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石墨材料是由石墨骨架和孔隙组成的，具有密度小、耐高温、化学惰性、抗辐射、高导热、抗烧蚀、热膨胀系数小等一系列优异的性能。通过在多孔石墨的孔道内填充材料制备复合材料，以提高其机械性能和导热性能具有非常重要的意义。本论文在借鉴和总结前人工作的基础上，以“高导热石墨泡沫复合材料的制备及其热物理性能研究”为题，根据不同散热体系对材料热物理性能的要求，系统研究了石墨泡沫与金属、玻璃、石蜡等制备复合材料的热物理性能，并制备了密度可调节的多孔石墨。为改善石墨材料与金属的润湿性，防止界面反应的发生，用熔盐法、化学气相沉积、电镀等工艺在石墨材料基体上制备了碳化钼、碳化钛、碳化硅、镍、铜等镀层，并研究了这些涂层对石墨材料结构和性能的影响。主要研究内容包括：
⑴为了提高石墨泡沫的机械性能，改善石墨泡沫与金属的润湿性，通过改进的电镀工艺，在石墨泡沫上电镀了一层镍和铜。镍镀层可以极大地提高石墨泡沫的机械性能，降低石墨泡沫的电阻率。还可以改善石墨泡沫与铝的润湿性，防止界面反应的发生。镍涂层石墨泡沫可以在940 K的低温环境下完成金属铝的无压浸渗。电镀镍过渡层可用来改善石墨泡沫与铜的润湿性。连续的铜镀层可以保证石墨泡沫具有优异的机械性能和良好的导热能力。经过10分钟的镍电镀和16分钟的铜电镀，石墨泡沫密度由0.48 g/cm3增加到0.85 g/cm3，而热导率由81.6 W/m K增加到是100.2 W/m·K，石墨泡沫电阻率由22.4μΩ·m降至1.07μΩ·m，而孔隙率仅仅降低了4.2％。通过电镀工艺制得的铜涂层石墨泡沫具有优异的机械和导热性能，本身或经过浸渍相变储能材料都是很好的热沉材料。
⑵为改善石墨与铜的润湿性，利用熔盐法在石墨基体上沉积Mo2C涂层，并研究了涂层石墨与铜的润湿性。熔盐溶液可以浸渗到石墨基体数十微米并形成涂层，所制备的涂层改善了石墨与铜的润湿性。铜可以通过无压和真空浸渗到石墨基体内部，这就可以保证铜与石墨基体具有强界面结合，而界面结合力主要来源就是石墨骨架空间限制所产生机械结合力。利用上述的Mo2C涂层，制备了不同密度石墨泡沫/铜复合材料。探讨了石墨泡沫内外均涂覆Mo2C涂层的原理和涂层结构。通过无压浸渗工艺将液态铜浸渗到Mo2C涂层的石墨泡沫中，所制备的复合材料热导率达到268.4 W/m·K，而其平均热膨胀系数可以由纯铜的18.59×10-6/K降低至8.91×106/K。所制备的复合材料非常适合制备电子封装材料。经过298 K到973 K的一次热循环和298 K到473 K的30次热循环，复合材料的平均热膨胀系数降低到8.54×10-6/K，比原复合材料的热膨胀系数还要低，说明所制备的复合材料具有非常好的尺寸稳定性。
⑶金属与石墨复合时，因热膨胀系数相差太大，易产生巨大的热应力。本节使用低热膨胀系数的玻璃，制备了具有高热扩散系数(高热导率)和低且可调热膨胀系数的石墨泡沫/玻璃复合材料。微观结构分析表明，玻璃很好地分散在石墨泡沫的孔道内。界面处有很好的连续性，玻璃能够较好地分散并具有三维贯通的结构特点，为复合材料提供了将热量散出的良好通道。石墨泡沫中的石墨条带和泡沫壁利于复合材料热量的散出。复合材料(3.81 g/cm3)的热扩散系数达到了202.80mm2/S，是玻璃的483倍。石墨泡沫的石墨骨架结构产生的机械锁合可以很好地限制玻璃的热膨胀系数。复合材料的热膨胀系数可以通过调节石墨在复合材料的体积分数控制，其值可以在4.53到7.40×106K之间变化，这与半导体芯片及电子封装材料很好的吻合。复合材料有很好的热稳定性，经历10次303到423 K的热循环，热膨胀系数没有明显的变化。
⑷多数散热材料仅具有高导热，而不具备相变储热能力的缺点，所制备的复合材料不具备相变储能和快速热响应的能力。通过调节发泡压力、重复浸渍沥青、添加中间相炭微球等工艺制备了具有四类不同热导率、结构、性能的高密度中间相沥青基石墨泡沫。石墨泡沫与石蜡复合制备了具有快速热响应和高相变潜热的复合热沉材料。石墨泡沫的性能决定了最终石墨泡沫/石蜡复合材料的热扩散系数和热导率。高的发泡温度和浸渍沥青可以提高石墨泡沫的热导率，同时也能保证制备具有高热扩散能力的石墨泡沫/石蜡复合材料。添加中间相炭微球能够在较低的发泡压力下制备高密度的石墨泡沫，但是该成分导致所制备石墨泡沫具有低的热导率和小的孔径，从而使相应的石蜡基复合材料的热扩散能力降低。与石蜡热扩散系数(0.13 mm2/s)相比，所制备的四种复合材料的热扩散系数(206.42，179.10，226.59和99.80 mm2/s)分别提高了1588，1378，1743和768倍。复合材料的热导率达到了182.75 W/m·K，比目前通用铜/钨热沉材料(180 W/m·K，18 g/cm3)还高，但其密度仅为该材料的7.6%。相变潜热值与复合材料中石蜡的质量分数成正比关系。所制备的复合材料具有高的热传导能力、低密度和高相变潜热，是一类非常有前景的被动电子冷却材料。
⑸为提高上述复合材料中石墨的体积分数，提高石墨材料的机械强度，减缓制备复合材料过程中基体金属对石墨的腐蚀。通过添加高体积分数鳞片石墨制备了密度可调、热导率较高的石墨泡沫材料，该材料可以通过改变冷压压力及发泡压力调节各向异性。通过中间相沥青与鳞片石墨冷压后炭化石墨化，制备了密度较低、热导率较高的多孔石墨。这类材料为下一步制备高导热的铜基复合材料提供了更高密度的基体。通过化学气相沉积在石墨泡沫、石墨和纤维上制备了碳化硅涂层，研究了不同沉积工艺制备的碳化硅涂层形貌和厚度。深入探讨了沉积工艺对石墨泡沫结构和性能等的影响。碳化硅涂层明显地提高了石墨泡沫的机械性能，为下一步制备铝基复合材料提供了高强度的基体和合适的反应扩散阻挡层。用熔盐法制备了一层碳化钛涂层，该涂层对提高石墨泡沫的抗氧化烧蚀性能有一定的作用，可以作为石墨泡沫与金属反应的界面阻挡层。