一种非金属/金属/非金属三明治结构复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种非金属/金属/非金属三明治结构复合材料的制备方法，包括如下步骤：1)采用磁控溅射的方法在两片表面洁净的非金属基体表面沉积均匀的金属层；2)将两片非金属基体沉积有金属层的表面相对贴合并施加压力，在惰性气氛保护下加热，随后保温3～120min，随炉冷却至室温，得到非金属/金属/非金属三明治结构复合材料。本发明专利技术方法材料选材广泛，厚度可调，可根据需要制备具有不同功能特性的三明治结构材料，尤其是中间金属层可为难熔金属，在加热温度为金属层58％即可得到三明治结构，制备工艺简单、操作方便。

【技术实现步骤摘要】
一种非金属/金属/非金属三明治结构复合材料的制备方法
本专利技术属于复合材料
，具体涉及一种非金属/金属/非金属三明治结构复合材料的制备方法。
技术介绍
金刚石、氮化硅、碳化硅等无机材料具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，对其表面进行金属化处理后可应用于宇航、国防、核工业等领域。其中氮化铝(AlN)陶瓷具有优异的热传导性、高绝缘性、低介电常数，其作为基片材料，广泛应用与航天航空及其它智能功率系统，被认为是新一代高集成度半导体基片和电子器件封装的理想材料。随着电子、宇航、国防等
的迅猛发展，传统陶瓷基金属涂层复合材料不足以应对特殊化应用需求。将金属材料与非金属材料复合，得到类似三明治结构的材料，其结构、成分、层数等可设计性强，能满足各种特殊化应用需求。但目前市面上想要获得三明治结构复合材料一般采用胶粘的手段或者逐层制备的方法，胶粘会引入不需要的物质，并且制备的三明治结构材料耐高温性差、结合力差、非金属和金属衔接处有明显胶层界面，而逐层制备的方法效率低，很大程度上限制了三明治结构复合材料在航空航天、电子和核工业等领域的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于弥补现有技术的不足，提出一种非金属/金属/非金属三明治结构复合材料的制备方法，生产效率高，并且复合材料性能好。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种非金属/金属/非金属三明治结构复合材料的制备方法，步骤如下：1)采用磁控溅射的方法在两片表面洁净的非金属基体表面沉积均匀的金属层；2)将两片非金属基体沉积有金属层的表面相对贴合，用石墨夹具固定并施加压力，在惰性气氛保护下加热，当金属层熔点低于1000℃时，加热温度为金属层熔点温度±20℃，当金属层熔点≥1000℃时，加热温度为金属层熔点温度的58～100％，随后保温3～120min，随炉冷却至室温，得到非金属/金属/非金属三明治结构复合材料。按上述方案，步骤1)所述非金属基体熔点温度高于金属层，并且在金属层熔点温度结构稳定，选自AlN，SiC，金刚石，Si片，Al2O3，LiF，SiO2，云母，两片非金属基体相同或不同。按上述方案，步骤1)采用磁控溅射的方法在两片表面洁净的非金属基体表面沉积均匀的金属层，具体步骤为：a)将一对带有相同规格金属靶的溅射靶座对称设置在磁控溅射设备的沉积腔内，调节两个金属靶靶面间距为5～20cm；b)将两片表面洁净的非金属基体对称放置在沉积腔内的样品台上，两片非金属基体放置于两个金属靶座的中垂线上，抽真空达到所需本底真空度，然后向真空室内通入保护气体，调节气体流量为10～50sccm，真空室中的气压为0.1～10Pa，沉积过程中样品台以0～50r/min的速度自转使金属在非金属基体表面均匀沉积，采用直流磁控溅射方式在非金属基体表面溅射沉积金属层，得到两片表面沉积有金属层的双层材料。按上述方案，步骤b)所述保护气体选自氩气、氪气、氙气。按上述方案，步骤b)所述直流溅射功率为10～250W，直流溅射沉积时间为0.5～12h。按上述方案，步骤1)所述非金属基体厚度为10μm～1mm。按上述方案，步骤1)所述金属层熔点大于300℃。金属层材质可以为熔点较低的金属例如Al、Ag、Zn等，也可以为难熔金属例如V、W、Ta等。按上述方案，步骤1)所述金属层的厚度为0.1～50μm。按上述方案，步骤2)施加压力大小为50～200N。具体压力选取值根据所用具体基板厚薄和力学性能决定。本专利技术还包括根据上述方法制备得到的非金属/金属/非金属三明治结构复合材料。本专利技术的有益效果在于：(1)金属层材料和非金属层材料选材广泛，厚度可根应用需求进行调整，可根据需要制备具有不同功能特性的三明治结构材料，中间金属层可为任何熔点温度高于300℃的金属材料，尤其是中间金属层可为难熔金属，在加热温度为金属层58％即可得到三明治结构，避免中间金属层与上下非金属层基体高温下反应，上下非金属层基体可选自AlN、SiC、金刚石、Si片、Al2O3、LiF、SiO2、云母等非金属(且不限于这些提到的非金属基体)，上下非金属层可相同或不同。(2)本专利技术制备条件为真空环境，环境洁净，三明治结构不易受到污染，因此可获得纯度高、致密度高，且内部缺陷少的三明治结构。