一种泡沫骨架结构增强金属基复合材料及制备方法技术

一种泡沫骨架增强金属基复合材料及其制备方法，所述复合材料由泡沫骨架，表面强化材料与基体组成，泡沫骨架为泡沫金属或泡沫陶瓷或泡沫碳。表面强化材料为金刚石膜、石墨烯膜、碳纳米管等高导热材料。金属基体材料为铜、铝、铜合金、铝合金等。本发明专利技术制得的复合材料增强相与基体相在三维空间内保持连续分布，形成网络互穿结构，可有效弱化复合界面对材料热学性能的影响，既不降低金属基体良好塑韧性，又能使增强相成为一个整体，最大限度发挥增强体的导热效率，使复合材料的热导率、导电率及机械强度相比较传统复合材料有极大提高，是一种很有潜力的多功能复合材料。

【技术实现步骤摘要】


本专利技术公开了一种泡沫骨架结构增强金属基复合材料，属于复合材料制备


技术介绍

金刚石具有高导热率(室温可达2200W/mK)、超硬、耐磨等优异的物理性能。碳纳米管、石墨烯是近年来被发现的新型碳纳米材料，均具有高热导率和优异的电学、力学等性能。因此，将金刚石、石墨烯、碳纳米管单一相或混合相作为增强相与金属复合，可获得更为优异的导热、导电和力学性能，满足不同领域对导热、导电和力学性能的需求。
目前国内外主要研究思路是增加金刚石颗粒含量和改善金刚石颗粒/金属的复合界面，均取得了较好的效果。然而，此种复合结构中的金刚石颗粒(热导率1800-2200W/mK)犹如一座座由金属(Al-237W/mK、Cu-398W/mK)连接的导热孤岛，既增加了两相界面数量，又难产生协同作用，使金刚石优异的导热性能难以充分发挥。网络互穿结构，即增强相与基体相在空间都保持连续分布，从而可弱化复合界面对材料热学性能的显著影响，既能充分发挥增强相的高增强效率，又不降低金属基体在复合材料中的良好塑韧性。然而，对于传统的颗粒增强型复合材料，网络互穿结构的制备难度很大，尤其是非金属增强相网络结构的制备，高的脆性、高的模量和硬度导致其很难加工成型。
中国专利技术专利CN105112754A提出了一种三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料及制备方法，其中金属三维网络骨架衬底采用机械加工方法制备或采用金属线编织而成。然而，传统的机械加工方法属于多维加工，加工工序多，成本较高。此外，机械加工受制于传统机械加工手段和设备的束缚，对三维多孔骨架内部孔径、联通性的精细控制难度较大。采用金属线编织的方法，存在三维孔隙间含有缝隙，且工艺流程复杂等问题。

