CN102534331B - 一种高导热金刚石/铝复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高导热金刚石/铝复合材料的制备方法，首先将金刚石与铝粉均匀混合，得到金刚石/铝复合粉末，然后冷压或冷等静压得到金刚石/铝粉末压坯，再对压坯进行真空热压烧结，通过烧结温度与时间控制，使其在金刚石/铝界面处产生合适厚度的原子扩散层，冷却后获得高导热金刚石/铝复合材料。本发明通过对真空热压烧结温度和时间的调控，在金刚石/铝界面处形成0.01-5.0微米厚的原子扩散层，既能实现良好的界面结合，又能获得较低的界面热阻，从而得到高导热复合材料。本发明工艺简便易行，生产成本低，适于制备大尺寸复合材料。

Description

一种高导热金刚石/铝复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种高导热金属基复合材料，具体地说，涉及的是一种高导热金刚石/铝复合材料的粉末冶金制备方法。

背景技术

随着电子技术的不断发展，电子元器件的功率密度不断增大，产生的热量越来越多，同时其对于材料轻量化的要求也日益迫切，常用的导热材料已经不能满足当前电子技术快速发展的需要。开发具有更高热导率的新型高导热材料，将半导体产生的热量及时散掉，保证功率元件的正常工作温度，已经成为电子产业发展的关键。金刚石/铝复合材料不但具有高热导、低膨胀的特点，而且其密度(2.9-3.2g/cm³)也远低于其他常用的高导热材料。因此，金刚石/铝复合材料是未来最具潜力的新型热管理材料。

然而，在高温下金刚石与铝，尤其是液相铝，易于发生化学反应生成Al₄C₃界面相。一方面，微量Al₄C₃界面相生成时所形成的界面扩散层能有效提高金刚石与铝的界面结合，提高复合材料的热导率；另一方面，由于Al₄C₃呈脆性、与基体结合差、热导率低、易潮解，过量Al₄C₃界面相的生成会恶化界面结合、降低复合材料的导热性能。因此如何控制Al₄C₃界面相的生成，是制备高热导金刚石/铝复合材料的关键。相比于压力浸渗、挤压铸造等液态成型方法，粉末冶金制备过程所需的温度比较低，可避免有害的界面反应，且工艺灵活，可根据应用需求对增强体的含量进行调整，因此在高导热金刚石/铝复合材料的生产和科研中得到了广泛应用。但是，在现有的粉末冶金技术中，人们出于对高制备效率的追求，常采用放电等离子体烧结(Spark Plasma Sintering，SPS)等快速烧结技术对金刚石/铝复合粉末进行致密化，由于烧结时间太短、真空度较低(4-10Pa)，无法形成有效的界面结合，导致界面热阻很高，因而不利于获得具有较高热导率的复合材料。此外，SPS等快速烧结专用设备价格昂贵，不但增加了制备成本，而且由于该设备工作区域较小，严重制约了所能制备的产品尺寸。

对现有技术的文献检索发现，文献“Effect of particle size on the microstructureand thermal conductivity of Al/diamond composites prepared by spark plasmasintering”(颗粒尺寸对放电等离子体烧结制备金刚石/铝复合材料显微结构和热导率的影响)(Rare Metals.28(2009)646-650)采用放电等离子体制备了体积分数为50％的金刚石/铝复合材料，烧结温度为550℃，升温与降温速率分别为100℃/分钟和70℃/分钟，外加压力30MPa，保压时间5分钟，所用真空压力低于4Pa，制备的材料热导率仅有325W/mK，远远低于预期的理论值。文献“Thermalconductivity and microstructure of Al/diamond composites with Ti-coated diamondparticles consolidated by spark plasma sintering”(Journal of Composite Materials，2011，DOI：10.1177/0021998311413689)(放电等离子体烧结镀钛金刚石/铝复合材料的显微结构和热导率)采用放电等离子体烧结制备了体积分数为40-60％金刚石/铝复合材料，烧结温度为550-620℃，升温速率为100℃/分钟，外加压力50MPa，保压时间5分钟，所用真空压力低于10Pa，制备材料的热导率也仅有124-325W/mK，虽然对金刚石进行表面镀钛处理可使热导率提高到433-491W/mK，仍然与预期值相差较大。因此，SPS等快速烧结技术的主要问题在于：(1)升温速度快，烧结时间短，真空度低，金刚石与铝之间的互扩散与界面反应不充分，导致界面结合差，材料的热导率低；(2)快速烧结设备昂贵，材料制备成本较高；(3)快速烧结设备的工作区尺寸较小，所制备材料的尺寸受限。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种高导热金刚石/铝复合材料的粉末冶金制备方法，既能简便制备大尺寸复合材料，又能对界面扩散和反应层进行有效调控。本发明采用真空热压烧结技术，通过改变烧结温度和时间调控金刚石/铝界面处的原子扩散层厚度，使其既能实现良好的界面结合，又能获得较低的界面热阻，从而得到高导热复合材料。

