一种金刚石中空管道泡沫增强骨架铝基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及金属复合材料技术领域，特别是指一种金刚石中空管道泡沫增强骨架铝基复合材料及其制备方法，包括：S1、将铜泡沫骨架衬底经超声清洗、烘干后，进行沉积金属过渡层；S2、之后放在金刚石粉胶体中超声、浸泡、冲洗、烘干；S3、采用MPCVD进行金刚石薄膜骨架生长；S4、在S3所得金刚石泡沫骨架上进行激光打孔；S5、将所得金刚石泡沫骨架浸入酸溶液中进行酸溶；然后冲洗去除酸；S6、在含铁催化剂下，采用MPCVD生长碳纳米管；S7、利用管式炉将金属铝填充在S6所得的中间产物中进行初步成型处理；S8、利用SPS烧结炉进行高温高压处理。本发明专利技术降低了界面热阻，提高系统的稳定性和可靠性，增加器件的使用寿命。加器件的使用寿命。加器件的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种金刚石中空管道泡沫增强骨架铝基复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及金属复合材料
，特别是指一种金刚石中空管道泡沫增强骨架铝基复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着科学技术的发展，金刚石应用于航空航天、军事、工业、国民生产等诸多领域，高功率、高集成度、轻量化电子设备已经成为研发的方向，同时伴随着散热问题却成为制约这些行业发展的重要因素。在集成化微小电子器件材料和半导体芯片之间的热膨胀系数不匹配，电子器件在工作时产生大量的热造成器件之间的应力问题，极其影响大功率通信及导航卫星、定向高能武器以及宽禁带半导体雷达等高功率等先进设备的工作稳定性和使用寿命。因此，高热导率、低膨胀系数和轻量化是选择材料的必要条件。
[0003]金刚石拥有优异的热导率(2200W/mK)和极低的膨胀系数；多壁碳纳米管具有很高的热导率(3000W/mK)和力学强度还有超高表体比；在常见的金属中，铝有较高的热导率(237W/mK)，低密度，耐腐蚀，易加工等优点；金刚石与碳纳米管的单一相或混合相作为增强相与金属复合相，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。
[0004]目前，US6815052B2是将金刚石薄膜沉积到SiC泡沫上；CN 105779804 A是将金刚石沉积到铜泡沫上，形成三维立体结构，在此基础上生长碳材料(碳纳米管、石墨烯等)再与金属(铝、铜、银、镁、钛等)结合，均取得一定效果，但是以上均未去除泡沫衬底并且每层物质之间存在缓冲层这样会增加界面热阻，对热传导和热散失的效果大打折扣。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是提供一种金刚石中空管道泡沫增强骨架铝基复合材料及其制备方法。其中包括金刚石中空管道泡沫骨架、碳纳米管生长在中空金刚石管道内部、中空金刚石管道外部、中空金刚石管道内外部，这种复合结构的中空金刚石管道网状薄膜犹如人体血管一样遍布复合体，碳纳米管(热导率，3000
‑
3500W/mK)宛如人体神经纤维一样伸入每一处基体中，大大增加接触热源面积，提高导热性能。
[0006]本专利技术的金刚石
‑
碳纳米管骨架再与铝基相结合时不需要使用过渡层，这是由于使用SPS设备具有高温高压技术功能，在高温高压条件下Diamond
‑
CNTs与金属铝之间的空隙降低以及结合效果提高，并且高温条件下，金刚石和CNTs会与金属铝产生Al4C3化合物，即金刚石与CNTs之间为化学结合，降低了界面热阻；而传统结构中通常使用过渡层，目的就是为了金刚石和CNTs与金属铝之间的结合性能要好，减弱物理结合，增强化学结合，降低界面热阻，但是使用过渡层定会引入新的金属原子，改变晶格参数，影响晶格振动，造成声子传输受阻，但反而增加了界面热阻。本专利技术制成优异的热管理材料作为热冗余或散热器件，可以协调逐渐增大的功率密度与周围环境的温差，实现高效散热并降低与芯片材料热膨胀系
数不匹配的目的，提高系统的稳定性和可靠性，增加器件的使用寿命。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]第一方面提供一种金刚石中空管道泡沫增强骨架铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0009]S1、将铜泡沫骨架衬底经超声清洗、烘干后，进行沉积金属过渡层；
[0010]S2、将S1所得的具有金属过渡层的铜泡沫骨架放在金刚石粉胶体中超声、浸泡、冲洗、烘干，得到镶嵌金刚石颗粒的泡沫骨架；
[0011]S3、在S2所得的镶嵌金刚石颗粒的泡沫骨架上，采用MPCVD进行金刚石薄膜骨架生长；
[0012]S4、在S3所得金刚石泡沫骨架上进行激光打孔，开孔密度为5
‑
15个/mm2，得到具有通孔的金刚石泡沫骨架；
[0013]S5、将S4所得金刚石泡沫骨架浸入酸溶液中进行酸溶，以去除铜泡沫基；然后冲洗去除酸；得到金刚石中空管道泡沫；
[0014]S6、在含铁催化剂存在下，采用MPCVD，在S5所得金刚石中空管道泡沫上生长碳纳米管，形成碳纳米管包覆金刚石中空管道骨架的混合强化层；
[0015]S7、利用管式炉将金属铝填充在S6所得的中间产物中进行初步成型处理，以将铝融入泡沫中；
[0016]S8、利用SPS烧结炉，将S7所得中间产物进行高温高压处理，减小金属铝之间的空隙和金属铝与金刚石
‑
CNTs泡沫之间的空隙；然后任选的进行抛光和打磨，形成高密集度的铝基复合材料；其中，所述高温高压处理中高温为450
