CN101787457B - 一种制备高导热性铝-金刚石双相连续复合材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种制备高导热性铝-金刚石双相连续复合材料的方法是将金刚石颗粒与铝规则排布，使在导热方向上金刚石颗粒连续接触；对排布好的坯体进行致密化处理；对致密化处理后的坯体进行烧结。所述致密化处理包括冷等静压、软膜压制、刚模压制，轧制、挤压。所述烧结包括保护气氛烧结、真空烧结、热压、热等静压、放电等离子体烧结。本发明的优点在于：能够制备出致密度较高，组织均匀，物相稳定，导热性高的复合材料。金刚石连续接触方向上导热系数是其他方向上的3倍。本发明率先使用铝和金刚石制备双相连续的复合材料，降低了成本并提高了导热材料的性能。不仅对导热材料制备具有创新性意义，而且对于复合材料领域的理论与实践也具有推动作用。
Description
技术领域
本发明提供了一种粉末冶金工艺，尤其涉及一种制备高导热性铝-金刚石双相连续复合材料的方法，属于新型导热复合材料的制备领域。
背景技术
工业生产和人民日常生活中使用了大量的电子产品及机械设备，大大提高了生产效率及人民的生活水平。但各种设备的导热、散热功能的不足之处也随之暴露出来，造成了能源的浪费以及设备使用率较低。为了更好的提高能源的利用率及设备的使用率，解决增强、减缓传热的问题，各种导热系数大的材料的研究与制备显得尤为重要。目前国外在这个领域的研究已经取得了一定的成就，但在国内仍然有很大的发展空间。在此背景下，本课题组对可能成为高导热材料——铝-金刚石双相连续复合导热材料的设计思路、制备及其性能进行探讨与初步研究。
工业生产和人民日常生活中使用了大量的电子产品和机械设备，但各种设备的导热、散热功能不足，长期工作于较高温度，不仅设备的使用率低，而且造成了能源的浪费。近年来，一些国家和地区开始着手各种高导热性材料的研究和制备，目前国外在这个领域的研究已经取得了一定的成就，但在国内仍然有很大的发展空间。
粉末冶金方法适用于绝大多数难熔金属及其化合物、假合金、多孔材料的制造；而且此方法能压制成最终尺寸的压坯，而不需要或很少需要随后的机械加工，故能大大节约金属，降低产品成本；由于粉末冶金工艺在材料生产过程中并不熔化材料，也就不怕混入由坩埚和脱氧剂等带来的杂质，而烧结一般在真空和还原气氛中进行，不怕氧化，也不会给材料任何污染，故有可能制取高纯度的材料。本方法能保证材料成分配比的正确性和均匀性。这些都是保证本实验成功的必要条件。粉末冶金的烧结工艺有反应烧结，放电等离子烧结等，其中放电等离子烧结是一种快速烧结新工艺。将瞬间、断续、高能脉冲电流通入装有粉末的模具上，在粉末颗粒间即可产生等离子放电，导致粉末的净化、活化、均化等效应。该烧结方法具有以下特点：(1)烧结温度低，烧结时间短，可获得细小、均匀的组织，并能保持原始材料的自然状态；(2)能获得高致密度材料；(3)通过控制烧结组分与工艺，能烧结类似于梯度材料及大型工件等复杂材料。(见：罗锡裕.放电等离子烧结材料的最新进展.粉末冶金工业.2001，11(6)：7.)
金刚石的导热性能良好，其导热系数在自然界中最高。但其成本太高。本发明使用铝和金刚石的复合材料制备导热材料，降低了成本，相比较纯铝而言，导电性能又有所提高。
该铝-金刚石复合材料广泛只用于各种电子产品和设备，提高其导热性能，可以节能、节耗，提高设备利用率，创造出经济与社会效益。
节能：减少了各种仪器和设备由于导热性能差带来的能量浪费，及时散热，提高设备的使用率。由于所制备的铝-金刚石复合导热材料在日常生活和工业生产中都有广泛的应用前景，可以较大程度的实现能源的充分利用。
发明内容
本发明主要是提供了一种制备高导热性铝-金刚石双相连续复合材料的方法，是以不同配比的铝和金刚石为原料，采用等静压和放电等离子烧结等方法，使金刚石颗粒在导热方向上连续接触，制备具有高导热性的铝-金刚石双相连续复合材料。制备出的复合材料双相连续，导热系数高。
本发明的一种制备高导热性铝-金刚石双相连续复合材料的方法，包括以下步骤：
(1)以铝箔和金刚石颗粒为原料，在铝箔上均匀涂洒金刚石颗粒，将金刚石颗粒与铝箔规则排布，形成具有铝与金刚石的层状组织结构的坯体，在导热方向上使金刚石颗粒连续接触；
(2)对上述制得的坯体采用冷等静压、软膜压制、刚模压制，轧制或挤压的方式进行致密化处理；
(3)对致密化处理后的坯体，进行放电等离子体烧结、保护气氛烧结、真空烧结、热压或热等静压处理。
所述规则排布是以铝箔和金刚石颗粒为原料，在铝箔上均匀涂洒金刚石颗粒，将其卷成圆柱状，形成铝与金刚石的层状组织结构，金刚石颗粒在轴向连续接触。
所述规则排布是以铝箔和金刚石颗粒为原料，在铝箔上均匀涂洒金刚石颗粒，将涂洒金刚石得铝箔剪裁成一定的形状，进行叠层，形成铝与金刚石的层状组织结构，金刚石颗粒在径向或横向连续接触。
所述冷等静压处理的压力为100～200MPa。
所述对致密化处理后的坯体进行放电等离子体烧结，烧结工艺为：烧结温度500～600℃，压力25～35MPa，保温时间4～6min。
所述对致密化处理后的坯体进行热压：温度560～660℃，压力30～40MPa，保温时间5～10min。
