專利名稱：一種高導(dǎo)熱金剛石/鋁復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高導(dǎo)熱金屬基復(fù)合材料，具體地說，涉及的是一種高導(dǎo)熱金剛石/ 鋁復(fù)合材料的粉末冶金制備方法。
背景技術(shù)：
隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電子元器件的功率密度不斷增大，產(chǎn)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(dǎo)熱材料已經(jīng)不能滿足當(dāng)前電子技術(shù)快速發(fā)展的需要。開發(fā)具有更高熱導(dǎo)率的新型高導(dǎo)熱材料，將半導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量及時散掉，保證功率元件的正常工作溫度，已經(jīng)成為電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。金剛石/鋁復(fù)合材料不但具有高熱導(dǎo)、低膨脹的特點(diǎn)，而且其密度(2.9-3. 2g/cm3)也遠(yuǎn)低于其他常用的高導(dǎo)熱材料。因此，金剛石/鋁復(fù)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)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(kuò)散層能有效提高金剛石與鋁的界面結(jié)合， 提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率；另一方面，由于Al4C3呈脆性、與基體結(jié)合差、熱導(dǎo)率低、易潮解，過量Al4C3界面相的生成會惡化界面結(jié)合、降低復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。因此如何控制Al4C3界面相的生成，是制備高熱導(dǎo)金剛石/鋁復(fù)合材料的關(guān)鍵。相比于壓力浸滲、擠壓鑄造等液態(tài)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(yīng)，且工藝靈活，可根據(jù)應(yīng)用需求對增強(qiáng)體的含量進(jìn)行調(diào)整，因此在高導(dǎo)熱金剛石/鋁復(fù)合材料的生產(chǎn)和科研中得到了廣泛應(yīng)用。但是，在現(xiàn)有的粉末冶金技術(shù)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(jié)(Spark Plasma Sintering, SPS)等快速燒結(jié)技術(shù)對金剛石/招復(fù)合粉末進(jìn)行致密化，由于燒結(jié)時間太短、真空度較低(4-10Pa)，無法形成有效的界面結(jié)合，導(dǎo)致界面熱阻很高，因而不利于獲得具有較高熱導(dǎo)率的復(fù)合材料。此外，SPS等快速燒結(jié)專用設(shè)備價格昂貴，不但增加了制備成本，而且由于該設(shè)備工作區(qū)域較小，嚴(yán)重制約了所能制備的產(chǎn)品尺寸。對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，文獻(xiàn)“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(jié)制備金剛石/招復(fù)合材料顯微結(jié)構(gòu)和熱導(dǎo)率的影響)(Rare Metals. 28(2009)646-650)采用放電等離子體制備了體積分?jǐn)?shù)為50%的金剛石/鋁復(fù)合材料，燒結(jié)溫度為550°C，升溫與降溫速率分別為 100°C /分鐘和70°C /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(dǎo)率僅有325W/mK,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)期的理論值。文獻(xiàn)“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(jié)鍍鈦金剛石/鋁復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)和熱導(dǎo)率)采用放電等離子體燒結(jié)制備了體積分?jǐn)?shù)為40-60%金剛石/鋁復(fù)合材料，燒結(jié)溫度為550-620°C，升溫速率為100°C /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(dǎo)率也僅有124-325W/mK，雖然對金剛石進(jìn)行表面鍍鈦處理可使熱導(dǎo)率提高到433-491W/mK，仍然與預(yù)期值相差較大。因此，SPS等快速燒結(jié)技術(shù)的主要問題在于(1)升溫速度快，燒結(jié)時間短，真空度低，金剛石與鋁之間的互擴(kuò)散與界面反應(yīng)不充分，導(dǎo)致界面結(jié)合差，材料的熱導(dǎo)率低；(2)快速燒結(jié)設(shè)備昂貴，材料制備成本較高；
