CN103184363A

CN103184363A - 适用于宽温度范围的高导热金刚石/铜复合材料及方法

Info

Publication number: CN103184363A
Application number: CN2011104481492A
Authority: CN
Inventors: 郭宏; 尹法章; 王光宗; 张习敏; 范叶明; 韩媛媛
Original assignee: Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Current assignee: Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2013-07-03

Abstract

本发明涉及一种适用于宽温度范围的高导热金刚石/铜复合材料及方法，属于热管理材料制备技术领域。该铜基复合材料由增强体和粘结剂经预制件的注射成形工艺，制成增强体预制件，其中增强体由一种或两种不同金刚石颗粒混杂组成；将熔融的铜液浇注在金刚石预制件上，其中铜基体为纯铜或铜合金，金刚石与铜基体的体积比为(50～75％)∶(50～25％)，经压力浸渗工艺制成。采用压力浸渗工艺制备的金刚石/铜复合材料可以适用于40～350K的较宽温区。本发明的金刚石铜复合材料在40～350K温度范围具有比钼铜、钨铜高的热导率，低的热膨胀系数，密度较小，是空间制冷环境用散热材料的良好选择。

Description

适用于宽温度范围的高导热金刚石/铜复合材料及方法

技术领域

本发明涉及一种适用于宽温度范围的高导热金刚石/铜复合材料及方法，特别是适用于宽温度范围(40～350K)的高导热低膨胀金刚石/铜复合材料及其制备方法，属于热管理材料制备技术领域。

背景技术

热管理材料作为一种重要的功能材料，在装备制造，电子封装等领域有着重要的地位。随着技术的不断进步，对材料的要求越来越高，不仅要求材料在常温和日常环境条件下具有高的导热率，低的热膨胀系数等性能，而且要求材料在一些极端的环境条件下能满足使用要求，发挥稳定的性能。在航空航天，低温电子学，低温医学，高温超导等领域，要求材料在超低温下，或者在低温到高温的循环过程中能保持高的导热率，有效传递热量。传统的散热材料诸如纯铜，铝，以及合金等在常温下有高的导热率，但热膨胀系数较高，不利于与热沉组件良好接触，在长期的服役过程中发生热应力变形等失效行为。

为了克服传统散热材料热膨胀系数较高的缺陷，研究人员开发了低热膨胀系数的W/Cu，Mo/Cu，以及铜基或铝基的复合材料，这类材料的导热率在200～300W/mK之间，热膨胀系数小，能与热沉组件良好匹配。但导热率较低，在一些热量集中的部位，散热能力有限，无法达到满意的效果。尤其在低温等特殊的应用环境下，材料性能出现了一些特殊的变化，应用受到了限制，也影响整个系统的性能稳定性。同时，在航空航天等尖端应用领域，对材料的可靠性要求极高，需要材料在保证良好性能的前提下，服役期间不发生组织破坏，性能下降等失效行为。为了解决以上问题，急需要一种导热率高，热膨胀系数适中，密度低的新型热管理材料，同时在保证以上性能的前提下，能够实现近终成型，后续加工简易方便的制备方法。

发明内容

本发明为了解决目前所面临的问题，特别提出了一种适用于宽温度范围下的高导热金刚石/铜复合材料。

本发明的适用于宽温度范围的高导热金刚石/铜复合材料，其由增强体、粘结剂和铜基体组成，所述的增强体为一种或两种不同的金刚石颗粒，所述的铜基体为纯铜或铜合金，增强体与粘结剂的体积比为(50～75％)∶(50～25％)，增强体与铜基体的体积比为(50～75％)∶(50～25％)。

上述适用于宽温度范围的高导热金刚石/铜复合材料由金刚石增强体和粘结剂制成预制件，将铜基体熔融后浇注在预制件上，经压力浸渗工艺制成。该材料在较宽的温度范围内能保持较高的导热率，所适用的温度范围为40～350K，导热率能保持在500W/m·K以上。

