5G基站用高强韧高导热易焊接铝基复合材料及制备方法技术

本发明专利技术涉及铝基复合材料，特指5G基站用高强韧高导热易焊接铝基复合材料及制备方法。本发明专利技术通过化学成分设计、原位纳米颗粒强化、细化，稀土微合金化技术以及开发设计的电磁超声调控双辊连铸轧装置，制备5G基站用高强韧高导热易焊接的铝基复合材料带材。采用本技术制备的复合材料带材，晶粒细小、晶内包含纳米稀土析出相、晶界包含高导热的原位纳米陶瓷颗粒，显著提高合金室温强韧性和导热性的同时，由于低熔点的合金成分设计和晶粒显著细化导致的晶界含量提高、有效提高了合金带材的叠轧冷焊性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
5G基站用高强韧高导热易焊接铝基复合材料及制备方法


[0001]本专利技术涉及铝基复合材料，特指5G基站用高强韧高导热易焊接铝基复合材料及制备方法。

技术介绍

[0002]随着第五代移动通信技术(5G技术)的发展和应用，5G基站有源天线单元的功耗是4G基站的3倍(单个达到了1300W)，高功耗对散热基板材料导热率和设计制造的要求也越来越高。当前吹胀型铝质散热基板是一种新型的相变高效散热结构，通过流道印刷、叠轧冷焊、吹胀成型等工艺制造出中空铝质板壳，然后通过相变工作介质真空灌注和焊接密封来制备基板，其导热系数可达50000W/(m*K)，为传统铜质/铝质挤压型散热基板的5
‑
10倍，是在5G基站上的全新应用。然而，常用的3003铝合金的强度和导热系数偏低，且叠轧冷焊后相变工作介质型腔气密性低，成为当前吹胀型散热基板用铝材面临的主要问题。
[0003]通过成分调控提高合金强度，通过晶粒细化和升高叠轧冷焊温度提高气密性，是当前提高吹胀型铝质散热基板性能和成品率的主要方法。申请号为“CN201910691412.7”的专利技术专利报道了“一种吹胀式水冷板及所用复合板材的制备方法”，此方法通过Mn、Fe、Cu的成分调整提高合金的强度，通过Ti元素的调控细化合金晶粒，通过严格的温度和时间控制提高基本的叠轧冷焊性和成品率；然而，大量合金元素的引入会降低合金的导热性、耐蚀性和塑韧性，单一Ti元素细化晶粒能力有限，高的叠轧温度导致晶粒极速长大，对合金的导热性、成形性不利。因此，开发新型5G基站吹胀型散热基板用铝材及制备技术迫在眉睫。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是针对现有技术的不足，提出了5G基站用高强韧高导热易焊接铝基复合材料及制备方法。其特征在于通过化学成分设计、原位纳米颗粒强化、细化，稀土微合金化技术以及开发设计的电磁超声调控双辊连铸轧装置，制备5G基站用高强韧高导热易焊接的铝基复合材料带材。
[0005]所述的5G基站用高强韧高导热易焊接铝基复合材料，其特征在于，本专利技术通过化学成分设计、原位纳米颗粒强化、细化，稀土微合金化技术以及开发设计的电磁超声调控双辊连铸轧装置，制备5G基站用高强韧高导热易焊接的铝基复合材料铸轧带材。铝基复合材料铸轧带材包含以下成分(质量百分比):Si 1.0
‑
1.5，Fe 0.6
‑
1.0，Cu 0.05
‑
0.2，Mn 1.0
‑
2.0，Zr 0.5
‑
1.0，Ti 0.5
‑
1.0，B 0.5
‑
2.0，O 0.2
‑
1.0，Er 0.05
‑
0.3，Sc 0.05
‑
0.3，Y 0.1
‑
0.5，Zn≤0.5，Mg≤0.5，Cr≤0.5，其余为Al。
[0006]所述的5G基站用高强韧高导热易焊接铝基复合材料，其特征在于：所述的化学成分设计，是在传统散热基板用3003铝合金的基础提高Si的含量至1.0
‑
1.5wt.％，以进一步降低合金的熔点，同时在合金中添加Zr、Ti、B、O、Er、Sc、Y，以实现原位纳米颗粒强化、细化，稀土微合金化，细化基体晶粒、提高合金的强韧性和叠轧可焊性。
[0007]所述的5G基站用高强韧高导热易焊接铝基复合材料，其特征在于：所述的原位纳
米颗粒强化、细化，是通过原位反应粉末与Al熔体反应生成高硬度、高导热、低膨胀的纳米ZrB2、Al2O3、TiB2陶瓷颗粒。一方面，纳米陶瓷颗粒可以作为α
‑
Al的异质形核核心，显著细化基体晶粒，且在最终分布于晶内/晶界，通过与位错的交互作用提高复合材料的强韧性；另一方面，原位合成的纳米陶瓷颗粒高效细化基体晶粒，显著提高晶界含量，降低叠轧冷焊温度。所述的纳米颗粒尺寸为10
‑
100nm，纳米颗粒含量为复合材料体积的1
‑
15％。所述的原位反应粉末为Co3O4，K2ZrF6，K2TiF6，KBF4，Na2B4O7，ZrO2，B2O3和Al2(SO4)3中的两种至多种。
[0008]所述的5G基站用高强韧高导热易焊接铝基复合材料，其特征在于：所述的稀土微合金化是在复合材料中复合添加Sc，Er和Y稀土元素，与Al和Zr元素在基体晶粒内形成弥散的纳米Al3Er、Al3Sc、Al3(Er+Zr)、Al3(Sc+Zr)、Al3Y稀土析出相，显著提高复合材料的强度和加工硬化能力，并获得良好的延展性；同时稀土元素的加入还可净化熔体、消除气孔夹杂、改善原位纳米陶瓷颗粒的润湿性、促进原位纳米陶瓷颗粒球化，实现了原位纳米陶瓷颗粒与稀土元素的协同耦合强韧化。
