CN101210292A - 一种含β-锂霞石的铜基复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种含β－锂霞石的铜基复合材料的制备方法，它涉及一种含β－锂霞石的复合材料的制备方法。它解决了β－锂霞石增强相与铜基不浸润也不发生界面反应，导致二者之间的界面强度低，难以制成致密、具有良好综合性能的复合材料的问题。含β－锂霞石的铜基复合材料按体积百分比由5％～60％的β－锂霞石粉末和40％～95％的铜合金粉末制成。制备方法：将β－锂霞石粉末和铜合金粉末混合，然后冷压、真空热压烧结；即得到含β－锂霞石的铜基复合材。本发明含β－锂霞石的铜基复合材料的密度为理论密度的96％～99.6％，增强相陶瓷颗粒分布均匀，β－锂霞石与铜基界面结合良好。本发明含β－锂霞石的铜基复合材料的制备方法简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种含β-锂霞石的复合材料的制备方法。
背景技术
随着集成电路集成度和计算速度以及各种混合集成电路器件功率不断提高，对封装材料和热沉材料的热导率、热膨胀系数、强度和电导率(抗电磁辐射和射频辐射)等性能提出了越来越高的要求，单一材料已经很难同时满足上述各种性能要求。
目前的金属基复合材料中银基复合材料具有高热导、低热膨胀的优点，但白银价格昂贵，导致银基复合材料难以广泛应用。以低热膨胀的物质作为增强体增强铜或铝基复合材料(如Cf/Al、BeO/Al、BeO/Cu、BeO/Be、Cu/W、Cu/Mo、SiCp/Al、SiCp/Cu或Si/Al)是目前本领域的研究重点，但是存在界面相容性差、价格昂贵、密度过高、气密性差的问题，尤其难以应用于航天航空领域；而且有的(如BeO)有剧毒。目前的增强相热膨胀系数一般为3×10-6～8×10-6/K(如碳化物、氧化物和氮化物陶瓷)，所以目前大幅度降低金属基复合材料热膨胀系数的主要途径是提高增强体的体积分数，但由此导致复合材料的热导率、塑性等性能的劣化，难以加工成形。
β-锂霞石(Li2O·Al2O3·2SiO2)是自然界中存在的少数具有较大负膨胀系数的奇特物质之一，具有显著的各向异性，不同方向的线性热膨胀系数差距较大(αa＝7.26×10-6/℃，αc＝-16.35×10-6/℃)，可在很宽的温度范围内(0～1000℃)具有负的线膨胀系数，并且密度小(2.584g/cm3)，是理想的复合材料增强体。但是β-锂霞石增强的铜基复合材料由于金属铜与陶瓷不浸润也不发生界面反应，导致二者之间的界面强度低，难以制成致密、具有良好综合性能的复合材料。
发明内容
本发明的目的是为了解决β-锂霞石增强相与铜基不浸润也不发生界面反应，导致二者之间的界面强度低，难以制成致密、具有良好综合性能的复合材料的问题，而提供的一种含β-锂霞石的铜基复合材料的制备方法。
含β-锂霞石的铜基复合材料按体积百分比由5％～60％的β-锂霞石粉末和40％～95％的铜合金粉末制成；铜合金粉末按质量百分比由0.01％～15％的活性元素和余量的铜组成，活性元素为镧系稀土元素、铝、锂、钙、镁、钛、锆中的一种或几种组成。
上述含β-锂霞石的铜基复合材料按以下步骤制备：先按体积百分比将5％～60％的β-锂霞石粉末和40％～95％的铜合金粉末混合均匀，然后在10～30MPa的条件下进行冷压，再进行真空热压烧结；即得到含β-锂霞石的铜基复合材；其中铜合金粉末按质量百分比由0.01％～15％的活性元素粉末和85％～99.9％的铜粉组成，铜粉的粒径为1～100μm，活性元素粉末的粒径为0.01～100μm；β-锂霞石粉末的粒径为1～20μm；真空热压烧结中真空度为10-4～10-2Pa，压力为25～50MPa，烧结温度为600～1050℃；活性元素为镧系稀土元素、铝、锂、钙、镁、钛、锆中的一种或几种组成。
本发明含β-锂霞石的铜基复合材料中增强相陶瓷颗粒分布均匀(如图1所示)，β-锂霞石与铜基界面结合良好。本发明含β-锂霞石的铜基复合材料的密度为理论密度的96％～99.6％。
本发明含β-锂霞石的铜基复合材料的制备方法简单、易于操作，所用原材料无毒。
附图说明
图1是含β-锂霞石的铜基复合材料(β-锂霞石体积分数为20％)的扫描电镜图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式含β-锂霞石的铜基复合材料按体积百分比由5％～60％的β-锂霞石粉末和40％～95％的铜合金粉末制成；铜合金粉末按质量百分比由0.01％～15％的活性元素和余量的铜组成，活性元素为镧系稀土元素、铝、锂、钙、镁、钛、锆中的一种或几种组成。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：含β-锂霞石的铜基复合材料按体积百分比由8％～57％的β-锂霞石粉末和45％～92％的铜合金粉末制成。其它与实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：含β-锂霞石的铜基复合材料按体积百分比由10％～55％的β-锂霞石粉末和45％～90％的铜合金粉末制成。