[發明專利]一種高導熱金剛石/鋁復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201210005681.1
• 申請日: 2012-01-10
• 公開（公告）號: CN102534331A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 李志強;譚占秋;范根蓮;張荻
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C22C26/00
• 分類號: C22C26/00;C22C1/05
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

技術領域

本發明涉及一種高導熱金屬基復合材料，具體地說，涉及的是一種高導熱金剛石/鋁復合材料的粉末冶金制備方法。

背景技術

隨著電子技術的不斷發展，電子元器件的功率密度不斷增大，產生的熱量越來越多，同時其對于材料輕量化的要求也日益迫切，常用的導熱材料已經不能滿足當前電子技術快速發展的需要。開發具有更高熱導率的新型高導熱材料，將半導體產生的熱量及時散掉，保證功率元件的正常工作溫度，已經成為電子產業發展的關鍵。金剛石/鋁復合材料不但具有高熱導、低膨脹的特點，而且其密度(2.9-3.2g/cm³)也遠低于其他常用的高導熱材料。因此，金剛石/鋁復合材料是未來最具潛力的新型熱管理材料。

然而，在高溫下金剛石與鋁，尤其是液相鋁，易于發生化學反應生成Al₄C₃界面相。一方面，微量Al₄C₃界面相生成時所形成的界面擴散層能有效提高金剛石與鋁的界面結合，提高復合材料的熱導率；另一方面，由于Al₄C₃呈脆性、與基體結合差、熱導率低、易潮解，過量Al₄C₃界面相的生成會惡化界面結合、降低復合材料的導熱性能。因此如何控制Al₄C₃界面相的生成，是制備高熱導金剛石/鋁復合材料的關鍵。相比于壓力浸滲、擠壓鑄造等液態成型方法，粉末冶金制備過程所需的溫度比較低，可避免有害的界面反應，且工藝靈活，可根據應用需求對增強體的含量進行調整，因此在高導熱金剛石/鋁復合材料的生產和科研中得到了廣泛應用。但是，在現有的粉末冶金技術中，人們出于對高制備效率的追求，常采用放電等離子體燒結(Spark?Plasma?Sintering，SPS)等快速燒結技術對金剛石/鋁復合粉末進行致密化，由于燒結時間太短、真空度較低(4-10Pa)，無法形成有效的界面結合，導致界面熱阻很高，因而不利于獲得具有較高熱導率的復合材料。此外，SPS等快速燒結專用設備價格昂貴，不但增加了制備成本，而且由于該設備工作區域較小，嚴重制約了所能制備的產品尺寸。

對現有技術的文獻檢索發現，文獻“Effect?of?particle?size?on?the?microstructure?and?thermal?conductivity?of?Al/diamond?composites?prepared?by?spark?plasma?sintering”(顆粒尺寸對放電等離子體燒結制備金剛石/鋁復合材料顯微結構和熱導率的影響)(Rare?Metals.28(2009)646-650)采用放電等離子體制備了體積分數為50％的金剛石/鋁復合材料，燒結溫度為550℃，升溫與降溫速率分別為100℃/分鐘和70℃/分鐘，外加壓力30MPa，保壓時間5分鐘，所用真空壓力低于4Pa，制備的材料熱導率僅有325W/mK，遠遠低于預期的理論值。文獻“Thermal?conductivity?and?microstructure?of?Al/diamond?composites?with?Ti-coated?diamond?particles?consolidated?by?spark?plasma?sintering”(Journal?of?Composite?Materials，2011，DOI：10.1177/0021998311413689)(放電等離子體燒結鍍鈦金剛石/鋁復合材料的顯微結構和熱導率)采用放電等離子體燒結制備了體積分數為40-60％金剛石/鋁復合材料，燒結溫度為550-620℃，升溫速率為100℃/分鐘，外加壓力50MPa，保壓時間5分鐘，所用真空壓力低于10Pa，制備材料的熱導率也僅有124-325W/mK，雖然對金剛石進行表面鍍鈦處理可使熱導率提高到433-491W/mK，仍然與預期值相差較大。因此，SPS等快速燒結技術的主要問題在于：(1)升溫速度快，燒結時間短，真空度低，金剛石與鋁之間的互擴散與界面反應不充分，導致界面結合差，材料的熱導率低；(2)快速燒結設備昂貴，材料制備成本較高；(3)快速燒結設備的工作區尺寸較小，所制備材料的尺寸受限。

發明內容