[0009]所述的5G基站用高强韧高导热易焊接铝基复合材料，其特征在于：所述铝基复合材料铸轧带材的晶粒≤60μm，抗拉强度≥250MPa，屈服强度≥120MPa，延伸率≥20％。
[0010]所述的5G基站用高强韧高导热易焊接铝基复合材料，其特征在于：所述铝基复合材料铸轧带材的导热系数≥250W/(m*K)，较3003铝合金(190W/(m*K))提高30％以上。
[0011]所述的5G基站用高强韧高导热易焊接铝基复合材料，其特征在于：所述铝基复合材料铸轧带材的叠轧焊接温度≤500℃，且由于原位纳米陶瓷颗粒和稀土纳米弥散相的存在，有效抑制了叠轧焊接过程中晶粒的长大，实现了复合材料带材的高强韧高导热易焊接。
[0012]上述的一种5G基站用高强韧高导热易焊接铝基复合材料的制备方法，其特征在于，采用设计的电磁超声调控双辊连铸轧装置制备，具体步骤包括：
[0013](1)原位反应粉末通过除气系统的气流通道均匀悬吹入铝熔体中；
[0014](2)在螺旋磁场的无接触搅拌作用下原位合成纳米陶瓷颗粒；
[0015](3)然后加入稀土中间合金均匀复合获得复合材料熔体，并借助高能超声提高熔体中原位纳米陶瓷颗粒和稀土元素的均匀分布；
[0016](4)最后通过铸轧获得复合材料带材。
[0017]所述电磁超声调控双辊连铸轧装置包括螺旋磁场、除气系统、过滤系统、液面控制流槽、高能超声装置、铸嘴、铸轧机和卷带机，如附图1所示。其中，螺旋磁场布置于除气系统熔池周围，用于无接触的熔体螺旋电磁搅拌；除气系统由熔池和中空的悬吹转子组成、用于熔体的除气和原位反应粉末吹入熔体中，除气系统与过滤系统连通，过滤系统与液面控制流槽连通，高能超声装置布置于铸嘴前端的液面控制流槽中、用于促进原位纳米增强体的均匀分散和熔体成分的均匀化；铸嘴后端依次布置铸轧机和卷带机。
[0018]进一步地，过滤系统中设有陶瓷过滤网。
[0019]进一步地，铸轧机后端设有剪切机，铸轧机一侧设有喷涂系统。
[0020]所述的5G基站用高强韧高导热易焊接铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，原位反应温度为850
‑
900℃，反应本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.5G基站用高强韧高导热易焊接铝基复合材料，其特征在于，通过化学成分设计、原位纳米颗粒强化、细化，稀土微合金化技术以及电磁超声调控双辊连铸轧装置，制备5G基站用高强韧高导热易焊接的铝基复合材料铸轧带材；铝基复合材料铸轧带材成分按照质量百分比计算为:Si 1.0
‑
1.5，Fe 0.6
‑
1.0，Cu 0.05
‑
0.2，Mn 1.0
‑
2.0，Zr 0.5
‑
1.0，Ti 0.5
‑
1.0，B 0.5
‑
2.0，O 0.2
‑
1.0，Er 0.05
‑
0.3，Sc 0.05
‑
0.3，Y 0.1
‑
0.5，Zn≤0.5，Mg≤0.5，Cr≤0.5，其余为Al；所述铝基复合材料铸轧带材的晶粒≤60μm，抗拉强度≥250MPa，屈服强度≥120MPa，延伸率≥20％；所述铝基复合材料铸轧带材的导热系数≥250W/(m*K)，较3003铝合金的190W/(m*K)提高30％以上；所述铝基复合材料铸轧带材的叠轧焊接温度≤500℃。2.如权利要求1所述的5G基站用高强韧高导热易焊接铝基复合材料，其特征在于，所述的化学成分设计，是在3003铝合金的基础上提高Si的含量至1.0
‑
1.5wt.％，以进一步降低合金的熔点，同时在合金中添加Zr、Ti、B、O、Er、Sc、Y，以实现原位纳米颗粒强化、细化，稀土微合金化，细化基体晶粒、提高合金的强韧性和叠轧可焊性。3.如权利要求1所述的5G基站用高强韧高导热易焊接铝基复合材料，其特征在于，所述的原位纳米颗粒强化、细化，是通过原位反应粉末与Al熔体反应生成高硬度、高导热、低膨胀的纳米ZrB2、Al2O3、TiB2陶瓷颗粒；一方面，纳米陶瓷颗粒可以作为α
‑
Al的异质形核核心，显著细化基体晶粒，且在最终分布于晶内/晶界，通过与位错的交互作用提高复合材料的强韧性；另一方面，原位合成的纳米陶瓷颗粒高效细化基体晶粒，显著提高晶界含量，降低叠轧冷焊温度；所述的原位纳米颗粒尺寸为10
‑
100nm，原位纳米颗粒含量为高强韧高导热易焊接铝基复合材料体积的1
‑
15％；所述的原位反应粉末为Co3O4，K2ZrF6，K2TiF6，KBF4，Na2B4O7，ZrO2，B2O3和Al2(SO4)3中的两种至多种。4.如权利要求1所述的5G基站用高强韧高导热易焊接铝基复合材料，其特征在于，所述的稀土微合金化是在复合材料中复合添加S...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵玉涛，怯喜周，彭艳杰，陶然，梁向锋，陈刚，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：