一种金刚石导热复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种金刚石导热复合材料及其制备方法。具体地，本发明专利技术公开了一种金刚石-金属复合材料及其制备方法，所述的复合材料包括金属基体以及分布于所述基体内部和/或表面的金刚石颗粒，其中至少部分或全部所述金刚石颗粒通过纳米晶须结合于所述金属基体。该复合材料具有高界面强度，高导热率、低热膨胀系数等优点，应用广泛。

【技术实现步骤摘要】
一种金刚石导热复合材料及其制备方法
本专利技术属于金刚石导热复合材料领域。具体地，本专利技术涉及一种金刚石导热复合材料及其制备方法。
技术介绍
随着电子工业的飞速发展，电子封装、组装的高密度、高速度化集成电路对封装材料的性能提出了更为严格的要求。目前，各种新型封装材料己成为各国竞相研发的热点。新型微电子封装材料不仅要有高的导热率,而且还必须具有与半导体材料相匹配的热膨胀系数。金刚石是自然界中导热率最高的已知物质，高品质单晶金刚石的导热率可达到2000W/(m·K)，且室温下金刚石是绝缘体，还具有介电常数低、热膨胀系数低等特点，但单一的金刚石不易制作成封装材料，且生产成本很高。较理想的是将其做成金属基复合材料。金属铜具有优良的导电性能和高的导热性能，它的热膨胀系数(CTE)为17×10-6K，导热率(TC)为400W/(m·K)，将金刚石与铜复合形成金刚石/铜复合材料，通过调节金刚石体积分数实现高热导和可调热膨胀，完全满足热管理材料的要求。然而金刚石-铜复合材料的制备难点在于：金刚石与铜的润湿性极差。在1150℃下金刚石与铜的浸润角为145°，它们之间高温没有固相反应发生，金刚石与铜难以烧结出致密的复合材料。人们为了增加金刚石颗粒与铜的界面结合性，通常采用是在金刚石颗粒表面镀铜，或沉积金属碳化物薄膜方式来完成，而最终形成的界面仍为面-面接触的二维界面结构，界面强度等性能仍有欠缺。因此，本领域急需研发一种界面强度强、热性能优异的金刚石与金属的复合材料。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种界面强度强、热性能优异的金刚石与金属的复合材料。本专利技术的另一目的是提供一种操作简便的上述复合材料的制备方法。在本专利技术第一方面中，提供了一种高热导性能的金刚石-金属复合材料，所述的复合材料包括金属基体以及分布于所述基体内部和/或表面的金刚石颗粒，其中至少部分或全部所述金刚石颗粒通过纳米晶须结合于所述金属基体。在另一优选例中，所述的结合为化学键结合。在另一优选例中，所述的纳米晶须为硼纳米晶须或氮化硼纳米晶须。在另一优选例中，所述的高导热性能的金刚石-金属复合材料具有如下一种或多种特征：(a)密度为6-8.5g/cm3；和/或(b)导热率≥400W/m·K；和/或(c)热膨胀系数≤15μm/m·K。在另一优选例中，所述的纳米晶须具有如下特征：(i)直径为1-5000nm；和/或(ii)长度为0.1–300μm；和/或(iii)在金刚石颗粒表面的密度为1–10000个/μm2。在另一优选例中，所述的金刚石颗粒的粒径为0.1-1000μm。在另一优选例中，所述金刚石颗粒的粒径为10μm-400μm；更佳地为50μm-350μm。在另一优选例中，所述的金属基体包括：铜、铝、银、或它们的合金。在另一优选例中，所述的金刚石-金属复合材料按如下方法制得：(1)在金刚石颗粒表面原位生长纳米晶须，从而形成金刚石－纳米晶须复合体；以及(2)将步骤(1)的金刚石－纳米晶须复合体与金属基体进行烧结处理，从而形成所述的金刚石-金属复合材料。在本专利技术的第二方面中，提供了一种金刚石-金属复合材料的制备方法，包括步骤：(1)在金刚石颗粒表面原位生长纳米晶须，从而形成金刚石－纳米晶须复合体；以及(2)将步骤(1)的金刚石－纳米晶须复合体与金属基体进行烧结处理，从而形成本专利技术第一方面所述的金刚石-金属复合材料。在另一优选例中，所述的金属基体包括：铜、铝、银、或它们的合金；和/或所述的纳米晶须为硼纳米晶须或氮化硼纳米晶须。在另一优选例中，所述的金属基体为粉末状的。在另一优选例中，在步骤(2)中，按金刚石－纳米晶须复合体与金属基体的总重量计算，金属基体的质量分数为10–90%。在另一优选例中，所述步骤(1)包括步骤：(1.1)提供包含金刚石颗粒、硼原料和金属催化剂的混合物；(1.2)在真空中、或在氢气、氩气、或其组合气体的还原性气氛或惰性气氛中，将步骤(1.1)的混合物进行加热反应，从而形成金刚石－硼纳米晶须复合体；以及任选地(1.3)将步骤(1.2)获得的金刚石－硼纳米晶须复合体在氮气或氨气中进行加热反应，从而形成金刚石－氮化硼纳米晶须复合体；或所述步骤(1)包括步骤：(1-1)提供包含金刚石颗粒、硼原料和金属催化剂的混合物；和(1-2)在氮气或氨气中，将步骤(1-1)的混合物进行加热反应，从而形成金刚石－氮化硼纳米晶须复合体。