铜基体中，纯铜可为电解铜，铜合金可为在纯铜中加入钛、铬、硼、锰、铁、钴和镍等中的一种或几种元素的合金。

所述金刚石颗粒为未镀覆金刚石颗粒，镀钛、铬或铜金属层金刚石颗粒，或表面粗化处理的金刚石颗粒。

不同的金刚石颗粒包括在粒径、晶型或品级三个方面不同。金刚石颗粒的粒径尺寸优选为50～500μm，晶型有正八面体、六八面体和方形金刚石，品级有MBD6、MBD8、MBD10、MBD12等。

所述粘结剂可为石蜡基粘结剂，且增强体与粘结剂的体积比更优选地为(60～75％)∶(40～25％)。

本发明还提供了一种能适用于宽温度范围(40～350K)高导热的金刚石/铜复合材料的制备方法。该铜基复合材料由金刚石增强体和粘结剂经预制件的注射成形工艺，制成增强体预制件，将熔融的铜液浇注在增强体预制件上，经压力浸渗工艺制成。

本发明适用于宽温度范围的高导热金刚石/铜复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)预制件的成型工艺：

a.将增强体和粘结剂按照体积比为(50～75％)∶(50～25％)配制，混合均匀，所述的增强体为一种或两种不同的金刚石颗粒；

b.将混合均匀的粉末在压机上制备出预制件坯体；

c.将预制件坯体在1000～1200℃的氢气气氛下进行脱脂，得到预制件；

(2)压力浸渗工艺

a.将预制件放入石墨模具中，装入压力浸渗炉中抽真空，同时升温；

b.当压力浸渗炉中真空度达到0.01～1Pa，温度升至1000～1200℃时，将铜基体熔融，倒入石墨模具中，压渗金属；所述的铜基体为纯铜或铜合金，增强体与铜基体的体积比为(50～75％)∶(50～25％)；

c.随炉冷却，脱模。

压渗金属时，加压，压力渗金属液至金刚石预制件中；压力为20MPa～5.5GPa，保压时间为5～10分钟。

本发明的优点：

(1)本发明中金刚石/铜复合材料的导热率比现有铝基复合材料，W/Cu，Mo/Cu等高，另外材料本身密度小，热膨胀系数低，满足了空天材料轻质的要求，降低了装配过程中由于热膨胀系数较大引起的热应力变形失效，此类金刚石/铜基复合材料将广泛地应用于低温制冷，高温超导等领域。

(2)本发明中所使用金刚石增强体具有不同的粒径，晶型，品级搭配，可以根据具体需求，灵活选用搭配，制备不同性能需求的金刚石/铜复合材料，实现了材料不同性能要求的可设计。

(3)本发明中采用压力浸渗工艺，可以根据需求灵活选用模具，制备不同尺寸产品，也可以采用近终成型方法，直接获得所需产品形状，减少了后续加工工序。

本发明的铜基复合材料由增强体和粘结剂经预制件的注射成形工艺，制成增强体预制件；将熔融的铜基体浇注在金刚石预制件上，经压力浸渗工艺制成。采用压力浸渗工艺制备的金刚石/铜复合材料可以适用于40～350K的较宽温区。本发明的金刚石铜复合材料在40～350K温度范围具有比钼铜、钨铜高的热导率，低的热膨胀系数，密度较小，是空间制冷环境用散热材料的良好选择。

附图说明

图1为适用于宽温度范围的高导热金刚石/铜复合材料的制备过程流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式与附图对本发明做进一步详细描述，以期能更好的说明本发明的特点，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

如图1所示，为本发明适用于宽温度范围的高导热金刚石/铜复合材料的制备过程流程图。包括如下步骤：将单一金刚石或混杂金刚石颗粒和粘结剂在混料机上混料，然后在压机上压制预制件坯体，将预制件坯体在1000～1200℃的氢气气氛下脱脂，装入模具腔，抽真空，升温，真空度达到0.01～1Pa，温度升至1000～1200℃时，浇注熔融铜基体，20MPa～5.5GPa下压渗，然后脱模，取出样品。

