LED光源散热器中的应用。
背景技术
铝合金是以铝为基添加一定量其他合金化元素制备而成的合金；其具有高强度、导电、导热性能以及良好的铸造性能，因而在航天、航空、交通运输、建筑、机电等领域有着广泛的应用。
中国发明专利201611038514.1公开了一种导热铝合金及其应用，所述合金元素包括：5.0-11.0重量％的Si，0.4-1.0重量％的Fe，0.2-1.0重量％的Mg，小于0.1重量％的Zn，小于0.1重量％的Mn，小于0.1重量％的Sr和小于0.1重量％的Cu。所述的导热铝合金的抗拉强度不低于250MPa，屈服强度不低于150MPa，延伸率不低于3.5％，导热系数不低于150W/(m·K)。
中国发明专利201811532160.5公开了一种高导热率铝合金，高导热率铝合金含有下述组分，各组分的含量以重量百分比表示如下：Al为80～90％，Si为6.5～8.5％，Fe为0.2～0.5％，Zn为0.8～3％，V为0.03～0.05％，Sr为0.01～1％，石墨烯为0.02～0.08％。本发明的高导热率铝合金优化Si、Fe、Zn等合金元素，添加Sr、V、石墨烯等元素，控制各组分的含量，相互协调配合，得到具有高导热率、良好的铸造性能以及优良的半固态压铸性能。所述的高导热率铝合金中加入石墨烯，将石墨烯良好的热传导性应用到铝合金以获高导热率铝合金。
由此可见，现有技术通过将各种金属以及碳材料与铝进行复合，得到了具有高导热率的铝合金复合材料。
现有的铝合金复合材料其热膨胀系数大，容易受温度影响而发生变形；尤其是将其应用在温差较大的环境下，其更容易产生变形。因此，提供急需开发一种热膨胀系数小以及导热率较高的铝合金管复合材料。
发明内容
为了克服现有导热铝合金热膨胀系数大，容易受温度影响而发生变形的技术问题，本发明提供一种纳米碳铝复合导热材料；所述的纳米碳铝复合导热材料与现有的导热铝合金相比，具有较小的热膨胀系数。
本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种纳米碳铝复合导热材料，其包含如下重量份的原料：
铝 70～100份；硅 1～3份；铁 0.5～2份；锌 0.1～1份；锶 0.1-1份；铜 0.01～0.1份；碳纳米管 0.1～1份；钛酸铋或改性钛酸铋 15～30份。
在以铝、硅、铁、锌、锶以及铜为原料，制备纳米碳铝复合导热材料时，通过加入钛酸铋可以减小纳米碳复合导热材料的热膨胀系数，尤其是加入按本发明所述方法制备得到的改性钛酸铋，可以大幅减小纳米碳复合导热材料的热膨胀系数。
随着钛酸铋或改性钛酸铋的加入，纳米碳铝复合导热材料的导热性能有所降低，为了使得钛酸铋或改性钛酸铋对纳米碳铝复合导热材料的导热性能不产生影响，发明人经大量的实验表明，在加入钛酸铋或改性钛酸铋的同时，加入碳纳米管，可以有效的解决了随着钛酸铋或改性钛酸铋的加入纳米碳铝复合导热材料的导热性能降低的技术问题。
优选地，所述的纳米碳铝复合导热材料，其包含如下重量份的原料：
铝 80～90份；硅 2～3份；铁 1～2份；锌 0.1～0.5份；锶 0.1-0.5份；铜 0.05～0.1份；碳纳米管 0.1～0.5份；钛酸铋或改性钛酸铋 20～30份。
最优选地，所述的纳米碳铝复合导热材料，其包含如下重量份的原料：
铝 80份；硅 2份；铁 1份；锌 0.3份；锶 0.2份；铜 0.08份；碳纳米管 0.5份；钛酸铋或改性钛酸铋 20份。
优选地，所述的碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管。
优选地，所述的改性钛酸铋通过包含如下步骤的方法制备得到：
取钛酸铋50～70重量份、氧化镧10～30重量份以及五氧化二铌10～30重量份混合后进行球磨，得球磨粉体1；