其它与实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：含β-锂霞石的铜基复合材料按体积百分比由20％～50％的β-锂霞石粉末和50％～80％的铜合金粉末制成。其它与实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：含β-锂霞石的铜基复合材料按体积百分比由30％～40％的β-锂霞石粉末和60％～70％的铜合金粉末制成。其它与实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：含β-锂霞石的铜基复合材料按体积百分比由35％的β-锂霞石粉末和65％的铜合金粉末制成。其它与实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：铜合金粉末按质量百分比由0.1％～13％的活性元素和余量的铜组成。其它与实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：铜合金粉末按质量百分比由1％～10％的活性元素和余量的铜组成。其它与实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：铜合金粉末按质量百分比由3％～7％的活性元素和余量的铜组成。其它与实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：铜合金粉末按质量百分比由5％的活性元素和余量的铜组成。其它与实施方式一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：活性元素为铈元素。其它与实施方式一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：活性元素为钕元素。其它与实施方式一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：活性元素由镧系稀土元素、铝、锂、钙、镁、钛、锆中的几种组成。其它与实施方式一相同。
本实施方式中活性元素若由两种或两种以上的元素组成，各组分间可以为任意比例关系。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：活性元素为铝和锂。其它与实施方式一相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：活性元素由钙、镁、钛和锆元素组成。其它与实施方式一相同。
本实施方式中钙、镁、钛和锆元素之间可以为任意比例关系。
具体实施方式十六：本实施方式含β-锂霞石的铜基复合材料按以下步骤制备：先按体积百分比将5％～60％的β-锂霞石粉末和40％～95％的铜合金粉末混合均匀，然后在10～30MPa的条件下进行冷压，再进行真空热压烧结；即得到含β-锂霞石的铜基复合材；其中铜合金粉末按质量百分比由0.01％～15％的活性元素粉末和85％～99.9％的铜粉组成，铜粉的粒径为1～100μm，活性元素粉末的粒径为0.01～100μm；β-锂霞石粉末的粒径为1～20μm；真空热压烧结中真空度为10-4～10-2Pa，压力为25～50MPa，烧结温度为600～1050℃；活性元素为镧系稀土元素、铝、锂、钙、镁、钛、锆中的一种或几种组成。
本实施方式中铜粉的为纯铜。
从热力学上分析锂、钙、镁、钛、锆、镧系稀土元素等与β-锂霞石发生化学反应，利用上述反应可以实现陶瓷和铜之间的界面结合，增加界面强度，从而改善复合材料的力学和热物理性能。因为硬度便于测量且与材料强度紧密相关，所以测量复合材料的硬度可反映出复合材料强度的大小；此外复合材料的密度能直接地反应复合材料中孔洞的多少，间接的反映复合材料中的界面的结合情况，复合材料界面浸润性差则难以烧结成致密的复合材料；所以测量复合材料的硬度和密度可用于衡量复合材料的质量。
本实施方式铜合金粉末可以由活性元素粉末和铜粉机械混合、固溶或者直接购买成分与本实施方式设计相同的成品铜合金粉末。
具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式十六的不同点是：铜粉的粒径为1～50μm，活性元素粉末的粒径为0.1～50μm。其它步骤及参数与实施方式十六相同。
具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式十六的不同点是：β-锂霞石粉末的粒径为1～10μm。其它步骤及参数与实施方式十六相同。
具体实施方式十九：本实施方式与具体实施方式十六的不同点是：真空热压烧结之后进行热挤压，热挤压温度为800～1000℃。其它步骤及参数与实施方式十六相同。
具体实施方式二十：本实施方式与具体实施方式十六的不同点是：真空热压烧结之后进行热挤压，热挤压温度为900℃。其它步骤及参数与实施方式十六相同。
具体实施方式二十一：本实施方式与具体实施方式十六的不同点是：真空热压烧结中真空度为10-2Pa，压力为30～45MPa，烧结温度为700～1000℃。其它步骤及参数与实施方式十六相同。
