[發(fā)明專利]一種超高導(dǎo)熱連續(xù)金剛石骨架增強(qiáng)復(fù)合材料及制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610162488.7
• 申請日: 2016-03-21
• 公開（公告）號: CN105695831B
• 公開（公告）日: 2017-10-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 馬莉;魏秋平;周科朝;余志明;李志友;張龍;葉文濤
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號: C22C26/00
• 分類號: C22C26/00;C23C16/27;C22C1/10;C22C1/05;C08G8/10;C08K9/02;C08K3/04;C08L63/00;C08L61/06
• 代理公司: 長沙市融智專利事務(wù)所43114
• 代理人: 顏勇

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于復(fù)合材料領(lǐng)域，特別涉及一種超高導(dǎo)熱連續(xù)金剛石骨架增強(qiáng)復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)

上世紀(jì)六十年代中期，英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾提出了著名的摩爾定律，即：當(dāng)價格不變時，集成電路上可容納的元器件數(shù)目約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦性能將每隔24個月翻一倍以上。這一定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。

這一定律所描述的趨勢已經(jīng)持續(xù)了超過半個世紀(jì)，指導(dǎo)著電子設(shè)備從實驗探索、材料設(shè)計，到成品生產(chǎn)、市場營銷的不斷發(fā)展。然而，近年來，摩爾定律似乎已經(jīng)開始面臨其物理極限。隨著集成電路中所包含電子元器件數(shù)目呈幾何指數(shù)的增長，邏輯運算速率的不斷飆升，其故障率也將大大提升。而故障率增大的主要原因之一便是大量電子元器件運行所產(chǎn)生的熱量無法及時散去，造成集成電路溫度上升。大規(guī)模集成電路的允許工作溫度范圍通常為0-70℃，可靠使用溫度范圍為0-40℃。半導(dǎo)體器件發(fā)熱面溫度上升到100℃時，性能開始下降，溫度由100℃每升高25℃時，故障率將增加5-6倍。傳統(tǒng)的散熱方式有很多，如：冷凍法、水循環(huán)冷卻、微型風(fēng)扇散熱等，但這些都不能從根本上解決散熱問題。開發(fā)出一種新型輕質(zhì)、低熱膨脹系數(shù)、超高導(dǎo)熱的電子封裝材料才是解決集成電路散熱問題的關(guān)鍵所在。

近年來，以金剛石增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料為代表的新一代電子封裝材料，憑借其極高的熱導(dǎo)率，可調(diào)的熱膨脹系數(shù)迅速成為研究熱點。現(xiàn)有的研究成果幾乎絕大多數(shù)都集中在金剛石顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，但所得到的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到預(yù)期。2004年，O.Beffort等采用傳統(tǒng)壓力熔滲法制備金剛石顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，但復(fù)合材料熱導(dǎo)率只有130W/(m·K)。而在之后的幾年里以粉末冶金工藝為核心，輔之以金剛石顆粒表面改性技術(shù)所制備的致密、高金剛石體含量的新型金剛石顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，其熱導(dǎo)率較之傳統(tǒng)熔滲工藝下的產(chǎn)品有了較大提升，可達(dá)500-900W/(m·K)，卻仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于金剛石的本征熱導(dǎo)率1400-2000W/(m·K)。

限制復(fù)合材料熱導(dǎo)率的主要因素有三：一、基體相與增強(qiáng)相的本征熱導(dǎo)率；二、增強(qiáng)相的體含量；三、基體相與增強(qiáng)相之間的界面熱阻。2008年，俄羅斯Ekimov等人在金剛石顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)90～95％的極限條件下，高溫高壓燒結(jié)制備了一種新型的金剛石粉/銅復(fù)合材料，該復(fù)合型材料的基體為金剛石粉(粒徑范圍為0～500μm)，銅作為粘結(jié)劑使金剛石在高溫高壓下形成的連續(xù)骨架結(jié)構(gòu)，在如此高的金剛石體積含量下，該復(fù)合材料的熱導(dǎo)率也只達(dá)到了900W/(m·K)，說明由于其晶粒間存在銅粘結(jié)相，金剛石之間無法形成連續(xù)導(dǎo)熱通道，銅粘結(jié)相與金剛石界面熱阻的存在嚴(yán)重影響了金剛石增強(qiáng)相的熱增強(qiáng)效應(yīng)。針對這一現(xiàn)狀，本發(fā)明提出了一種新型超高導(dǎo)熱連續(xù)金剛石骨架增強(qiáng)金屬基或聚合物基復(fù)合材料與其制備方法。

因此，改善增強(qiáng)相金剛石之間的結(jié)合界面，形成連續(xù)金剛石增強(qiáng)骨架，無疑可以提升金剛石增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。

至今為止，未見連續(xù)金剛石骨架增強(qiáng)金屬基或聚合物基復(fù)合材料的公開報道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)之不足而提供一種超高導(dǎo)熱連續(xù)金剛石骨架增強(qiáng)復(fù)合材料及制備方法，本發(fā)明制備的超高導(dǎo)熱連續(xù)金剛石骨架增強(qiáng)復(fù)合材料，結(jié)構(gòu)合理，基體中增強(qiáng)相由金剛石顆粒預(yù)制體通過CVD方法沉積金剛石膜或金剛石復(fù)合膜組成，使金剛石晶粒間形成強(qiáng)烈的化學(xué)鍵結(jié)合，界面熱阻小，有效提升復(fù)合材料熱導(dǎo)率。

本發(fā)明一種超高導(dǎo)熱連續(xù)金剛石骨架增強(qiáng)復(fù)合材料，所述復(fù)合材料由連續(xù)的金剛石增強(qiáng)體與基體材料組成，其中連續(xù)金剛石增強(qiáng)體由金剛石顆粒預(yù)制體通過CVD方法沉積金剛石膜或金剛石復(fù)合膜組成，金剛石復(fù)合膜為石墨烯包覆金剛石膜、碳納米管包覆金剛石膜，基體材料為金屬或聚合物。

本發(fā)明一種超高導(dǎo)熱連續(xù)金剛石骨架增強(qiáng)復(fù)合材料，所述連續(xù)金剛石增強(qiáng)體是將金剛石顆粒排列構(gòu)成金剛石預(yù)制體，然后，采用CVD法在構(gòu)成金剛石預(yù)制體的金剛石顆粒表明沉積金剛石膜或金剛石復(fù)合膜而得到。

本發(fā)明一種超高導(dǎo)熱連續(xù)金剛石骨架增強(qiáng)復(fù)合材料，金剛石預(yù)制體中，金剛石顆粒的排列方式包括片狀排布、塊狀排布或網(wǎng)絡(luò)排布；所述片狀排布是將金剛石顆粒分布在板狀襯底表面，所述網(wǎng)絡(luò)排布是將金剛石顆粒粘附在二維網(wǎng)絡(luò)襯底或三維網(wǎng)絡(luò)襯底上。