金刚石颗粒和粘结剂的体积比为(50～75％)∶(50～25％)，其中金刚石增强体粒径尺寸为50～200μm，晶型有方形，正八面体，六八面体等，品级有MBD6，MBD8，MBD10，MBD12等；所述金刚石颗粒为未镀覆颗粒；或镀钛，铬，铜金属层颗粒；或表面粗化处理金刚石颗粒。铜基体为电解铜或铜中加入钛，铬，锰，铁，钴，镍等一种或几种合金元素的合金，且增强体与铜基体的体积比为(50～75％)∶(50～25％)

实施例1：

原料：金刚石粒径200μm，晶型：六八面体，铜基体：CuCr(Cr1wt％)。

将金刚石颗粒和石蜡基粘结剂按照体积比为75∶25进行配制；混料机混合均匀，将混合均匀粉末在压机上制备出预制件坯体；将预制件坯体风干后在1000℃的氢气气氛下进行脱脂和与烧结；将烧结好的预制件放入石墨模具中，装入压力浸渗炉中抽真空，同时升温；真空压力浸渗炉中真空度达到0.05Pa，温度升至1150℃时，将铜基体熔融，倒入石墨模具中，5GPa压渗金属，保持压力的时间为5分钟，增强体与铜基体的体积比为75∶25；随炉冷却，脱模。

制得的复合材料的密度为5.0g/cm³；导热率为：727W/mK(300K)605W/mK(80K)；热膨胀系数为：4.3ppm/K。

实施例2：

原料：金刚石1粒径：50μm，晶型：六八面体，金刚石2：100μm晶型：六八面体；质量比为：金刚石1∶金刚石2体积比：16∶2；铜基体：CuCr(Cr1wt％)。

将金刚石颗粒和石蜡基粘结剂按照体积比为65∶35进行配制；混料机混合均匀，将混合均匀粉末在压机上制备出预制件坯体；将预制件坯体风干后在900℃的氢气气氛下进行脱脂和与烧结；将烧结好的预制件放入石墨模具中，装入压力浸渗炉中抽真空，同时升温；真空压力浸渗炉中真空度达到0.01Pa，温度升至1200℃时，将铜基体熔融，倒入石墨模具中，60MPa压渗金属，保持压力的时间为8分钟，增强体与铜基体的体积比为65∶35；随炉冷却，脱模。

制得的复合材料的密度为5.2g/cm³；导热率为：659W/mK(300K)530W/mK(80K)；热膨胀系数为：4.8ppm/K。

实施例3：

原料：金刚石粒径：100μm，晶型：方形，铜基体：CuCr(Cr1wt％)。

将金刚石颗粒和石蜡基粘结剂按照体积比为60∶40进行配制；混料机混合均匀，将混合均匀粉末在压机上制备出预制件坯体；将预制件坯体风干后在1100℃的氢气气氛下进行脱脂和与烧结；将烧结好的预制件放入石墨模具中，装入压力浸渗炉中抽真空，同时升温；真空压力浸渗炉中真空度达到0.1Pa，温度升至1200℃时，将铜基体熔融，倒入石墨模具中，50MPa压渗金属，保持压力的时间为10分钟，增强体与铜基体的体积比为55∶45；随炉冷却，脱模。

