CN103334039B - 一种铜基纳米金刚石复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铜基纳米金刚石复合材料，其特征在于，所述铜基纳米金刚石复合材料是由65—68%的铜粉、25-28%的表面电镀铜的金刚石粉、2—2.5%的硅粉、2—2.5%碳纳米管通过真空热压成型工艺制备；其中，所述表面电镀铜的金刚石粉的平均粒径为300—350目；所述铜粉的平均粒径为300—350目；所述硅粉的平均粒径为300—350目。本发明提供的铜基纳米金刚石复合材料是具有高导热系数的新型复合材料，该材料具有导热系数超高，机械加工性能好，高导电性等特点。
Description
技术领域
本发明涉及金属基复合材料技术，尤其涉及一种铜基纳米金刚石复合材料及其制备方法。
背景技术
随着微电子领域的高速发展，电子元器件的集成密度越来越高，发热量也越来越大，元器件的工作温度也在不断升增加。根据摩尔定律，微电子元器件的功率密度也将随着其集成化程度的增大而增加，目前大功率集成电路的功率密度已达1000W/cm2。据美国一项调查显示，超过50%的电子设备失效是由于温度过高所导致的。散热问题已经限制了电子器件功率水平的进一步提升，并直接制约了硬件技术的开发，进而限制了电子科技的迅速发展，目前散热问题已成为电子器件发展所亟待解决的关键技术之一。
现今金属矿产资源日益匮乏，而人们对散热的要求却更高，传统金属散热部件被资源相对丰富、导热性高的新材料所替代已是必然趋势。
如今出现一种具有高导热性能的复合材料，它以铜作为基体，将其与具有优异导热特性的碳纳米管和纳米金刚石复合，形成具有一定强度和可加工性能的导热材料。根据散热条件，设计复合材料组合构件，将其应用在特定的场合，如军用装备，航空航天器材，及新一代便携超薄民用电子产品等领域，在空间狭小以及对散热有较高要求的领域全部或部分取代金属散热部件，其散热性能 远超过金属材料（导热系数是银的1.5倍），同时具有轻质、耐用等功效。
发明内容
本发明的主要目的在于针对现有技术中存在的上述缺陷，提供一种具有高导热性能的铜基纳米金刚石复合材料及其制备方法。
本发明提供的铜基纳米金刚石复合材料是由65—68%的铜粉、25-28%的表面电镀铜的金刚石粉、2—2.5%的硅粉、2—2.5%碳纳米管通过真空热压成型工艺制备；
其中，所述表面电镀铜的金刚石粉的平均粒径为300—350目；所述铜粉的平均粒径为300—350目；所述硅粉的平均粒径为300—350目。
一种铜基纳米金刚石复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、选取300—350目的金刚石粉，对所述金刚石粉表面进行电镀铜，制备出表面镀铜的金刚石粉；
S2、将300—350目的铜粉、所述表面电镀铜的300—350目金刚石粉、300—350目的硅粉以及碳纳米管按65—68%：25-28%：2—2.5%：2—2.5%的比例充分混合，制备出混合粉末；
S3、将所述制备的混合粉末放入石墨模具中，将含所述混合粉末的石墨模具放入热压机中在真空条件下热压制备出铜基纳米金刚石复合材料，其中，热压温度为600—620℃，热压压力为19-21吨。
上述的铜基纳米金刚石复合材料的制备方法中，步骤S1中对所述金刚石粉电镀铜直到获取厚度为0.002—0.003mm的铜镀层。
上述的铜基纳米金刚石复合材料的制备方法中，步骤S1中对所述金刚石 粉电镀铜的方法为：
将硫酸铜电解液置入有机玻璃镀槽内，其中，所述硫酸铜电解液的PH值为12-13，温度为58-63℃；
将待镀的300—350目的金刚石粉末加入所述有机玻璃镀槽中；
在所述有机玻璃槽两侧分别设置铜电极作阳极、不锈钢电极作阴极，且在两电极之间施加24V直流电；
使用磁力泵使电解液在镀槽中循环流动，并使电解液中的金刚石颗粒不断撞击所述阴极；
在电镀过程中施加（电镀液）重量百分比在10%-15%的甲醛作还原剂；
电镀35—50min后停止通电，获取含有0.002mm—0.003mm的铜镀层的金刚石颗粒。
实施本发明的有益效果在于：
1）本发明提供的铜基纳米金刚石复合材料可以充分发挥金刚石的导热特性，使导热材料中碳纳米管呈网络状分散在基体材料中，将微晶金刚石相互连通起来，形成声子（热量）快速传递的金刚石相三维通道，提高复合材料导热性能；
2）选取Si（掺入量约为2%）等作为活性添加元素，能够改善Cu与金刚石、碳纳米管之间的界面结合，减小界面热阻；
3）复合材料以铜作为主相（质量比例为约占70%），金刚石为增强相（质量比约为25-30％），碳纳米管为三维导通相（质量比例约为2-3%），复合材料的机械加工性能优异（接近于金属铜）。
4）经过热压成型后复合材料可以加工成不同厚度的板材或片材，可装配不同用途散热器；加工过程中所产生的碎屑和边角料，经过粉碎后即可重复利 用，避免造成原料的浪费。
具体实施方式
本发明铜基纳米金刚石复合材料为具有超高导热率的新型功能材料，主要用于航天、航空、军工装备的高发热设备（芯片）的散热，以及便携超薄等民用电子产品的高发热设备（芯片）的散热材料，尤其适用于空间狭小、散热量巨大等对散热材料有特殊要求的领域。
