高导热柔性石墨烯-铝复合热控带的真空焊接工艺优化与界面微结构调控

为解决航天器高发热器件散热需求，研究人员通过两步真空焊接（AgCu4.5Ti钎焊+Sn63Pb37软钎焊）实现石墨烯薄膜与6061铝合金的可靠连接，获得热导率达1345.52 W·m?1 ·K?1 的柔性热控带，突破传统金属热控带的导热与重量限制，为空间热管理提供新方案。

　　

随着航天器载荷功率的急剧提升，传统金属热控带（如铜、铝）因导热极限和重量问题难以满足高功率器件散热需求。石墨烯凭借超高热导率（>5000 W·m^?1
·K^?1
）和本征柔性成为理想替代材料，但其与金属的异质连接面临热膨胀系数失配、界面润湿性差等挑战。现有机械连接易损伤石墨烯层，而高温钎焊会引入残余应力。更棘手的是，石墨烯薄膜层间气体热膨胀会导致真空环境下分层失效。

北京理工大学团队在《Vacuum》发表研究，提出两步真空焊接法制备柔性石墨烯-铝复合热控带。首先采用AgCu4.5Ti活性钎料（1123 K/10 min）实现多层石墨烯薄膜的毛细渗透连接，界面形成AgCu4.5Ti/Cu(s,s)+Ag(s,s)/TiC/石墨烯的梯度结构；随后通过Sn63Pb37焊料（573 K/10 min）将镀Ni(P)的6061铝合金与石墨烯组件焊接，界面化合物随温度/时间演变为Ni₃
Sn₄
+Ni₃
P→Ni₂
SnP+Ni₂
P→Ni₂
SnP。研究结合SEM-EDS、TEM分析界面反应机制，并通过热性能测试验证器件效能。

关键技术方法

1. 真空钎焊：多层石墨烯薄膜在10^?3
   Pa真空下用AgCu4.5Ti钎料连接，抑制氧化与分层
2. 化学镀Ni(P)：6061铝合金表面沉积5 μm Ni(P)层以增强Sn63Pb37焊料润湿性
3. 梯度温度控制：钎焊（1123 K）与软钎焊（573 K）分步进行以降低热应力

研究结果

1. Multi sheets graphene films brazed using AgCu4.5Ti filler metal

   • EDS显示Ti元素在石墨烯界面富集形成50 nm厚TiC反应层（图4d），有效改善润湿性
   • 毛细填充实验表明1123 K/10 min时钎料渗透深度达300 μm，孔隙率<3%

2. Sn63Pb37/Ni(P)-deposited 6061 aluminum alloy soldering

   • 573 K/10 min条件下界面形成均匀Ni₂
     SnP层（图7c），剪切强度达28.7 MPa
   • 高温延长会导致Ni₂
     P相粗化，降低接头韧性

3. Flexibility and thermal performance analysis

   • 热导率测试显示轴向导热系数为纯铝的5.2倍（1345.52 vs 257 W·m^?1
     ·K^?1
     ）
   • 经过1000次弯曲循环（半径15 mm）后热阻仅增加7.3%

结论与意义
该研究通过界面微结构调控（TiC/Ni₂
SnP梯度设计）和真空工艺创新，解决了石墨烯-金属连接的热应力与可靠性难题。所制备的复合热控带兼具高导热（1345.52 W·m^?1
·K^?1
）和优异柔性，比传统金属热控带减重40%以上，为航天器热管理系统提供了革命性解决方案。特别值得注意的是，真空环境有效抑制了石墨烯层间气体膨胀导致的剥离现象，这一发现对二维材料在极端环境下的应用具有普适指导价值。