石墨是碳的一种同素异形体，属于六方晶系，具有片层内以共价键连接，片层间以范德华力连接的各向异性，具有导热、导电性好，热膨胀系数可调等优点，成为近年来最具有发展前景的新型热管理材料。然而片状石墨存在力学性能差、烧结工艺苛刻等缺点，大大限制其在电子、航空航天工业各个领域的应用。氮化铝（AlN）作为一种类金刚石的原子晶体，具有高热导、高强度以及与硅匹配的热膨胀系数等优异性能，常被应用于大规模集成电路和大功率电子器件的基板、封装材料。因此，本文以片状石墨为基体、AlN作增强相，通过等离子活化烧结制备出轻质、高强、高导热等综合性能优异的各向异性复合材料。
首先，选取不同AlN/石墨质量比的粉料为原料，并以添加3wt%　Y2O3、2wt%　Al2O3烧结助剂的样品作为对照组，以无水乙醇作为溶剂进行球磨过筛。随后，采用等离子活化烧结（PAS）装置对混合粉体在轴向压力50MPa、1650oC及保温5min的条件下烧结。研究了AlN/石墨配比、烧结助剂等因素对样品微观形貌以及力学、热学等性能的影响。对烧结所得AlN/石墨复合材料进行微观结构及性能表征发现，片状石墨在轴向压力的作用下沿垂直压力方向定向排列，而AlN陶瓷在片状石墨颗粒间以骨架形式存在，复合材料表现出明显的性能各向异性。随着AlN含量的增加，材料致密度逐渐升高，且强度也逐渐升高。同时，试样沿片层方向热导率、电导率明显高于垂直片层方向，二者几乎相差一个数量级。而添加Y2O3、Al2O3烧结助剂可促进烧结致密化，进而显著改善性能。综合比较发现，添加烧结助剂20wt%AlN/石墨复合材料的综合性能最优，其相对密度为93.86%，垂直于片层方向强度为89.82MPa，该方向热膨胀系数CTE为12.8×10-6K-1，沿片层热导率为180.25W?m-1?K-1、电导率为105Ω-1?m-1。
在确定最佳原料配比的基础上，继续研究了不同压力、温度等烧结工艺对材料微观形貌以及力学、热学等性能的影响，探寻最优烧结工艺。首先，在1650oC的烧结温度下，研究了不同烧结压力（30MPa~70MPa）对材料微观结构和性能的影响。结果发现，随着压力的增加，致密性、强度等性能逐渐改善。在70MPa压力下，获得沿片层方向105.31MPa的高强度及225.24W?m-1?K-1的高热导，得到大幅度提高。同时，石墨片沿该方向取向度为97.70%，高定向排列。随后，在70MPa的烧结压力下，研究了不同烧结温度（1350oC~1750oC）对材料微观结构和性能的影响。结果发现在1650oC以下，随着烧结温度的升高，材料的密度和力学性能逐渐提高，但温度超过1650oC后，材料的密度和力学性能出现下降。因此，最终获得1650oC、70MPa的最佳烧结工艺参数。在最优烧结工艺条件下，制备的20wt%AlN/石墨试样的取向度达97.70%，正面弯曲强度95.37MPa、侧面弯曲强度105.31MPa，且沿石墨片层方向热导可以达到225.24W?m-1?K-1。