该复合材料的导热性能和银相当，其导热系数达到600W/m·K-620W/m·K，具有良好的机械强度和加工性能，还可以耐高温、耐腐蚀。
实例1
将硫酸铜电解液置入有机玻璃镀槽内，其中，所述硫酸铜电解液的PH值为12，温度为58℃；将待镀的300目的金刚石粉末加入所述有机玻璃镀槽中；在所述有机玻璃槽两侧分别设置铜电极作阳极、不锈钢电极作阴极，且在两电极之间施加24V直流电；使用磁力泵使电解液在镀槽中循环流动，并使电解液中的金刚石颗粒不断撞击所述阴极；在电镀过程中施加还原剂甲醛，添加的甲醛重量占整个电镀过程中添加的电镀液总重量的10%；电镀35min后停止通电，获取含有0.002mm的铜镀层的金刚石颗粒。将带有0.002mm的铜镀层的金刚石粉、平均粒径为300目的铜粉、平均粒径为300目的硅粉以及碳纳米管按照68%：28%：2%：2%的比例填入混合机中充分混合，获取混合粉末。将上述混合好的粉末放入石墨模具中，将含所述混合粉末的石墨模具放入热压机中在真空条件下热压制备出铜基纳米金刚石复合材料，其中，热压温度为600℃，热压压力为19吨。制备出的铜基纳米金刚石复合材料的导热系数为600W/m·K。
实施例2
将硫酸铜电解液置入有机玻璃镀槽内，其中，所述硫酸铜电解液的PH值为13，温度为63℃；将待镀的350目的金刚石粉加入所述有机玻璃镀槽中；在所述有机玻璃槽两侧分别设置铜电极作阳极、不锈钢电极作阴极，且在两电极之间施加24V直流电；使用磁力泵使电解液在镀槽中循环流动，并使电解液中的金刚石颗粒不断撞击所述阴极；在电镀过程中施加还原剂甲醛，添加的重量占整个电镀过程中添加的电镀液总重量的12%；电镀50min后停止通电，获取含有0.003mm的厚度的铜镀层的金刚石颗粒。将带有0.003mm的厚度的铜镀层的金刚石粉、平均粒径为300目的铜粉、平均粒径为300目的硅粉以及碳纳米管按照68%：28%：2%：2%的比例填入混合机中充分混合，获取混合粉末。将上述混合好的粉末放入石墨模具中，将含所述混合粉末的石墨模具放入热压机中在真空条件下热压制备出铜基纳米金刚石复合材料，其中，热压温度为620℃，热压压力为21吨。制备出的铜基纳米金刚石复合材料的导热系数为610W/m·K。
实施例3
将硫酸铜电解液置入有机玻璃镀槽内，其中，所述硫酸铜电解液的PH值为13，温度为63℃；将待镀的350目的金刚石粉末加入所述有机玻璃镀槽中；在所述有机玻璃槽两侧分别设置铜电极作阳极、不锈钢电极作阴极，且在两电极之间施加24V直流电；使用磁力泵使电解液在镀槽中循环流动，并使电解液中的金刚石颗粒不断撞击所述阴极；在电镀过程中施加还原剂甲醛，添加的重量占整个电镀过程中添加的电镀液总重量的15%；电镀50min后停止通电，获取含有0.003mm的厚度的铜镀层的金刚石颗粒。将带有0.003mm的厚度的铜镀层的金刚石粉、平均粒径为350目的铜粉、平均粒径为350目的硅粉以及碳纳 米管按照65%：25%：2.5%：2.5%的比例填入混合机中充分混合，获取混合粉末。将上述混合好的粉末放入石墨模具中，将含所述混合粉末的石墨模具放入热压机中在真空条件下热压制备出铜基纳米金刚石复合材料，其中，热压温度为610℃，热压压力为20吨。制备出的铜基纳米金刚石复合材料的导热系数为620W/m·K。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (2)
1.一种铜基纳米金刚石复合材料，其特征在于，所述铜基纳米金刚石复合材料是由，按质量百分比计，65—68％的铜粉、25-28％的表面电镀铜的金刚石粉、2—2.5％的硅粉、2—2.5％碳纳米管通过真空热压成型工艺制备而成；其中，所述表面电镀铜的金刚石粉的平均粒径为300—350目；所述铜粉的平均粒径为300—350目；所述硅粉的平均粒径为300—350目。
2.一种权利要求1所述的铜基纳米金刚石复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选取300—350目的金刚石粉，对所述金刚石粉表面进行电镀铜，制备出表面镀铜的金刚石粉；将硫酸铜电解液置入有机玻璃镀槽内，其中，所述硫酸铜电解液的PH值为12-13，温度为58-63℃；将待镀的300—350目的金刚石粉末加入所述有机玻璃镀槽中；在所述有机玻璃槽两侧分别设置铜电极作阳极、不锈钢电极作阴极，且在两电极之间施加24V直流电；使用磁力泵使电解液在镀槽中循环流动，并使电解液中的金刚石颗粒不断撞击所述阴极；在电镀过程中施加占电镀液总重量百分比为10％-15％的甲醛作还原剂；电镀35—50分钟后停止通电，获取0.002mm—0.003mm的铜镀层；
S2、将300—350目的铜粉、所述表面电镀铜的300—350目金刚石粉、300—350目的硅粉以及碳纳米管按65—68％：25-28％：2—2.5％：2—2.5％的比例充分混合，制备出混合粉末；
S3、将所述制备的混合粉末放入石墨模具中，将含所述混合粉末的石墨模具放入热压机中在真空条件或保护性气氛下热压制备出铜基纳米金刚石复合材料，其中，热压温度为600—620℃，热压压力为19-21吨。
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