技术实现思路

本专利技术的目的在于克服现有金刚石颗粒增强金属基复合材料中的金刚石导热效率不高这一缺陷，通过化学气相沉积技术构建高导热泡沫骨架结构增强体，并与金属基体复合，变高导热孤岛为高导热通道，大幅度提升高导热材料在复合材料中的导热效率。
本专利技术一种泡沫骨架结构增强金属基复合材料，所述复合材料包括泡沫骨架、基体材料，所述泡沫骨架选自泡沫金属骨架或泡沫陶瓷骨架或泡沫碳骨架，所述基体材料选自金属材料。
本专利技术一种泡沫骨架结构增强金属基复合材料，所述金属基体选自金属铜、铝、镁、银、钛、钴、镍、钨、钼、钽、铌的一种或铜基合金、铝基合金、镁基合金、银基合金、钛基合金、钴基合金、镍基合金、钨基合金、钼基合金、钽基合金、铌基合金中的一种。
本专利技术一种泡沫骨架结构增强金属基复合材料，所述泡沫金属骨架选自泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛、泡沫钴、泡沫钨、泡沫钼、泡沫铬、泡沫铁镍、泡沫铝中的一种；所述泡沫陶瓷骨架选自泡沫A12O3、泡沫ZrO2、泡沫SiC、泡沫Si3N4、泡沫BN、泡沫B4C、泡沫AlN、泡沫WC、泡沫Cr7C3中的一种。
本专利技术一种泡沫骨架结构增强金属基复合材料，泡沫孔径为0.01-10mm，孔隙率40-99％，泡沫孔洞均匀分布或随机分布；泡沫骨架为平面结构或三维立体结构。
本专利技术一种泡沫骨架结构增强金属基复合材料，所述泡沫骨架表面设有强化层。
本专利技术一种泡沫骨架结构增强金属基复合材料，所述强化层选自金刚石膜、石墨烯膜、碳纳米管膜、金刚石/石墨烯膜、金刚石/碳纳米管膜、石墨烯/碳纳米管膜、金刚石/石墨烯/碳纳米管膜中的一种，强化层厚度为0.34nm-800微米。
本专利技术一种泡沫骨架结构增强金属基复合材料，强化层中，金刚石/石墨烯膜是指在金刚石表面原位生长石墨烯，且石墨烯垂直于金刚石表面形成石墨烯墙；
金刚石/碳纳米管膜是指在金刚石表面催化生长碳纳米管，且碳纳米管垂直于金刚石表面形成碳纳米管林；
石墨烯/碳纳米管膜是指在石墨烯表面催化生长碳纳米管，且碳纳米管垂直于石墨烯表面形成碳纳米管林；
金刚石/石墨烯/碳纳米管膜是指在金刚石表面原位生长石墨烯膜后再催化生长碳纳米管林，且石墨烯在金刚石表面铺展成膜，碳纳米管垂直于金刚石和石墨烯表面形成碳纳米管林。
本专利技术一种泡沫骨架结构增强金属基复合材料，基体材料中还添加有强化颗粒，强化颗粒选自高导热颗粒、超硬耐磨颗粒、导电颗粒中的至少一种；所述高导热颗粒选自金刚石粉、石墨烯、碳纳米管、石墨烯包覆金刚石微球、碳纳米管包覆金刚石微球、碳纳米管包覆石墨烯中的至少一种；超硬耐磨颗粒选自金刚石粉、SiC、TiC、TiN、AlN、Si3N4、Al2O3、BN、WC、MoC、Cr7C3中的至少一种；导电颗粒选自石墨、碳纳米管、石墨烯中的至少一种。
本专利技术一种泡沫骨架结构增强金属基复合材料，复合材料中，各组分的体积百分含量为：基体材料10-90％，泡沫骨架增强体5-80％，强化颗粒体积分数为0-30％，各组分之和为100％。
泡沫骨架增强体中，强化层体积分数为0.1-80％，泡沫骨架体积分数为0.1-20％。
本专利技术一种泡沫骨架结构增强金属基复合材料，在基体中，泡沫骨架以单体增强或多体阵列增强，所述多体阵列增强是指泡沫骨架以层片状平行分布或以柱状平行分布于基体中。
本专利技术一种泡沫骨架增强金属基复合材料的制备方法，是将泡沫骨架衬底清洗、烘干后，采用压力熔渗技术将泡沫骨架与金属基体复合。
本专利技术一种泡沫骨架增强金属基复合材料的制备方法，将泡沫骨架清洗、烘干后，采用化学气相沉积在泡沫骨架表面生长强化层金刚石膜、石墨烯膜、碳纳米管膜后，与金属基体复合；沉积参数为：
金刚石CVD沉积参数为：含碳气体质量流量百分比为0.5-10％；生长温度为600-1000℃，生长气压为103-104Pa。
石墨烯CVD沉积参数为：含碳气体质量流量百分比为0.5-80％；生长温度为400-1200℃，生长气压为5-105Pa；等离子电流密度0-50mA/cm2；沉积区域中磁场强度为100高斯至30特斯拉。
碳纳米管CVD沉积参数为：含碳气体质量流量百分比为5-50％；生长温度为400-1300℃，生长气压为103-105Pa；等离子电流密度为0-30mA/cm2；沉积区域中磁场强度为100高斯至30特斯拉；
或
将泡沫骨架衬底清洗、烘干后，采用化学气相沉积在泡沫骨架表面生长强化层金刚石/石墨烯膜、金刚石/碳纳米管膜、石墨烯/碳纳米管膜、金刚石/石墨烯/碳纳米管膜后，与金属基体复合；
沉积过程中在泡沫骨架衬底上施加等离子辅助生长，并通过在衬底底部添加磁场把等离子体约束在泡沫骨架近表面，强化等离子对泡沫骨架表面的轰击，提高化学气相沉积速度并控制沉积物生长方向；沉积工艺为：
金刚石/碳纳米管膜：首先，采用化学气相沉积技术在衬底表面沉积金刚石，沉积参数为：含碳气体质量流量百分比为0.5-10％；生长温度为600-1000℃，生长气压为103-104Pa；然后，在金刚石表面沉积碳纳米管，沉积参数为：含碳气体质量流量百分比为5-50％；生长温度为400-1300℃，生长气压为103-105Pa；等离子电流密度为0-30mA/cm2；沉积区域中磁场强度为100高斯至30特斯拉。
沉积金刚石/石墨烯膜：首先，采用化学气相沉积技术在衬底表面沉积金刚石，沉积参数为：含碳气体质量流量百分比为0.5-10％；生长温度为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种泡沫骨架结构增强金属基复合材料，其特征在于，所述复合材料包括泡沫骨架、基体材料，所述泡沫骨架选自泡沫金属骨架或泡沫陶瓷骨架或泡沫碳骨架，所述基体材料选自金属材料。

