[發明專利]一種片狀金剛石增強金屬基復合材料及制備方法

有效

• 申請號: 201510660439.1
• 申請日: 2015-10-12
• 公開（公告）號: CN105220049B
• 公開（公告）日: 2017-03-08
• 發明（設計）人: 馬莉;魏秋平;周科朝;余志明;李志友
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C22C26/00
• 分類號: C22C26/00;C22C49/14;C22C101/08;C22C121/02
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所43114
• 代理人: 顏勇

技術領域

本發明公開了一種片狀金剛石增強金屬基復合材料的制備方法，屬于復合金剛石材料制備技術領域。

背景技術

隨著現代電子信息技術的迅速發展，電子元器件的集成度與功耗不斷提高，散熱問題成為影響電子產品可靠性的關鍵因素之一。傳統的電子封裝材料的導熱率已經很難滿足現代電子器件散熱任務的需要。同時，電子產品向小型化、輕量化、復雜化的發展也對電子封裝材料提出了更高的要求。

近年來，以金剛石為增強相的金屬基復合材料，憑借其超高的熱導率，可調的熱膨脹系數，被譽為是第四代新型電子封裝材料。但從目前市場狀況來看，并沒有得到大規模應用。

金剛石顆粒增強金屬基復合材料遇到的最大問題是有效的導熱網絡的形成的困難，并且局限于金剛石顆粒間高的界面熱阻，因此往往需要填充大量的金剛石顆粒，才能夠使材料導熱性有小幅度地提高，且最后的導熱性遠遠低于金剛石的導熱性能。例如：金剛石粉/銅復合材料的熱導率多為200～600W/(m·K)，要遠低于金剛石。根據導熱理論，復合材料中基體與增強體之間存在串聯和并聯兩種分布狀態，金剛石顆粒增強銅基復合材料屬于串聯模式，金剛石粉在復合材料中的含量需要很高(通常在70％以上)才能獲得較高的導熱性能。2008年，俄羅斯Ekimov等人在金剛石顆粒質量分數達90～95％的極限條件下，高溫高壓燒結制備了一種新型的金剛石粉/銅復合材料，該復合型材料的基體為金剛石粉(粒徑范圍為0～500μm)，銅作為粘結劑使金剛石在高溫高壓下形成的連續骨架結構，該復合材料的熱導率最高可達920W/(m·K)。說明這種串聯模式，即使金剛石含量高達90％以上，由于晶粒間存在銅粘結相，金剛石之間無法形成連續導熱通道，使其熱導率遠低于金剛石。

德國科學家ThomasHutsch在文獻中闡述了通過粉末冶金法將石墨鱗片與銅進行混合，使用等離子體放電燒結制備石墨鱗片/銅復合材料的方法。所制備的復合材料呈各向異性，在垂直壓力方向的平面內展現出了較高的熱導率。當石墨鱗片的體積分數為50％時，所制備的復合材料在垂直壓力方向的平面上的熱導率為550W/(m·K)。WeidenfellerB等研究熱導填料填充聚丙烯時發現，復合材料的熱導率與填料的分布狀態有關。層狀云母易定向，當其含量為30％時，復合材料的熱導率可由0.27W/mk快速增加到2.7W/mk。摻雜石墨烯的復合材料導熱率只有0.4W/mk，而利用拉曼光譜儀測得的連續的石墨烯片層導熱率可達5000W/mk。

研究表明，高質量金剛石薄膜在其片層方向上的熱導率可達1000～2000W/(m·K)，較低的熱膨脹系數(1.0～2.0)×10^-6K。因此使用金剛石薄片作為增強相與高熱導的金屬基體進行復合所制備的復合材料有希望獲得超高的熱導率。化學氣相沉積金剛石膜是由含碳活性基團連續生長而成，金剛石晶粒間結合緊密。如能采用CVD金剛石薄片與高導熱金屬復合制備金剛石/金屬基復合材料，CVD金剛石薄片將構成連續的導熱通道，產生并聯式導熱。這種并聯結構的復合材料能大量消除傳統金剛石/金屬基復合材料傳熱時的熱阻界面，有望大幅提高其熱導性能。

本發明人課題組前期的發明專利CN102244051A公開了一種高性能定向導熱銅基金剛石復合材料及其制備方法：1)將金剛石棒插入銅基體的柱狀通孔中，并通過擠壓使銅基體發生塑性變形，從而使銅與金剛石棒完全接觸耦合；2)將金剛石棒插入銅基體的柱狀通孔中，再通過電沉積技術在銅片沿金剛石棒方向沉積銅，使銅完全包覆金剛石棒，與金剛石完全接觸耦合。該法制備的銅基金剛石復合材料具有較好的定向導熱性能，但由于其金剛石棒與基體金屬之間潤濕性極差，兩相界面結合不緊密，在金剛石棒與基體金屬之間的界面處形成了很大的熱阻，其熱導率還有待更進一步優化。

發明內容

本發明所要解決的第一個技術問題是提供一種能實現超高導熱的片狀金剛石增強金屬基復合材料。

本發明所要解決的第二個技術問題提供一種實現該超高導熱片狀金剛石增強金屬基復合材料的制備方法。

為解決上述第一個技術問題，本發明一種片狀金剛石增強金屬基復合材料，所述的復合材料是在基體金屬中設置有金剛石薄片，金剛石薄片與基體金屬為冶金結合。

本發明一種片狀金剛石增強金屬基復合材料，所述的金剛石薄片在基體金屬中相互平行設置，相對位置均勻排布或隨機排布。

本發明一種片狀金剛石增強金屬基復合材料，所述的金剛石薄片選自平板狀、波浪板狀、卷筒狀中的任意一種；所述的金剛石薄片為無孔薄片或多孔網板。