附图说明图1为本专利技术实施例1所得SiC/V/SiC三明治结构复合材料的断面SEM图；图2为实施例1所得SiC/V/SiC三明治结构复合材料中间金属层的XRD图；图3为实施例2所得C(金刚石)/Ti/C(金刚石)三明治结构复合材料的断面SEM图；图4为实施例3所得AlN/Ag/AlN三明治结构复合材料的断面SEM图。具体实施方式为了更好地理解本专利技术，下面结合实施例进一步阐明本专利技术的内容，但本专利技术的内容不仅仅局限于下面的实施例。实施例1一种SiC/V/SiC三明治结构复合材料，其制备方法包括以下步骤：1)将两块相同规格的V靶材(纯度99.95％，熔点1890℃)分别安装在两个相对放置的磁控溅射靶座上，调整靶面间距至13mm；2)选用两片SiC基板(厚度为1mm)为基体，依次将基板放入丙酮、酒精溶液中超声清洗，然后用去离子水冲洗，以氮气吹干；3)将经步骤2)处理的两片SiC基体对称放置在磁控溅射设备腔体内的圆形基片台上，两片非金属基体放置于两个金属靶座的中垂线上，基片台以10r/min自转，抽真空至本底真空度为2×10-4Pa；4)通入Ar气，调节气体流量计使气体流量稳定，并调整沉积腔中的气压，其中气体流量VAr为20sccm，压强PAr为1Pa；5)设定V靶溅射功率P为65W，打开V靶直流电源，开始沉积V膜，沉积1.5h后关闭V靶电源；6)停止通入Ar气，关闭磁控电源，得到两片V/SiC双层材料(V膜厚度为1μm)；7)使两片双层材料V膜层贴合并用石墨螺母件固定和施压(500N)，放入加热炉；8)对加热炉抽真空并通入Ar气作为保护气体后加热至1100℃并保温10min；9)停止加热，待加热炉自然冷却至室温后，关闭保护气体，即得到SiC/V/SiC三明治结构复合材料。本实施例所得SiC/V/SiC三明治复合材料的断面SEM图见图1，从图中可以观察到金属层V与上下SiC基体连接致密，钒中间层厚度约为2微米，金属层致密且未观察到缺陷，金属层厚度为2.01μm。对中间金属层进行XRD测试(图2)发现只检测出钒的特征衍射峰，表明高温下金属层与非金属层未发生反应，制备的三明治结构组成纯度高。实施例2一种C(金刚石)/Ti/C(金刚石)三明治结构复合材料，其制备方法包括以下步骤：1)将两块相同规格的Ti靶材(纯度99.95％，熔点1660℃)分别安装在两个相对放置的磁控溅射靶座上，调整靶面间距至15mm；2)选用两片C(金刚石)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非金属/金属/非金属三明治结构复合材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：/n1)采用磁控溅射的方法在两片表面洁净的非金属基体表面沉积均匀的金属层；/n2)将两片非金属基体沉积有金属层的表面相对贴合，用石墨夹具固定并施加压力，在惰性气氛保护下加热，当金属层熔点低于1000℃时，加热温度为金属层熔点温度±20℃，当金属层熔点≥1000℃时，加热温度为金属层熔点温度的58～100％，随后保温3～120min，随炉冷却至室温，得到非金属/金属/非金属三明治结构复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种非金属/金属/非金属三明治结构复合材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：
1)采用磁控溅射的方法在两片表面洁净的非金属基体表面沉积均匀的金属层；
2)将两片非金属基体沉积有金属层的表面相对贴合，用石墨夹具固定并施加压力，在惰性气氛保护下加热，当金属层熔点低于1000℃时，加热温度为金属层熔点温度±20℃，当金属层熔点≥1000℃时，加热温度为金属层熔点温度的58～100％，随后保温3～120min，随炉冷却至室温，得到非金属/金属/非金属三明治结构复合材料。


2.根据权利要求1所述的非金属/金属/非金属三明治结构复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)所述非金属基体熔点温度高于金属层，并且在金属层熔点温度结构稳定，选自AlN，SiC，金刚石，Si片，Al2O3，LiF，SiO2，云母，两片非金属基体相同或不同。


3.根据权利要求1所述的非金属/金属/非金属三明治结构复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)采用磁控溅射的方法在两片表面洁净的非金属基体表面沉积均匀的金属层，具体步骤为：
a)将一对带有相同规格金属靶的溅射靶座对称设置在磁控溅射设备的沉积腔内，调节两个金属靶靶面间距为5～20cm；
b)将两片表面洁净的非金属基体对称放置在沉积腔内的样品台上，两片非金属基体放置于两个金属靶座的中垂线上，抽真空达到所需本底真空度，然后向真空室内通入保护气体，调节气体流量为10～5...

【专利技术属性】
技术研发人员：章嵩，涂溶，张联盟，
申请(专利权)人：气相科技武汉有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42