将球磨粉体1在870～900℃下预烧20～40min；得预烧混合物；
将预烧混合物进行球磨，得球磨粉体2；所得的球磨粉体2即所述的改性钛酸铋。
进一步优选地，取钛酸铋60～70重量份、氧化镧20～30重量份以及五氧化二铌20～30重量份混合后进行球磨，得球磨粉体1。
最优选地，取钛酸铋60重量份、氧化镧20重量份以及五氧化二铌20重量份混合后进行球磨，得球磨粉体1。
优选地，将球磨粉体在870℃下预烧30min；得预烧混合物。
优选地，所述的球磨是指在球磨机中进行。
采用氧化镧以及五氧化二铌对钛酸铋进行改性，制备得到的改性钛酸铋与未改性的钛酸铋相比，可以进一步大幅降低纳米碳铝复合导热材料的热膨胀系数。
本发明还提供了一种上述纳米碳铝复合导热材料的制备方法，其包含如下步骤：
将铝熔融，然后加入硅、铁、锌、锶、铜，熔融后搅拌均匀，接着加入碳纳米管以及钛酸铋或改性钛酸铋搅拌均匀得合金液，最后将合金液除气、扒渣、浇铸即得所述的纳米碳铝复合导热材料。
本发明还提供了一种上述纳米碳铝复合导热材料在制备高功率LED光源散热器中的应用。
有益效果：本发明提供了一种全新组成的纳米碳铝复合导热材料，研究表明，在纳米碳铝复合导热材料的制备原料中加入钛酸铋可以降低纳米碳铝复合导热材料的热膨胀系数，尤其是加入由本发明全新方法制备得到的改性钛酸铋，其与未改性的钛酸铋相比，可以进一步大幅降低纳米碳铝复合导热材料的热膨胀系数。此外，在加入钛酸铋或改性钛酸铋的同时，加入碳纳米管，可以有效的解决了随着钛酸铋或改性钛酸铋的加入纳米碳铝复合导热材料的导热性能降低的技术问题。由于本发明所述的纳米碳铝复合导热材料具有较低的热膨胀系数以及较高的导热率，因此，将其应用于制备高功率LED光源散热器，可以提高高功率LED光源散热器的散热效率以及减少高功率LED光源散热器在温差较大的环境下使用发生变形的情况。
具体实施方式
以下结合具体实施例来进一步解释本发明，但实施例对本发明不做任何形式的限定。
实施例1纳米碳铝复合导热材料的制备
原料重量份组成：铝 80份；硅 2份；铁 1份；锌 0.3份；锶 0.2份；铜 0.08份；单壁碳纳米管 0.5份；钛酸铋 20份。
制备方法：将铝熔融，然后加入硅、铁、锌、锶、铜，熔融后搅拌均匀，接着加入单壁碳纳米管以及钛酸铋搅拌均匀得合金液，最后将合金液除气、扒渣、浇铸即得所述的纳米碳铝复合导热材料。
实施例2纳米碳铝复合导热材料的制备
原料重量份组成：铝 80份；硅 2份；铁 1份；锌 0.3份；锶 0.2份；铜 0.08份；单壁碳纳米管 0.5份；改性钛酸铋 20份；
所述的改性钛酸铋通过如下方法制备得到：(1)取钛酸铋60重量份、氧化镧20重量份以及五氧化二铌20重量份混合后放入球磨机中进行球磨，得球磨粉体1；(2)将球磨粉体1在870℃下预烧30min；得预烧混合物；(3)将预烧混合物放入球磨机中进行球磨，得球磨粉体2；所得的球磨粉体2即所述的改性钛酸铋。
制备方法：将铝熔融，然后加入硅、铁、锌、锶、铜，熔融后搅拌均匀，接着加入单壁碳纳米管以及改性钛酸铋搅拌均匀得合金液，最后将合金液除气、扒渣、浇铸即得所述的纳米碳铝复合导热材料。
实施例3纳米碳铝复合导热材料的制备
原料重量份组成：铝 70份；硅 3份；铁 2份；锌 0.1份；锶 0.1份；铜 0.01份；单壁碳纳米管 0.1份；改性钛酸铋 15份；
所述的改性钛酸铋通过如下方法制备得到：(1)取钛酸铋70重量份、氧化镧10重量份以及五氧化二铌20重量份混合后放入球磨机中进行球磨，得球磨粉体1；(2)将球磨粉体1在870℃下预烧30min；得预烧混合物；(3)将预烧混合物放入球磨机中进行球磨，得球磨粉体2；所得的球磨粉体2即所述的改性钛酸铋。
