一种超高热导率金刚石颗粒增强铝基复合材料的制备方法技术

本发明专利技术属于复合材料技术领域，提供了一种超高热导率金刚石颗粒增强铝基复合材料的制备方法。采用粒径为403～860μm单一粒径金刚石颗粒装填或者粒径为57～97μm较小金刚石颗粒与粒径为403～860μm较大金刚石颗粒的双粒径金刚石颗粒共同装填，利用气压浸渗法在750～800℃温度、0.5～2.0MPa压力和5～30min保压时间下制备金刚石/铝复合材料。本发明专利技术所制得的金刚石/铝复合材料具有优异的导热性能并且具有较小的密度，热导率高达1035W/mK，密度小于3.33g/cm

Fabrication of an Ultra-high Thermal Conductivity Diamond Particle Reinforced Aluminum Matrix Composite

【技术实现步骤摘要】
一种超高热导率金刚石颗粒增强铝基复合材料的制备方法
本专利技术属于复合材料
，特别涉及一种超高热导率金刚石颗粒增强铝基复合材料的制备方法。
技术介绍
随着电子技术的不断发展，电子元器件的集成度不断提高、功率密度不断增大，器件常因散热效率不高而导致失效。常用的电子封装材料如Al、Cu等金属虽然具有较高的热导率，但是热膨胀系数很大，与半导体芯片的热膨胀系数不匹配，在工作中由于温度变化产生热应力而导致器件失效；Kovar、Invar、W-Cu、SiCP/Al等电子封装材料具有低的热膨胀系数，但是热导率也较低，不能满足高功率电子器件的散热需求，因此急需发展新一代的高导热电子封装材料。金刚石的热导率高达2000W/mK，热膨胀系数仅为0.8×10-6/K，金刚石颗粒增强金属基复合材料具有较高的热导率、可调配的热膨胀系数以及可靠的机械性能，因此成为新一代电子封装材料的研究热点。金刚石颗粒增强铝基(金刚石/铝)复合材料是研究热点之一。文献采用放电等离子烧结、真空热压烧结、压力浸渗、气压浸渗等不同方法制备金刚石/铝复合材料，其中放电等离子烧结和真空热压烧结技术难以制备出高致密度、高金刚石体积分数和复杂形状的复合材料部件，所制备的金刚石/铝复合材料热导率为321～599W/mK[1,2]；压力浸渗虽然工艺流程简单、成本较低，但是制备出的复合材料热导率较低[3,4]；气压浸渗制备的金刚石/铝复合材料热导率可达760W/mK[5]，为文献报道最高值。目前，用于制备金刚石/铝复合材料的金刚石颗粒粒径小于400μm，金刚石体积分数低于70％，复合材料热导率远低于金刚石热导率，因此金刚石/铝复合材料的热导率仍有很大的提升空间。本专利技术提出使用粒径超过400μm金刚石颗粒以及双粒径金刚石颗粒混合物作为增强相提高金刚石体积分数，并利用气压浸渗法制备复合材料，突破了金刚石/铝复合材料热导率的文献报道最高值，获得具有超高热导率和低密度的金刚石/铝复合材料，有力推动金刚石/铝复合材料在热管理材料领域的应用。【参考文献】[1]Z.Q.Tan,Z.Q.Li,G.LFan,etal.Fabricationofdiamond/aluminumcompositesbyvacuumhotpressing:processoptimizationandthermalproperties,CompositesPartB:Engineering,2013,47:173-180.[2]Z.Q.Tan,Z.Q.Li,G.LFan,etal.Enhancedthermalconductivityindiamond/aluminumcompositeswithatungsteninterfacenanolayer,Materials&Design,2013,47:160-166.[3]P.W.Ruch,O.Beffort,S.Kleiner,etal.SelectiveinterfacialbondinginAl(Si)-diamondcompositesanditseffectonthermalconductivity,CompositesScienceandTechnology,2006,66:2677-2685.[4]W.S.Yang,G.Q.Chen,P.PWang,etal.Enhancedthermalconductivityindiamond/aluminumcompositeswithtungstencoatingsondiamondparticlespreparedbymagnetronsputteringmethod,JournalofAlloysandCompounds,2017,726:623-631.[5]Y.Zhang,J.W.Li,L.L.Zhao,etal.OptimisationofhighthermalconductivityAl/diamondcompositesproducedbygaspressureinfiltrationbycontrollinginfiltrationtemperatureandpressure,JournalofMaterialsScience,2015,50:688-696.