具体实施方式二十二：本实施方式与具体实施方式十六的不同点是：真空热压烧结中烧结温度为800～950℃。其它步骤及参数与实施方式十六相同。
具体实施方式二十三：本实施方式含β-锂霞石的铜基复合材料按以下步骤制备：先按体积百分比将30％的β-锂霞石粉末和70％的铜合金粉末混合均匀，然后在20MPa的条件下进行冷压，再进行真空热压烧结；即得到含β-锂霞石的铜基复合材；其中铜合金粉末按质量百分比由0.75％的活性元素铝粉末和99.25％的铜粉组成，铜粉的粒径为30μm，活性元素铝粉末的粒径为5μm；β-锂霞石粉末的粒径为5μm；真空热压烧结中真空度为10-2Pa，压力为40MPa，烧结温度为950℃。
本实施方式含β-锂霞石的铜基复合材料的布氏硬度为127HB，密度为理论密度的98.8％。
对比实验：
按现有技术制备出的β-锂霞石的铜基复合材料的密度为理论密度的92.5％。(按体积百分比将30％的β-锂霞石粉末和70％的铜粉混合、再经冷压和真空热压烧结制成，其中铜粉粒径为30μm、β-锂霞石粉末粒径为5μm、冷压压力为30MPa、真空热压烧结中真空度为10-2Pa，压力为40MPa，烧结温度为950℃)
具体实施方式二十四：本实施方式含β-锂霞石的铜基复合材料按以下步骤制备：先按体积百分比将30％的β-锂霞石粉末和70％的铜合金粉末混合均匀，然后在30MPa的条件下进行冷压，再进行真空热压烧结和热挤压；即得到含β-锂霞石的铜基复合材；其中铜合金粉末按质量百分比由1％的活性元素钛粉末和99％的铜粉组成，铜粉的粒径为30μm，钛粉末的粒径为10μm；β-锂霞石粉末的粒径为5μm；真空热压烧结中真空度为10-4Pa，压力为40MPa，烧结温度为950℃；热挤压温度为920℃。
本实施方式含β-锂霞石的铜基复合材料的布氏硬度为131HB，密度为理论密度的99.2％。
具体实施方式二十五：本实施方式含β-锂霞石的铜基复合材料按以下步骤制备：先按体积百分比将30％的β-锂霞石粉末和70％的铜合金粉末混合均匀，然后在30MPa的条件下进行冷压，再进行真空热压烧结和热挤压；即得到含β-锂霞石的铜基复合材；其中铜合金粉末按质量百分比由1％的活性元素铝粉末和99％的铜粉组成，铜粉的粒径为30μm，铝粉末的粒径为10μm；β-锂霞石粉末的粒径为5μm；真空热压烧结中真空度为10-3Pa，压力为40MPa，烧结温度为950℃；热挤压温度为920℃。
本实施方式含β-锂霞石的铜基复合材料的布氏硬度为130HB，密度为理论密度的98.5％。
Claims (10)
1.一种含β-锂霞石的铜基复合材料，其特征在于含β-锂霞石的铜基复合材料按体积百分比由5％～60％的β-锂霞石粉末和40％～95％的铜合金粉末制成；铜合金粉末按质量百分比由0.01％～15％的活性元素和余量的铜组成，活性元素为镧系稀土元素、铝、锂、钙、镁、钛、锆中的一种或几种组成。
2.根据权利要求1所述的一种含β-锂霞石的铜基复合材料，其特征在于含β-锂霞石的铜基复合材料按体积百分比由10％～55％的β-锂霞石粉末和45％～90％的铜合金粉末制成。
3.根据权利要求1所述的一种含β-锂霞石的铜基复合材料，其特征在于含β-锂霞石的铜基复合材料按体积百分比由20％～50％的β-锂霞石粉末和50％～80％的铜合金粉末制成。
4.根据权利要求1所述的一种含β-锂霞石的铜基复合材料，其特征在于铜合金粉末按质量百分比由0.1％～13％的活性元素和余量的铜组成。
5.根据权利要求1所述的一种含β-锂霞石的铜基复合材料，其特征在于铜合金粉末按质量百分比由1％～10％的活性元素和余量的铜组成。
6.如权利要求1所述含β-锂霞石的铜基复合材料的制备方法，其特征在于含β-锂霞石的铜基复合材料按以下步骤制备：先按体积百分比将5％～60％的β-锂霞石粉末和40％～95％的铜合金粉末混合均匀，然后在10～30MPa的条件下进行冷压，再进行真空热压烧结；即得到含β-锂霞石的铜基复合材；其中铜合金粉末按质量百分比由0.01％～15％的活性元素粉末和85％～99.9％的铜粉组成，铜粉的粒径为1～100μm，活性元素粉末的粒径为0.01～100μm；β-锂霞石粉末的粒径为1～20μm；真空热压烧结中真空度为10-4～10-2Pa，压力为25～50MPa，烧结温度为600～1050℃；活性元素为镧系稀土元素、铝、锂、钙、镁、钛、锆中的一种或几种组成。
7.根据权利要求6所述的含β-锂霞石的铜基复合材料的制备方法，其特征在于真空热压烧结之后进行热挤压，热挤压温度为600～1000℃。
8.根据权利要求6所述的含β-锂霞石的铜基复合材料的制备方法，其特征在于铜粉的粒径为1～50μm，活性元素粉末的粒径为0.1～50μm。
9.根据权利要求6所述的含β-锂霞石的铜基复合材料的制备方法，其特征在于真空热压烧结中真空度为10-2Pa，压力为30～45MPa，烧结温度为700～1000℃。
10.根据权利要求6所述的含β-锂霞石的铜基复合材料的制备方法，其特征在于真空热压烧结中烧结温度为800～950℃。
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