在另一优选例中，所用的硼原料为粉末状或液态；和/或所用的硼原料包括单质硼和硼化合物(较佳地，所述的硼化合物包括硼酸)。在另一优选例中，所述步骤(1.1)或步骤(1-1)中，按混合物总重量计算，硼原料的质量分数为1－15wt％；较佳地为5－10wt％。在另一优选例中，所述的金属催化剂为铜、金、镍、铂、或它们的合金。在另一优选例中，所述步骤(1.1)或步骤(1-1)中，按混合物总重量计算，金属催化剂的质量分数为10-90wt％；较佳地为20-85wt％；更佳地为30－75wt％。在另一优选例中，上述各个步骤中，所述的加热反应在800-1150℃下进行；和/或所述的加热反应在压力为1Pa–120kPa的气氛下进行。在另一优选例中，所述步骤(2)为：在800–1150℃下,在10–150MPa下，将步骤(1)的金刚石－纳米晶须复合体与金属基体进行烧结处理，从而形成金刚石-金属复合材料。在本专利技术第三方面中，提供了一种制品，包含本专利技术第一方面所述的金刚石-金属复合材料。在本专利技术第四方面中，提供了本专利技术第一方面所述的金刚石-金属复合材料的用途，用于机械制品、复合材料或电子元器件。应理解，在本专利技术范围内中，本专利技术的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。附图说明图1显示了金刚石颗粒表面原位生长的氮化硼纳米晶须后与铜基体结合的示意图。首先在金刚石颗粒表面预处理生长出氮化硼纳米晶须，提高了金刚石颗粒的表面面积，然后将生长有氮化硼纳米晶须的金刚石颗粒与铜混合制备金刚石-铜复合材料。图2为金刚石颗粒表面生长氮化硼晶须扫描电子显微图，图2A为金刚石颗粒表面硼纳米线5000倍显微图片；图2B为金刚石颗粒表面硼纳米线20000倍显微图片。图3为一个氮化硼晶须的透射电子显微镜图(如图3A)和相应的电子衍射图(如图3B)。具体实施方式本专利技术人经过广泛而深入的研究，意外地发现一种高热导性能的金刚石-金属复合材料，其包括金属基体以及分布于所述基体内部和/或表面的金刚石颗粒，其中至少部分或全部所述金刚石颗粒通过纳米晶须结合于所述金属基体。其中纳米晶须的存在显著改善了金刚石与金属的界面强度，使得该复合材料具有高导热率、热膨胀系数可控等优点。将在此基础上，专利技术人完成了本专利技术。金刚石－纳米晶须复合体本专利技术的金刚石－纳米晶须复合体包括金刚石颗粒以及结合(通过化学键结合)于所述金刚石颗粒表面的纳米晶须。纳米晶须如本文所用，本专利技术的纳米晶须包括：硼纳米晶须和氮化硼纳米晶须等。优选地，本专利技术的纳米晶须具有以下特征：(i)直径为1-5000nm(较佳地为1～500nm；更佳地为5～100nm)；和/或(ii)长度为0.1–300μm(较佳地为1～300μm；更佳地为10～100μm)和/或(iii)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高热导性能的金刚石‑金属复合材料，其特征在于，所述的复合材料包括金属基体以及分布于所述基体内部和/或表面的金刚石颗粒，其中至少部分或全部所述金刚石颗粒通过纳米晶须结合于所述金属基体。

【技术特征摘要】
1.一种高热导性能的金刚石-金属复合材料，其特征在于，所述的复合材料包括金属基体以及分布于所述基体内部和/或表面的金刚石颗粒，其中至少部分或全部所述金刚石颗粒通过纳米晶须结合于所述金属基体；并且，所述的纳米晶须为氮化硼纳米晶须；并且，所述金刚石-金属复合材料的导热率≥700W/m·K；并且，所述的纳米晶须具有如下特征：(i)直径为1-5000nm；和/或(ii)长度为0.1–300μm；和/或(iii)在金刚石颗粒表面的密度为1–10000个/μm2；并且所述金刚石-金属复合材料是如下制备的：(1)在金刚石颗粒表面原位生长纳米晶须，从而形成金刚石－纳米晶须复合体；以及(2)将步骤(1)的金刚石－纳米晶须复合体与金属基体进行烧结处理，从而形成所述的金刚石-金属复合材料；并且，所述步骤(1)包括步骤：(1-1)提供包含金刚石颗粒、硼原料和金属催化剂的混合物；和(1-2)在氮气或氨气中，将步骤(1-1)的混合物进行加热反应，从而形成金刚石－氮化硼纳米晶须复合体；并且，所述的加热反应在压力为1Pa–120kPa的气氛下进行。2.如权利要求1所述的金刚石-金属复合材料，其特征在于，所述的氮化硼纳米晶须是结晶化的。3.如权利要求1所述的金刚石-金属复合材料，其特征在于，所述的高导热性能的金刚石-金属复合材料具有如下一种或多种特征：(a)密度为6-8.5g/cm3；和/或(b)热膨胀系数≤15μm/m·K。4.如权利要求1所述的金刚石-金属复合材料，其特征在于，所述的金刚石颗粒的粒径为0.1-1000μm。5.如权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：江南，张文武，白华，戴丹，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33