(3)快速燒結(jié)設(shè)備的工作區(qū)尺寸較小，所制備材料的尺寸受限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高導(dǎo)熱金剛石/鋁復(fù)合材料的粉末冶金制備方法，既能簡便制備大尺寸復(fù)合材料，又能對界面擴(kuò)散和反應(yīng)層進(jìn)行有效調(diào)控。 本發(fā)明采用真空熱壓燒結(jié)技術(shù)，通過改變燒結(jié)溫度和時間調(diào)控金剛石/鋁界面處的原子擴(kuò)散層厚度，使其既能實(shí)現(xiàn)良好的界面結(jié)合，又能獲得較低的界面熱阻，從而得到高導(dǎo)熱復(fù)合材料。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的首先將金剛石與鋁粉均勻混合，得到金剛石 /鋁復(fù)合粉末，然后冷壓或冷等靜壓得到金剛石/鋁粉末壓坯，再對壓坯進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)，通過燒結(jié)溫度與時間控制，使其在金剛石/鋁界面處產(chǎn)生合適厚度的原子擴(kuò)散層，冷卻后獲得高導(dǎo)熱金剛石/鋁復(fù)合材料。本發(fā)明包括以下步驟(I)將體積分?jǐn)?shù)為20-70%的金剛石與30-80%的鋁粉均勻混合，得到金剛石/鋁復(fù)合粉末；(2)對金剛石/鋁復(fù)合粉末進(jìn)行冷壓或冷等靜壓，得到金剛石/鋁粉末壓坯；(3)對金剛石/鋁粉末壓坯進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)，真空度為0. 5Pa以下，燒結(jié)溫度為 550-655°C，壓力為30-200MPa，時間為30-240分鐘，得到金剛石/鋁復(fù)合材料。在本發(fā)明中，所述的金剛石為顆粒狀，尺寸為5-600微米。在本發(fā)明中，所述的鋁粉為純鋁或者合金粉末。在本發(fā)明中，所述的鋁粉為球狀，尺寸為5-500微米。在本發(fā)明中，所述真空熱壓燒結(jié)過程中的升溫和降溫速率分別為(2_30°C )/分鐘和(0. 5-10。。)/分鐘。在本發(fā)明中，所述的原子擴(kuò)散層中可以有或者沒有碳化物生成。通過調(diào)控真空熱壓燒結(jié)的溫度和時間，可在金剛石與鋁基體之間形成0. 01-5. 0微米厚的原子擴(kuò)散層；在優(yōu)選的條件下，該原子擴(kuò)散層中靠近金剛石一側(cè)有微量碳化物，即Al4C3生成。在本發(fā)明的方法中，首先將金剛石與鋁粉混合后，直接通過冷壓或冷等靜壓獲得粉末壓坯，既能保證復(fù)合粉末的均勻分布狀態(tài)，又可避免復(fù)合粉末在熱壓燒結(jié)初期由于顆粒重排而產(chǎn)生金剛石的聚集；采用真空熱壓燒結(jié)技術(shù)，所用的真空度低(< 0. 5Pa)，外加壓力高(30-200MPa)，燒結(jié)溫度低(550_655°C )，燒結(jié)時間長(30-240分鐘)，升溫和降溫緩慢 (分別為2-30°C /分鐘和0. 5-10°C /分鐘)，整個過程為固相擴(kuò)散反應(yīng)燒結(jié)，易于通過控制燒結(jié)溫度和時間獲得合適厚度的金剛石/鋁界面的擴(kuò)散層。由于金剛石{100}晶面的碳原子向鋁中的擴(kuò)散能力遠(yuǎn)大于{111}，且{100}晶面的界面熱導(dǎo)是{111}的5倍，所以只有同時保證{111}晶面與鋁的有效界面結(jié)合，又不因過度反應(yīng)而損害{100}晶面的界面熱導(dǎo)，才能獲得理想的高熱導(dǎo)金剛石/鋁復(fù)合材料。在液相成型工藝過程中，由于處理溫度過高，使{100}與{111}晶面都會與鋁發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)，生成較厚的Al4C3界面層而惡化熱導(dǎo)； 粉末冶金中的SPS等快速燒結(jié)技術(shù)雖然處理溫度較低(一般低于基體金屬熔點(diǎn))，但其燒結(jié)時間很短(5-10分鐘)，使金剛石的{100}與{111}晶面的碳原子來不及向鋁中擴(kuò)散，金剛石與鋁無法形成有效的界面結(jié)合，導(dǎo)致復(fù)合材料的界面熱阻高、熱導(dǎo)率很低。采用本發(fā)明制備方法通過調(diào)控?zé)Y(jié)溫度與時間，能同時保證金剛石{100}與{111}晶面在鋁中有合適厚度的原子擴(kuò)散層，從而使材料具有良好的界面結(jié)合和較高的界面熱導(dǎo)。本發(fā)明所用的真空熱壓燒結(jié)設(shè)備在材料制備中應(yīng)用十分廣泛，其制備的試樣尺寸為5-200毫米，能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求范圍。此外，真空熱壓燒結(jié)過程中的升溫和降溫速率較低，可避免快速燒結(jié)過程中由于熱失配導(dǎo)致的較大界面應(yīng)力。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)(I)通過控制燒結(jié)溫度和時間可獲得合適厚度的原子擴(kuò)散與界面反應(yīng)層，制備的材料界面結(jié)合好，熱導(dǎo)率高；(2)無需購買昂貴的快速燒結(jié)設(shè)備，制備成本低；(3)制備工藝簡便靈活，易于制備大尺寸復(fù)合材料。