【技术特征摘要】
1.一种泡沫骨架结构增强金属基复合材料，其特征在于，所述复合材料包括泡沫骨架、基体材料，
所述泡沫骨架选自泡沫金属骨架或泡沫陶瓷骨架或泡沫碳骨架，所述基体材料选自金属材料。
2.根据权利要求1所述的一种泡沫骨架结构增强金属基复合材料，其特征在于，所述金属基体选自金
属铜、铝、镁、银、钛、钴、镍、钨、钼、钽、铌的一种或铜基合金、铝基合金、镁基合金、银基合金、
钛基合金、钴基合金、镍基合金、钨基合金、钼基合金、钽基合金、铌基合金中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种泡沫骨架结构增强金属基复合材料，其特征在于，所述泡沫金属骨架选
自泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛、泡沫钴、泡沫钨、泡沫钼、泡沫铬、泡沫铁镍、泡沫铝中的一种；所述泡沫
陶瓷骨架选自泡沫A12O3、泡沫ZrO2、泡沫SiC、泡沫Si3N4、泡沫BN、泡沫B4C、泡沫AlN、泡沫WC、泡
沫Cr7C3中的一种。
4.根据权利要求3所述的一种泡沫骨架结构增强金属基复合材料，其特征在于，泡沫孔径为0.01-10mm，
孔隙率40-99％，泡沫孔洞均匀分布或随机分布；泡沫骨架为平面结构或三维立体结构。
5.根据权利要求1所述的一种泡沫骨架结构增强金属基复合材料，其特征在于，所述泡沫骨架表面设
有强化层。
6.根据权利要求5所述的一种泡沫骨架结构增强金属基复合材料，其特征在于，所述强化层选自金刚
石膜、石墨烯膜、碳纳米管膜、金刚石/石墨烯膜、金刚石/碳纳米管膜、石墨烯/碳纳米管膜、金刚石/石墨
烯/碳纳米管膜中的一种。
7.根据权利要求6所述的泡沫骨架结构增强金属基复合材料，其特征在于，强化层中，金刚石/石墨烯
膜是指在金刚石表面原位生长石墨烯，且石墨烯垂直于金刚石表面形成石墨烯墙；
金刚石/碳纳米管膜是指在金刚石表面催化生长碳纳米管，且碳纳米管垂直于金刚石表面形成碳纳米管
林；
石墨烯/碳纳米管膜是指在石墨烯表面催化生长碳纳米管，且碳纳米管垂直于石墨烯表面形成碳纳米管
林；
金刚石/石墨烯/碳纳米管膜是指在金刚石表面原位生长石墨烯后再催化生长碳纳米管林，且石墨烯在
金刚石表面铺展成膜，碳纳米管垂直于金刚石和石墨烯表面形成碳纳米管林。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的泡沫骨架结构增强金属基复合材料，其特征在于，基体材料中还
添加有强化颗粒，强化颗粒选自高导热颗粒、超硬耐磨颗粒、导电颗粒中的至少一种；所述高导热颗粒选
自金刚石粉、石墨烯、碳纳米管、石墨烯包覆金刚石微球、碳纳米管包覆金刚石微球、碳纳米管包覆石墨
烯中的至少一种；超硬耐磨颗粒选自金刚石粉、SiC、TiC、TiN、AlN、Si3N4、Al2O3、BN、WC、MoC、
Cr7C3中的至少一种；导电颗粒选自石墨、碳纳米管、石墨烯中的至少一种。
9.根据权利要求8所述的泡沫骨架结构增强金属基复合材料，其特征在于，复合材料中，各组分的体
积百分含量为：基体材料10-90％，泡沫骨架增强体5-80％，强化颗粒体积分数0-30％，各组分体积百分
之和为100％。
10.根据权利要求7所述的泡沫骨架增强金属基复合材料，其特征在于，在基体中，泡沫骨架以单体
增强或多体阵列增强，所述多体阵列增强是指泡沫骨架以层片状平行分布或以柱状平行分布于基体中。
11.一种泡沫骨架增强金属基复合材料的制备方法，是将泡沫骨架衬底清洗、烘干后，采用压力熔渗
技术将泡沫骨架与金属基体复合。
12.根据权利要求11所述的一种泡沫骨架增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：将泡沫骨架
清洗、烘干后，采用化学气相沉积在泡沫骨架表面生长强化层金刚石膜、石墨烯膜、碳纳米管膜后，与金
属基体复合；沉积参数为：
金刚石CVD沉积参数为：含碳气体质量流量百分比为0.5‐10％；生长温度为600‐1000℃，生长气压
103‐104Pa。
石墨烯CVD沉积参数为：含碳气体质量流量百分比为0.5‐80％；生长温度为400‐1200℃，生长气压
5‐105Pa；等离子电流密度0‐50mA/cm2；沉积区域中磁场强度为100高斯至30特斯拉。
碳纳米管CVD沉积参数为：含碳气体质量流量百分比为5‐50％；生长温度为400‐1300℃，生长气压
103‐105Pa；等离子电流密度0‐30mA/cm2；沉积区域中磁场强度为100高斯至30特斯拉；
或<...

【专利技术属性】
技术研发人员：周科朝，魏秋平，马莉，余志明，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43