本发明的有益效果在于：能够制备出致密度较高，组织均匀，物相稳定，导热性高的复合材料。金刚石连续接触方向上导热系数是其他方向上的3倍。本发明率先使用铝和金刚石制备双相连续的复合材料，降低了成本并提高了导热材料的性能。不仅对导热材料制备具有创新性意义，而且对于复合材料领域的理论与实践也具有推动作用。
该铝-金刚石双向连续复合材料可广泛用于生活和生产用电子仪器和设备，能提高其导热散热功能，提高设备使用率，可以节能、节耗，创造经济与社会效益。
具体实施方式
实施例1
选取铝箔，金刚石颗粒为原料，将金刚石颗粒均匀涂洒在铝箔上，将其卷成圆柱状，形成铝与金刚石的层状组织结构。对制成的坯体进行冷等静压，压力为120MPa；对经过冷等静压处理后的坯体进行放电等离子体烧结，烧结工艺为：烧结温度550℃，压力30MPa，保温时间5min，最后进行表面处理。
由上述工艺制备的铝-金刚石复合材料致密度高，金刚石颗粒在轴向连续接触，组织均匀，物相稳定，金刚石颗粒连续接触的方向上导热性能优良，该方向上的导热系数是与其垂直方向上导热系数的3倍以上。且高于纯铝材料。与其他方法相比，其成本低廉。
实施例2
选取铝箔，金刚石颗粒为原料，将金刚石颗粒均匀涂洒在铝箔上，将涂洒金刚石得铝箔剪裁成圆片，进行叠层，形成铝与金刚石的层状组织结构。对制成的圆柱状坯体进行刚模压制处理。对经过刚模压制处理的坯体进行进行热压，工艺参数为：温度630℃，压力35MPa，保温时间7min，最后进行表面处理。
经上述工艺制备的铝-金刚石复合材料致密度高(相对密度100％)，金刚石颗粒在横向向连续接触，组织均匀，物相稳定，金刚石颗粒连续接触的方向上导热性能优良，该方向上的导热系数是与其垂直方向上导热系数的2.8倍以上。且高于纯铝材料。与其他方法相比，其成本低廉。
实施例3
选取铝箔，金刚石颗粒为原料，将金刚石颗粒均匀涂洒在铝箔上，将其卷成圆柱状，形成铝与金刚石的层状组织结构。对制成的坯体进行冷等静压，压力为200MPa；对经过冷等静压处理后的坯体进行放电等离子体烧结，烧结工艺为：烧结温度600℃，压力35MPa，保温时间4分钟，最后进行表面处理。
由上述工艺制备的铝-金刚石复合材料致密度高，金刚石颗粒在轴向连续接触，组织均匀，物相稳定，金刚石颗粒连续接触的方向上导热性能优良，该方向上的导热系数是与其垂直方向上导热系数的3倍以上。且高于纯铝材料。与其他方法相比，其成本低廉。
Claims (8)
1.一种制备高导热性铝-金刚石双相连续复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以铝箔和金刚石颗粒为原料，在铝箔上均匀涂洒金刚石颗粒，将金刚石颗粒与铝箔规则排布，形成具有铝与金刚石的层状组织结构的坯体，在导热方向上使金刚石颗粒连续接触；
(2)对上述制得的坯体采用冷等静压、软膜压制、刚模压制，轧制或挤压的方式进行致密化处理；
(3)对致密化处理后的坯体，进行放电等离子体烧结、保护气氛烧结、真空烧结、热压处理。
2.根据权利要求1所述的制备高导热性铝-金刚石双相连续复合材料的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的规则排布是将涂洒金刚石颗粒的铝箔卷成圆柱状，使金刚石颗粒在轴向上连续接触。
3.根据权利要求1所述的制备高导热性铝-金刚石双相连续复合材料的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的规则排布是将涂洒金刚石颗粒的铝箔进行剪裁叠层，形成铝与金刚石的层状组织结构，金刚石颗粒在径向或横向连续接触。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的制备高导热性铝-金刚石双相连续复合材料的方法，其特征在于，
所述步骤(2)中，冷等静压的压力为100～200MPa；
所述步骤(3)中，放电等离子体烧结的工艺为：烧结温度500～600℃，压力25～35MPa，保温时间4～6min。
5.根据权利要求1至3中任意一项所述的制备高导热性铝-金刚石双相连续复合材料的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，热压工艺为：温度560～660℃，压力30～40MPa，保温时间5～10min。
6.根据权利要求4所述的制备高导热性铝-金刚石双相连续复合材料的方法，其特征在于：
所述步骤(2)中，采用冷等静压的压力为120MPa；
所述步骤(3)中，采用放电等离子体烧结的工艺为：烧结温度550℃，压力30MPa，保温时间5min；制得的高导热性铝-金刚石双相连续复合材料，其金刚石颗粒连续接触的方向上的导热系数是与其垂直方向上导热系数的3倍以上。
7.根据权利要求5所述的制备高导热性铝-金刚石双相连续复合材料的方法，其特征在于：
所述步骤(1)中，将涂洒金刚石颗粒的铝箔剪裁成圆片，进行叠层；
所述步骤(2)中，对制成的圆柱状坯体进行刚模压制处理；
所述步骤(3)中，采用热压；温度630℃，压力35MPa，保温时间7min；制得的高导热性铝-金刚石双相连续复合材料，其金刚石颗粒连续接触的方向上的导热系数是与其垂直方向上导热系数的2.8倍以上。
8.根据权利要求1所述的制备高导热性铝-金刚石双相连续复合材料的方法，其特征在于，所述步骤(3)中的热压处理为热等静压处理。
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