本发明是通过以下技术方案实现的：首先将金刚石与铝粉均匀混合，得到金刚石/铝复合粉末，然后冷压或冷等静压得到金刚石/铝粉末压坯，再对压坯进行真空热压烧结，通过烧结温度与时间控制，使其在金刚石/铝界面处产生合适厚度的原子扩散层，冷却后获得高导热金刚石/铝复合材料。

本发明包括以下步骤：

(1)将体积分数为20-70％的金刚石与30-80％的铝粉均匀混合，得到金刚石/铝复合粉末；

(2)对金刚石/铝复合粉末进行冷压或冷等静压，得到金刚石/铝粉末压坯；

(3)对金刚石/铝粉末压坯进行真空热压烧结，真空度为0.5Pa以下，烧结温度为550-655℃，压力为30-200MPa，时间为30-240分钟，得到金刚石/铝复合材料。

在本发明中，所述的金刚石为颗粒状，尺寸为5-600微米。

在本发明中，所述的铝粉为纯铝或者合金粉末。

在本发明中，所述的铝粉为球状，尺寸为5-500微米。

在本发明中，所述真空热压烧结过程中的升温和降温速率分别为(2-30℃)/分钟和(0.5-10℃)/分钟。

在本发明中，所述的原子扩散层中可以有或者没有碳化物生成。通过调控真空热压烧结的温度和时间，可在金刚石与铝基体之间形成0.01-5.0微米厚的原子扩散层；在优选的条件下，该原子扩散层中靠近金刚石一侧有微量碳化物，即Al₄C₃生成。

在本发明的方法中，首先将金刚石与铝粉混合后，直接通过冷压或冷等静压获得粉末压坯，既能保证复合粉末的均匀分布状态，又可避免复合粉末在热压烧结初期由于颗粒重排而产生金刚石的聚集；采用真空热压烧结技术，所用的真空度低(＜0.5Pa)，外加压力高(30-200MPa)，烧结温度低(550-655℃)，烧结时间长(30-240分钟)，升温和降温缓慢(分别为2-30℃/分钟和0.5-10℃/分钟)，整个过程为固相扩散反应烧结，易于通过控制烧结温度和时间获得合适厚度的金刚石/铝界面的扩散层。由于金刚石{100}晶面的碳原子向铝中的扩散能力远大于{111}，且{100}晶面的界面热导是{111}的5倍，所以只有同时保证{111}晶面与铝的有效界面结合，又不因过度反应而损害{100}晶面的界面热导，才能获得理想的高热导金刚石/铝复合材料。在液相成型工艺过程中，由于处理温度过高，使{100}与{111}晶面都会与铝发生严重的界面反应，生成较厚的Al₄C₃界面层而恶化热导；粉末冶金中的SPS等快速烧结技术虽然处理温度较低(一般低于基体金属熔点)，但其烧结时间很短(5-10分钟)，使金刚石的{100}与{111}晶面的碳原子来不及向铝中扩散，金刚石与铝无法形成有效的界面结合，导致复合材料的界面热阻高、热导率很低。采用本发明制备方法通过调控烧结温度与时间，能同时保证金刚石{100}与{111}晶面在铝中有合适厚度的原子扩散层，从而使材料具有良好的界面结合和较高的界面热导。本发明所用的真空热压烧结设备在材料制备中应用十分广泛，其制备的试样尺寸为5-200毫米，能满足实际应用的需求范围。此外，真空热压烧结过程中的升温和降温速率较低，可避免快速烧结过程中由于热失配导致的较大界面应力。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)通过控制烧结温度和时间可获得合适厚度的原子扩散与界面反应层，制备的材料界面结合好，热导率高；(2)无需购买昂贵的快速烧结设备，制备成本低；(3)制备工艺简便灵活，易于制备大尺寸复合材料。

附图说明

图1真空热压烧结金刚石/铝复合材料的工艺流程图；

图2真空热压烧结金刚石/铝复合材料的能谱分析图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施方案进一步描述：以下实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以下实施例中所述的金刚石为颗粒状，其粒度为70/80目，所用铝粉为200目99.9％纯铝，真空度为0.05Pa以下，外加压力30-200MPa，升温和降温速率分别为(2-30℃)/分钟和(0.5-10℃)/分钟。制备的样品尺寸为