圖I真空熱壓燒結(jié)金剛石/鋁復(fù)合材料的工藝流程圖；圖2真空熱壓燒結(jié)金剛石/鋁復(fù)合材料的能譜分析圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施方案進(jìn)一步描述以下實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。以下實(shí)施例中所述的金剛石為顆粒狀，其粒度為70/80目，所用鋁粉為200 目99. 9%純鋁，真空度為0. 05Pa以下，外加壓力30_200MPa，升溫和降溫速率分別為 (2-30°C ) /分鐘和(0. 5-1CTC ) /分鐘。制備的樣品尺寸為切10 X 3.0mnti,并遵照圖I所不的工藝流程實(shí)施。材料的室溫?zé)釋?dǎo)率由公式入=a X P Xe計(jì)算得出，其中a為室溫?zé)釘U(kuò)散系數(shù)，采用德國耐馳公司LFA447設(shè)備通過激光閃射法在30°C測得，P為材料的密度， 采用阿基米德排水法測得，c為復(fù)合材料的比熱容。表I給出的是各實(shí)施例中的工藝參數(shù)和最終材料性能。表I實(shí)施例中的工藝參數(shù)和復(fù)合材料的最終性能
權(quán)利要求
1.一種高導(dǎo)熱金剛石/鋁復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，通過控制真空熱壓燒結(jié)溫度和時間，在金剛石/鋁界面處形成0. 01-5. 0微米厚的原子擴(kuò)散層，具體包括以下實(shí)施步驟(1)將體積分?jǐn)?shù)為20-70%的金剛石與30-80%的鋁粉均勻混合，得到金剛石/鋁復(fù)合粉末；(2)對金剛石/鋁復(fù)合粉末進(jìn)行冷壓或冷等靜壓，得到金剛石/鋁粉末壓坯；(3)對金剛石/鋁粉末壓坯進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)，真空度為0.5Pa以下，燒結(jié)溫度為 550-655°C，壓力為30-200MPa，時間為30-240分鐘，得到金剛石/鋁復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高導(dǎo)熱金剛石/鋁復(fù)合材料的制備方法，其特征在于 所述的原子擴(kuò)散層中沒有碳化物生成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高導(dǎo)熱金剛石/鋁復(fù)合材料的制備方法，其特征在于 所述的原子擴(kuò)散層中靠近金剛石一側(cè)有微量碳化物，即Al4C3生成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的一種高導(dǎo)熱金剛石/鋁復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述的金剛石為顆粒狀，尺寸為5-600微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的一種高導(dǎo)熱金剛石/鋁復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述的招粉為純招或者合金粉末。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的一種高導(dǎo)熱金剛石/鋁復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述的鋁粉為球狀，尺寸為5-500微米。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的一種高導(dǎo)熱金剛石/鋁復(fù)合材料的制備方法， 其特征在于所述真空熱壓燒結(jié)過程中的升溫和降溫速率分別為(2-30°C )/分鐘和 (0. 5-10 °C )/分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開一種高導(dǎo)熱金剛石/鋁復(fù)合材料的制備方法，首先將金剛石與鋁粉均勻混合，得到金剛石/鋁復(fù)合粉末，然后冷壓或冷等靜壓得到金剛石/鋁粉末壓坯，再對壓坯進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)，通過燒結(jié)溫度與時間控制，使其在金剛石/鋁界面處產(chǎn)生合適厚度的原子擴(kuò)散層，冷卻后獲得高導(dǎo)熱金剛石/鋁復(fù)合材料。本發(fā)明通過對真空熱壓燒結(jié)溫度和時間的調(diào)控，在金剛石/鋁界面處形成0.01-5.0微米厚的原子擴(kuò)散層，既能實(shí)現(xiàn)良好的界面結(jié)合，又能獲得較低的界面熱阻，從而得到高導(dǎo)熱復(fù)合材料。本發(fā)明工藝簡便易行，生產(chǎn)成本低，適于制備大尺寸復(fù)合材料。
文檔編號C22C1/05GK102534331SQ20121000568
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月10日
發(fā)明者張荻, 李志強(qiáng), 范根蓮, 譚占秋 申請人:上海交通大學(xué)