[發(fā)明專利]3D打印近凈成形制備金剛石/銅導(dǎo)熱復(fù)合材料零件的方法

有效

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• 申請日: 2017-12-20
• 公開（公告）號: CN109940156B
• 公開（公告）日: 2020-11-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭宏;張習(xí)敏
• 申請（專利權(quán)）人: 有研工程技術(shù)研究院有限公司
• 主分類號: B22D23/04
• 分類號: B22D23/04;C04B38/06;C04B35/52;C04B35/622;C04B35/63;C08L55/02;C08L23/08;C08K3/04;C08K3/32
• 代理公司: 北京北新智誠知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11100
• 代理人: 劉徐紅

本發(fā)明公開了一種利用3D打印近凈成形制備金剛石/銅導(dǎo)熱復(fù)合材料零件的方法，屬于金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域。本發(fā)明通過粘結(jié)劑將金剛石粉混合為均勻的凝膠狀漿料，利用3D打印技術(shù)制備金剛石/銅復(fù)合材料預(yù)制體，經(jīng)過固化，熱解碳化等工藝形成多孔的金剛石預(yù)制件，之后采用壓力熔滲技術(shù)對預(yù)制件進(jìn)行滲銅復(fù)合，從而得到性能良好的金剛石/銅復(fù)合材料。該方法特別適用于復(fù)雜形狀的近凈成形，大大提高了金剛石/銅復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性，加工性，降低了成本，拓展了金剛石/銅的應(yīng)用領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種利用3D打印近凈成形制備金剛石/銅導(dǎo)熱復(fù)合材料零件的方法，屬于金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著當(dāng)代電子產(chǎn)品體積向小型化發(fā)展，功率密度越來越高，越來越集中的電子元件使得散熱成為一個(gè)日益突出的問題，傳統(tǒng)熱傳導(dǎo)材料熱膨脹率大，導(dǎo)熱率低等缺點(diǎn)也相當(dāng)明顯，因此將金剛石等高導(dǎo)熱材料添加到傳統(tǒng)熱傳導(dǎo)材料中便可以制備出熱導(dǎo)率較高的復(fù)合熱傳導(dǎo)材料。其中又以金剛石/銅復(fù)合材料綜合性能最優(yōu)，然而反應(yīng)燒結(jié)的金剛石/銅復(fù)合材料零件以及制備過程中的金剛石預(yù)制體均存在形狀受限，后續(xù)加工不便的問題，因此有效提高金剛石/銅復(fù)合材料復(fù)雜形狀零件制備方法具有重要的實(shí)際意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于解決金剛石強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料零件中金剛石預(yù)制體空間結(jié)構(gòu)不易制備以及控制困難的問題，利用3D打印技術(shù)與壓力熔滲技術(shù)相結(jié)合，制備出空間結(jié)構(gòu)精確，形態(tài)尺寸變化靈活，組織致密的金剛石/銅復(fù)合材料零件，后期只需少量精加工，減少了材料的加工量、降低了成本。

一種3D打印近凈成形制備金剛石/銅導(dǎo)熱復(fù)合材料零件的方法，采用3D打印技術(shù)和壓力熔滲技術(shù)，包括以下步驟：

(1)根據(jù)零件尺寸，進(jìn)行零件的三維CAD建模，根據(jù)零件的三維CAD模型進(jìn)行分層處理并得到離散化的二維層片信息，對二維層片信息進(jìn)行輪廓填充，并輸出程序代碼；

(2)配置3D打印原料，3D打印原料由金剛石、ABS樹脂、磷酸鋁和增韌劑組成；

(3)將3D打印原料利用雙螺桿擠出機(jī)擠出加工成細(xì)棒；

(4)根據(jù)步驟(1)獲得的二維層片信息，使用3D打印機(jī)采用熔絲制造方法以步驟(3)中獲得的細(xì)棒為原料進(jìn)行逐層打印，從而獲得形狀復(fù)雜的預(yù)制體素坯；

(5)在真空熱解爐內(nèi)，惰性氣體氛圍中進(jìn)行預(yù)制體素坯的脫脂熱解碳化，得到多孔的預(yù)制體；

(6)通過真空壓力熔滲工藝將銅壓力浸滲至多孔的預(yù)制體中，得到致密的金剛石/銅導(dǎo)熱復(fù)合材料零件。

步驟(2)中，3D打印原料的質(zhì)量份組成為：金剛石50-65份，ABS樹脂20-35份，磷酸鋁1-5份，增韌劑5份，即金剛石:ABS樹脂:磷酸鋁:增韌劑的質(zhì)量比為(50-65):(20-35):(1-5):5。

所述的金剛石為金剛石粉，顆粒尺寸小于200μm。

常用的ABS增韌劑包括納米碳酸鈣、馬來酸酐、丙烯酸共聚物和短切碳纖維等，本發(fā)明中優(yōu)選采用乙烯丙烯酸甲酯共聚物(EMA)作為增韌劑，以有效提高ABS樹脂的抗沖擊性，耐應(yīng)力開裂性以及復(fù)合相容性能。

步驟(3)中，將步驟(2)中得到的3D打印原料利用雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行擠出加工成直徑為2-4mm的細(xì)絲，擠出后的細(xì)絲經(jīng)水冷，風(fēng)干后，制成500mm長的細(xì)棒；雙螺桿擠出機(jī)的直徑為15mm，長徑比為48:1，擠出溫度依次設(shè)定為一區(qū)200℃，二區(qū)210℃，三區(qū)220℃，四區(qū)225℃，五區(qū)225℃，機(jī)頭230℃。