技术实现思路
本专利技术的目的就是克服现有技术的不足，提供一种超高热导率金刚石颗粒增强铝基复合材料的制备方法，通过将较大粒径金刚石颗粒或双粒径金刚石颗粒混合物作为增强相，利用气压浸渗法制备复合材料，获得具有超高热导率和低密度的金刚石/铝复合材料。本专利技术的技术方案为：一种超高热导率金刚石颗粒增强铝基复合材料的制备方法，通过将较大粒径金刚石颗粒或双粒径金刚石颗粒混合物作为增强相，利用气压浸渗法制备所述金刚石颗粒增强铝基复合材料。具体包括如下步骤：1)采用粒径为57～860μm的金刚石颗粒作为增强相；2)金刚石颗粒装填入型模中并振实，将装填好的型模放在石墨套筒中并将纯铝块放在型模上部，制成完整模具；3)将模具放置在连接有真空系统和增压充气系统的炉体中，对炉体抽真空，在真空条件下对步骤2)制得的模具进行加热并保温；4)进行熔渗处理，注入高纯氩气对炉内进行增压充气并保温保压，铝液在高压气体作用下渗入模具中的金刚石颗粒之间孔隙；5)冷至室温后取出模具脱模，即得金刚石/铝复合材料。进一步地，步骤2)所述金刚石颗粒装填要求为：粒径为403～860μm单一粒径金刚石颗粒装填或者粒径为57～97μm较小金刚石颗粒与粒径为403～860μm较大金刚石颗粒的双粒径金刚石颗粒共同装填；其中双粒径金刚石颗粒装填步骤为：先将较大金刚石颗粒装填入型模中并振实，然后将较小金刚石颗粒装填入已振实的型模中，得到装填有不同粒径金刚石颗粒的型模。进一步地，步骤3)所述真空度低于0.1Pa。进一步地，步骤3)所述模具加热温度为750～800℃，保温时间为5～30min。进一步地，步骤4)所述炉内气体压力为0.5～2.0MPa，在750～800℃下保压5～30min。与其他技术相比，本专利技术的突出优势为：1)在气压浸渗制备条件下，较高真空度能够有效抑制金属铝液氧化，并使金刚石颗粒与铝液直接接触；高压气体可以提供各向均匀的成型压力，使得金刚石颗粒在铝基体中均匀分布；控制保温时间可以促进金刚石与铝基体的界面反应，实现两相紧密结合，提高复合材料致密度，并有效提高复合材料热导率。2)将粒径超过400μm的金刚石颗粒作为增强相并利用气压浸渗法制备复合材料，所制备金刚石/铝复合材料由于金刚石粒径较大从而显著减少单位体积复合材料中的界面面积，降低复合材料界面热阻，使复合材料热导率达到780～854W/mK，金刚石体积分数达到69％，密度小于3.28g/cm3，满足航空航天领域大功率器件散热对高导热及轻量化热管理材料的迫切需求。3)将较大粒径金刚石颗粒与较小粒径金刚石颗粒的混合物作为增强相并利用气压浸渗法制备复合材料，可以显著提高金刚石体积分数至74～76％，所制备金刚石/铝复合材料的热导率高达1035W/mK，密度小于3.33g/cm3，满足航空航天领域大功率器件散热对高导热及轻量化管理材料的迫切需求。具体实施方式下文将详细描述本专利技术具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超高热导率金刚石颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)采用粒径为57～860μm的金刚石颗粒作为增强相；2)金刚石颗粒装填入型模中并振实，将装填好的型模放在石墨套筒中并将纯铝块放在型模上部，制成完整模具；3)将模具放置在连接有真空系统和增压充气系统的炉体中，对炉体抽真空，在真空条件下对步骤2)制得的模具进行加热并保温；4)进行熔渗处理，注入高纯氩气对炉内进行增压充气并保温保压，铝液在高压气体作用下渗入模具中的金刚石颗粒之间孔隙；5)冷至室温后取出模具脱模，即得金刚石/铝复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种超高热导率金刚石颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)采用粒径为57～860μm的金刚石颗粒作为增强相；2)金刚石颗粒装填入型模中并振实，将装填好的型模放在石墨套筒中并将纯铝块放在型模上部，制成完整模具；3)将模具放置在连接有真空系统和增压充气系统的炉体中，对炉体抽真空，在真空条件下对步骤2)制得的模具进行加热并保温；4)进行熔渗处理，注入高纯氩气对炉内进行增压充气并保温保压，铝液在高压气体作用下渗入模具中的金刚石颗粒之间孔隙；5)冷至室温后取出模具脱模，即得金刚石/铝复合材料。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所制备的复合材料中金刚石体积分数为69～76％。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)所述金刚石颗粒装填要求为：粒径为403～860μm单一粒径金刚石颗粒装...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海龙，李宁，王西涛，戴景杰，
申请(专利权)人：北京科技大学，青岛滨海学院，
类型：发明
国别省市：北京,11