制备方法：将铝熔融，然后加入硅、铁、锌、锶、铜，熔融后搅拌均匀，接着加入单壁碳纳米管以及改性钛酸铋搅拌均匀得合金液，最后将合金液除气、扒渣、浇铸即得所述的纳米碳铝复合导热材料。
实施例4纳米碳铝复合导热材料的制备
原料重量份组成：铝 100份；硅 1份；铁 0.5份；锌 1份；锶 1份；铜 0.1份；单壁碳纳米管 1份；改性钛酸铋 30份；
所述的改性钛酸铋通过如下方法制备得到：(1)取钛酸铋50重量份、氧化镧30重量份以及五氧化二铌10重量份混合后放入球磨机中进行球磨，得球磨粉体1；(2)将球磨粉体1在870℃下预烧30min；得预烧混合物；(3)将预烧混合物放入球磨机中进行球磨，得球磨粉体2；所得的球磨粉体2即所述的改性钛酸铋。
制备方法：将铝熔融，然后加入硅、铁、锌、锶、铜，熔融后搅拌均匀，接着加入单壁碳纳米管以及改性钛酸铋搅拌均匀得合金液，最后将合金液除气、扒渣、浇铸即得所述的纳米碳铝复合导热材料。
对比例1纳米碳铝复合导热材料的制备
原料重量份组成：铝 80份；硅 2份；铁 1份；锌 0.3份；锶 0.2份；铜 0.08份。
制备方法：将铝熔融，然后加入硅、铁、锌、锶、铜，熔融后搅拌均匀，接着加入钛酸铋搅拌均匀得合金液，最后将合金液除气、扒渣、浇铸即得所述的纳米碳铝复合导热材料。
对比例2纳米碳铝复合导热材料的制备
原料重量份组成：铝 80份；硅 2份；铁 1份；锌 0.3份；锶 0.2份；铜 0.08份；改性钛酸铋 20份；
所述的改性钛酸铋通过如下方法制备得到：(1)取钛酸铋60重量份、氧化镧20重量份以及五氧化二铌20重量份混合后放入球磨机中进行球磨，得球磨粉体1；(2)将球磨粉体1在870℃下预烧30min；得预烧混合物；(3)将预烧混合物放入球磨机中进行球磨，得球磨粉体2；所得的球磨粉体2即所述的改性钛酸铋。
制备方法：将铝熔融，然后加入硅、铁、锌、锶、铜，熔融后搅拌均匀，接着加入改性钛酸铋搅拌均匀得合金液，最后将合金液除气、扒渣、浇铸即得所述的纳米碳铝复合导热材料。
对比例2与实施例2相比，对比例2中未加入单壁碳纳米管。
对比例3纳米碳铝复合导热材料的制备
原料重量份组成：铝 80份；硅 2份；铁 1份；锌 0.3份；锶 0.2份；铜 0.08份；单壁碳纳米管 0.5份；改性钛酸铋 20份；
所述的改性钛酸铋通过如下方法制备得到：(1)取钛酸铋60重量份以及五氧化二铌40重量份混合后放入球磨机中进行球磨，得球磨粉体1；(2)将球磨粉体1在870℃下预烧30min；得预烧混合物；(3)将预烧混合物放入球磨机中进行球磨，得球磨粉体2；所得的球磨粉体2即所述的改性钛酸铋。
制备方法：将铝熔融，然后加入硅、铁、锌、锶、铜，熔融后搅拌均匀，接着加入单壁碳纳米管以及改性钛酸铋搅拌均匀得合金液，最后将合金液除气、扒渣、浇铸即得所述的纳米碳铝复合导热材料。
对比例3与实施例2的区别在于，对比例3仅仅采用五氧化二铌对钛酸铋进行改性，而实施例2则是采用氧化镧以及五氧化二铌对钛酸铋进行改性。
对比例4纳米碳铝复合导热材料的制备
原料重量份组成：铝 80份；硅 2份；铁 1份；锌 0.3份；锶 0.2份；铜 0.08份；单壁碳纳米管 0.5份；改性钛酸铋 20份；
所述的改性钛酸铋通过如下方法制备得到：(1)取钛酸铋60重量份以及氧化镧40重量份混合后放入球磨机中进行球磨，得球磨粉体1；(2)将球磨粉体1在870℃下预烧30min；得预烧混合物；(3)将预烧混合物放入球磨机中进行球磨，得球磨粉体2；所得的球磨粉体2即所述的改性钛酸铋。
制备方法：将铝熔融，然后加入硅、铁、锌、锶、铜，熔融后搅拌均匀，接着加入单壁碳纳米管以及改性钛酸铋搅拌均匀得合金液，最后将合金液除气、扒渣、浇铸即得所述的纳米碳铝复合导热材料。