制得的复合材料的密度为5.3g/cm³；导热率为：620W/mK(300K)500W/mK(80K)；热膨胀系数为：5.2ppm/K。

实施例4：

原料：金刚石1粒径：100μm，晶型：方形；金刚石2粒径：100μm晶型：六八面体，金刚1∶金刚石2体积比：2∶8；铜基体：CuCo(Co5 wt％)。

将金刚石颗粒和石蜡基粘结剂按照体积比为70∶30进行配制；混料机混合均匀，将混合均匀粉末在压机上制备出预制件坯体；将预制件坯体风干后在900℃的氢气气氛下进行脱脂和与烧结；将烧结好的预制件放入石墨模具中，装入压力浸渗炉中抽真空，同时升温；真空压力浸渗炉中真空度达到0.5Pa，温度升至1000℃时，将铜基体熔融，倒入石墨模具中，5.5GPa压渗金属，保持压力的时间为5分钟，增强体与铜基体的体积比为70∶30；随炉冷却，脱模。

制得的复合材料的密度为5.1g/cm³；导热率为：710W/mK(300K)590W/mK(80K)；热膨胀系数为：4.4ppm/K。

实施例5：

原料：金刚石粒径：100μm，晶型：六八面体，铜基体：CuCr(Cr1wt％)。

将金刚石颗粒和石蜡基粘结剂按照体积比为50∶50进行配制；混料机混合均匀，将混合均匀粉末在压机上制备出预制件坯体；将预制件坯体风干后在1000℃的氢气气氛下进行脱脂和与烧结；将烧结好的预制件放入石墨模具中，装入压力浸渗炉中抽真空，同时升温；真空压力浸渗炉中真空度达到1Pa，温度升至1200℃时，将铜基体熔融，倒入石墨模具中，20MPa压渗金属，保持压力的时间为10分钟，增强体与铜基体的体积比为50∶50；随炉冷却，脱模。

制得的复合材料的密度为5.5g/cm³；导热率为：578W/mK(300K)420W/mK(80K)；热膨胀系数为：6.2ppm/K。

Claims

1.一种适用于宽温度范围的高导热金刚石/铜复合材料，其特征在于：其由增强体、粘结剂和铜基体组成，所述的增强体为一种或两种不同的金刚石颗粒，所述的铜基体为纯铜或铜合金，增强体与粘结剂的体积比为50～75％∶50～25％，增强体与铜基体的体积比为50～75％∶50～25％。

2.根据权利要求1所述的适用于宽温度范围的高导热金刚石/铜复合材料，其特征在于：所述的纯铜为电解铜，所述的铜合金为在纯铜中加入钛、铬、硼、锰、铁、钴和镍中的一种或几种元素的合金。

3.根据权利要求1所述的适用于宽温度范围的高导热金刚石/铜复合材料，其特征在于：所述的金刚石颗粒为未镀覆金刚石颗粒，镀钛、铬或铜金属层金刚石颗粒，或表面粗化处理的金刚石颗粒。

4.根据权利要求3所述的适用于宽温度范围的高导热金刚石/铜复合材料，其特征在于：所述的金刚石颗粒的粒径为50～500μm，晶型为正八面体、六八面体和/或方形金刚石，品级为MBD6、MBD8、MBD10和/或MBD12。

5.根据权利要求1所述的适用于宽温度范围的高导热金刚石/铜复合材料，其特征在于：所述的粘结剂为石蜡基粘结剂，增强体与粘结剂的体积比为60～75％∶40～25％。

6.权利要求1-5中任一项所述的适用于宽温度范围的高导热金刚石/铜复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将增强体和粘结剂按比例配制，混合均匀；

(2)将混合均匀的粉末在压机上制备出预制件坯体；

(3)将预制件坯体在1000～1200℃的氢气气氛下进行脱脂，得到预制件；

(4)将预制件放入石墨模具中，装入压力浸渗炉中抽真空，同时升温；

(5)当压力浸渗炉中真空度达到0.01～1Pa，温度升至1000～1200℃时，将铜基体熔融，倒入石墨模具中，压渗金属；

(6)随炉冷却，脱模。

7.根据权利要求6所述的适用于宽温度范围的高导热金刚石/铜复合材料的制备方法，其特征在于：压渗金属时，压力为20MPa～5.5GPa，保压时间为5～10分钟。