并遵照图1所示的工艺流程实施。材料的室温热导率由公式λ＝α×ρ×c计算得出，其中α为室温热扩散系数，采用德国耐驰公司LFA447设备通过激光闪射法在30℃测得，ρ为材料的密度，采用阿基米德排水法测得，c为复合材料的比热容。表1给出的是各实施例中的工艺参数和最终材料性能。

表1实施例中的工艺参数和复合材料的最终性能

实施例1

首先将体积分数为20％的金刚石与80％的铝粉末均匀混合，然后冷压成坯，再进行真空热压烧结，烧结温度为640℃，外加压力30MPa，保温时间60分钟，随炉冷却后获得金刚石/铝复合材料的热导率为328W/mK，在金刚石/铝界面处产生的原子扩散层厚度为0.8微米。

实施例2

首先将体积分数为40％的金刚石与60％的铝粉末均匀混合，然后冷压成坯，再进行真空热压烧结，烧结温度为640℃，外加压力150MPa，保温时间60分钟，随炉冷却后获得金刚石/铝复合材料的热导率为486W/mK，在金刚石/铝界面处产生的原子扩散层厚度为0.75微米。

实施例3

首先将体积分数为70％的金刚石与30％的铝粉末均匀混合，然后冷压成坯，再进行真空热压烧结，烧结温度为640℃，外加压力200MPa，保温时间60分钟，随炉冷却后获得金刚石/铝复合材料的热导率为689W/mK，在金刚石/铝界面处产生的原子扩散层厚度为0.82微米。

实施例4

首先将体积分数为40％的金刚石与60％的铝粉末均匀混合，然后冷压成坯，再进行真空热压烧结，烧结温度为640℃，外加压力100MPa，保温时间180分钟，随炉冷却后获得金刚石/铝复合材料的热导率为402W/mK，在金刚石/铝界面处产生的原子扩散层厚度为3.0微米。

实施例5

首先将体积分数为40％的金刚石与60％的铝粉末均匀混合，然后冷压成坯，再进行真空热压烧结，烧结温度为620℃，外加压力100MPa，保温时间60分钟，随炉冷却后获得金刚石/铝复合材料的热导率为418W/mK，在金刚石/铝界面处产生的原子扩散层厚度为0.2微米。

实施例6

首先将体积分数为40％的金刚石与60％含5％硅的铝合金粉末均匀混合，然后冷压成坯，再进行真空热压烧结，烧结温度为640℃，外加压力100MPa，保温时间60分钟，随炉冷却后获得金刚石/铝复合材料的热导率为365W/mK，在金刚石/铝界面处产生的原子扩散层厚度为1.0微米。

以上为本发明的部分优选实施例，应当理解的是，本发明还有其他的实施方式，比如改变上述实施例中的材料配比以及参数取值，这对本领域的技术人员来说，是很容易实现的。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种高导热金刚石/铝复合材料的制备方法，其特征在于，通过控制真空热压烧结温度和时间，在金刚石/铝界面处形成0.01-5.0微米厚的原子扩散层，具体包括以下实施步骤：

（1）将体积分数为20-70%的金刚石与30-80%的铝粉均匀混合，得到金刚石/铝复合粉末；

（2）对金刚石/铝复合粉末进行冷压或冷等静压，得到金刚石/铝粉末压坯；

（3）对金刚石/铝粉末压坯进行真空热压烧结，真空度为0.5Pa以下，烧结温度为550-655℃，压力为30-200MPa，时间为30-240分钟，得到金刚石/铝复合材料。

2.根据权利要求l所述的一种高导热金刚石/铝复合材料的制备方法，其特征在于：所述的原子扩散层中没有碳化物生成。

3.根据权利要求l所述的一种高导热金刚石/铝复合材料的制备方法，其特征在于：所述的原子扩散层中靠近金刚石一侧有微量碳化物，即Al₄C₃生成。

4.根据权利要求l-3任一项所述的一种高导热金刚石/铝复合材料的制备方法，其特征在于：所述的金刚石为颗粒状，尺寸为5-600微米。

5.根据权利要求l-3任一项所述的一种高导热金刚石/铝复合材料的制备方法，其特征在于：所述的铝粉为纯铝或者合金粉末。

6.根据权利要求l-3任一项所述的一种高导热金刚石/铝复合材料的制备方法，其特征在于：所述的铝粉为球状，尺寸为5-500微米。

7.根据权利要求l-3任一项所述的一种高导热金刚石/铝复合材料的制备方法，其特征在于：所述真空热压烧结过程中的升温和降温速率分别为（2-30）℃/分钟和（0.5-10）℃/分钟。

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