‑
550℃、优选500
‑
550℃，高压为15
‑
20MPa。
[0017]其中优选地，S1中，所述金属过渡层包括镍、钨、钼、钛、银、铬中的一种或多种复合金属层。
[0018]本领域技术人员可以选择S1镀金属过渡层的过程和工艺参数。在一些优选实施方式中，所述沉积金属过渡层的工艺条件包括：基底温度为室温，射频功率为180
‑
220W，腔压为0.5
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1kPa，Ar流量为60
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80sccm，靶间距为7
‑
10cm，转速为5
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10rpm。
[0019]优选地，S1所述超声的过程包括：将铜泡沫骨架衬底放入分别放入丙酮、乙醇、去离子水中进行超声震荡清洗5min，取出烘干待用。
[0020]优选地，S1所述沉积的方式包括电镀、化学镀、蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积、物理气相沉积中的任一种。
[0021]其中优选地，S2中，金刚石粉胶体通过下述方法制得：将质量比为1:1.5
‑
3的W10金刚石粉与W5金刚石粉，以及去离子水调浆后，煮沸3
‑
8min。
[0022]其中优选地，S2中，所述超声的时间为8
‑
12min，所述浸泡的时间为15
‑
25min。
[0023]S2所述冲洗和烘干的过程包括：捞出铜泡沫，再用乙醇冲洗干净，放进烘干箱烘干，得到网孔中间镶嵌大量纳米晶和微米晶金刚石颗粒的泡沫骨架衬底。
[0024]其中优选地，S3中，所述金刚石薄膜骨架生长的过程包括：通入氢气250
‑
350sccm，腔压为6
‑
7kPa，在温度750
‑
800℃条件下进行5
‑
15min退火处理；然后维持温度，通入10
‑
20sccm甲烷，生长70
‑
90h；接下来进行反面生长，通入氢气250
‑
350sccm，腔压为6
‑
7kPa，在温度750
‑
800℃条件下保温3
‑
8min，再通入10
‑
20sccm甲烷，生长70
‑
90h。
[0025]其中优选本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金刚石中空管道泡沫增强骨架铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将铜泡沫骨架衬底经超声清洗、烘干后，进行沉积金属过渡层；S2、将S1所得的具有金属过渡层的铜泡沫骨架放在金刚石粉胶体中超声、浸泡、冲洗、烘干，得到镶嵌金刚石颗粒的泡沫骨架；S3、在S2所得的镶嵌金刚石颗粒的泡沫骨架上，采用MPCVD进行金刚石薄膜骨架生长；S4、在S3所得金刚石泡沫骨架上进行激光打孔，开孔密度为5
‑
15个/mm2，得到具有通孔的金刚石泡沫骨架；S5、将S4所得金刚石泡沫骨架浸入酸溶液中进行酸溶，以去除铜泡沫基；然后冲洗去除酸；得到金刚石中空管道泡沫；S6、在含铁催化剂存在下，采用MPCVD，在S5所得金刚石中空管道泡沫上生长碳纳米管，形成碳纳米管包覆金刚石中空管道骨架的混合强化层；S7、利用管式炉将金属铝填充在S6所得的中间产物中进行初步成型处理，以将铝融入泡沫中；S8、利用SPS烧结炉，将S7所得中间产物进行高温高压处理，减小金属铝之间的空隙和金属铝与金刚石
‑
CNTs泡沫之间的空隙；然后任选的进行抛光和打磨，形成铝基复合材料；其中，所述高温高压处理中高温为450
‑
550℃，高压为15
‑
20MPa。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S1中，所述金属过渡层包括镍、钨、钼、钛、银、铬中的一种或多种复合金属层。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S2中，金刚石粉胶体通过下述方法制得：将质量比为1:1.5
‑
3的W10金刚石粉与W5金刚石粉，以及去离子水调浆后，煮沸3
‑
8min；S2中，所述超声的时间为8
‑
12min，所述浸泡的时间为15
‑
25min。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S3中，所述金刚石薄膜骨架生长的过程包括：通入氢气250
‑
350sccm，腔压为6
‑
7kPa，在温度750
‑
800℃条件下进行5
‑
15min退火处理；然后维持温度，通入10
‑
20sccm甲烷，生长70
‑
90h；接下来进行反面生长，通入氢气250
‑
350sccm，腔压为6
‑
7kPa，在温度750
‑
800℃条件下保温3
‑
8min，再通入10
‑
20sccm甲烷，生长70
‑
90h。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S4中，所述激光打孔的过程包括：在金刚石泡沫骨架的下表面辐射激光束，将激光功率开到25
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35％；同时使用乙醇与去离子水质量比为0.8
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：魏俊俊，冯旭瑞，杨志亮，乔冠中，刘金龙，陈良贤，张建军，李成明，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：