对比例4与实施例2的区别在于，对比例4仅仅采用氧化镧对钛酸铋进行改性，而实施例2则是采用氧化镧以及五氧化二铌对钛酸铋进行改性。
对比例5纳米碳铝复合导热材料的制备
原料重量份组成：铝 80份；硅 2份；铁 1份；锌 0.3份；锶 0.2份；铜 0.08份；单壁碳纳米管 0.5份；改性钛酸铋 20份；
所述的改性钛酸铋通过如下方法制备得到：取钛酸铋60重量份、氧化镧20重量份以及五氧化二铌20重量份混合均匀即得所述的改性钛酸铋。
制备方法：将铝熔融，然后加入硅、铁、锌、锶、铜，熔融后搅拌均匀，接着加入单壁碳纳米管以及改性钛酸铋搅拌均匀得合金液，最后将合金液除气、扒渣、浇铸即得所述的纳米碳铝复合导热材料。
对比例5与实施例2的区别在于，改性钛酸铋的制备方法不同，对比例5仅仅将氧化镧以及五氧化二铌与钛酸铋进行简单的混合；而实施例2则是先将氧化镧以及五氧化二铌与钛酸铋进行球磨，然后再预烧，最后再球磨。
将实施例1～4以及对比例1～5制备得到的纳米碳铝复合导热材料参照国标GB/T3651-2008中的方法测定其导热系数，参照GB/T4339-2008中的方法测定其热膨胀系数；测试结果见表1。
表1.本发明纳米碳铝复合导热材料性能测定
导热系数(W/(m·K))
热膨胀系数(×10<sup>-6</sup>/℃)
实施例1纳米碳铝复合导热材料
177
4.7
实施例2纳米碳铝复合导热材料
181
0.76
实施例3纳米碳铝复合导热材料
172
0.89
实施例4纳米碳铝复合导热材料
179
0.81
对比例1纳米碳铝复合导热材料
183
23.5
对比例2纳米碳铝复合导热材料
122
0.79
对比例3纳米碳铝复合导热材料
168
3.9
对比例4纳米碳铝复合导热材料
176
3.7
对比例5纳米碳铝复合导热材料
180
4.3
由实施例1和对比例1的性能测试数据可以看出；对比例1的热膨胀系数从23.5将至4.7，这说明，加入钛酸铋可以降低以铝、硅、铁、锌、锶以及铜为原料制备得到的纳米碳铝复合导热材料的热膨胀系数；同时，实施例1制备得到的纳米碳铝复合导热材料同时还具有优异的导热系数。
由实施例2～4的性能测试数据可以看出，其热膨胀系数与实施例1相比，进一步大幅降低，这说明加入采用本发明所述方法制备得到的改性钛酸铋，其与加入未改性的钛酸铋相比，可以进一步大幅降低纳米碳铝复合导热材料的热膨胀系数；其得到的纳米碳铝复合导热材料的热膨胀系数小于1。
由对比例2的性能测试数据可以看出，对比例2制备得到的纳米碳铝复合导热材料的导热系数与实施例2和对比例1相比，大幅降低，这说明，随着钛酸铋或改性钛酸铋的加入，纳米碳铝复合导热材料的导热性能有所降低；而在加入钛酸铋或改性钛酸铋的同时，加入碳纳米管，可以有效的解决了随着钛酸铋或改性钛酸铋的加入纳米碳铝复合导热材料的导热性能降低的技术问题。
由对比例3～4的性能测试数据可以看出，其热膨胀系数与实施例1相比并未得到进一步大幅降低，这说明，钛酸铋的改性原料的选择，对于能否得到能够大幅降低纳米碳铝复合导热材料热膨胀系数的改性钛酸铋起着十分关键作用；只有采用氧化镧以及五氧化二铌对钛酸铋进行改性，制备得到的改性钛酸铋才能大幅降低纳米碳铝复合导热材料的热膨胀系数；才能得到热膨胀系数小于1的纳米碳铝复合导热材料。
由对比例5的性能测试数据可以看出，其热膨胀系数与实施例1相比并未得到进一步大幅降低，这说明，改性钛酸铋的制备方法十分关键；只有先将氧化镧以及五氧化二铌与钛酸铋进行球磨，然后再预烧，最后再球磨制备得到的改性钛酸铋才能大幅降低纳米碳铝复合导热材料的热膨胀系数；而仅仅简单的将氧化镧以及五氧化二铌与钛酸铋混合制备得到的改性钛酸铋并不能大幅降低纳米碳铝复合导热材料的热膨胀系数。