CN103724014A - 一种高热导金刚石掺杂SiC陶瓷的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高热导金刚石掺杂SiC陶瓷的制备方法，利用流延法结合化学气相沉积方法向金刚石多孔预制体中沉积基体碳化硅。首先配置好不同粒径(7～50μm)的金刚石浆料进行流延实验，然后将流延好的金刚石颗粒和聚乙烯醇缩丁醛组成的基片室温干燥后备用。然后放置入CVI沉积炉，沉积基体碳化硅后得到的金刚石/碳化硅基片进行下一步在其表面的反复流延和沉积。最后，得到了金刚石/碳化硅复合材料试样。制备得到的金刚石/碳化硅复合材料为金刚石和碳化硅双相、无其他杂质，金刚石在复合材料中分布均匀且与基体金刚石结合良好。

Description

一种高热导金刚石掺杂SiC陶瓷的制备方法

技术领域

本发明涉及材料领域，具体是一种高热导金刚石掺杂SiC复合材料的制备方法。

背景技术

Diamond/SiC复合材料具有高硬度、高热导和低热膨胀性能较好的特性，可以作为综合性能优秀第三代电子封装材料使用，以及高性能耐磨材料。其中通过热等静压烧结（HIP）、高温高压烧结（HPHT）、反应熔体渗透气相硅（RMI）和先驱体裂解转换（PIP）等方法已经成功制备出Diamond/SiC复合材料，而通过化学气相沉积（CVI）技术来制备Diamond/SiC复合材料，目前还没有相关技术报道。但是通过CVI技术制备金刚石/SiC复合材料，首先必须得到均匀的多孔金刚石预制体，这成为CVI方法制备金刚石/SiC复合材料的一大技术难题。

文献1“Masaru Shimono,Shoichi Kume*.HIP-Sintered Composites ofC(Diamond)/SiC.Am.Ceram.Soc.2004,87[4]:752-755.”介绍了利用热等静压烧结法（1300℃—1500℃,50MPa）制备Diamond/SiC复合材料，采用热等静压法可以制备出成分比较均匀致密的Diamond/SiC复合材料。但由于该研究采用热等静压设备较为昂贵，实验制备流程较为复杂，且复合材料中残余硅，极大的影响材料在高温环境下使用。

文献2“Zhenliang Yang,Xinbo He,Mao Wu,Lin Zhang,An Ma,Rongjun Liu,Haifeng Hu,Yudi Zhang,Xuanhui Qu.Fabrication of Diamond/SiC composites by Si-vaporvacuum reactive infiltration.Ceramics International.2013,39:3399-3403.”通过向金刚石和石墨混合预制体中渗透气相硅，在1600℃无压氩气保护条件下发生硅碳反应制备了Diamond/SiC复合材料，所制材料致密度极高，且热导率和热膨胀系数在500℃以下分别高于500W/(m*k)和低于5*10^-6/K，表现出性能优异的热物理性能。但是复合材料中残余硅和石墨，高温下硅的软化极大影响了材料热物理稳定性和力学性能，以及设备本身模具尺寸的限制，不能制备大尺寸板材Diamond/SiC复合材料。

在专利号US7959841B2中公开了一种Diamond/SiC复合材料的制备方法，该方法通过均匀混合金刚石和硅粉后高温高压烧结。该方法在高温高压环境下进行，实验容易发生爆炸危险，并且容易发生金刚石颗粒的石墨化和材料中不可避免残留硅。

在专利号CN201110065272.6中公开了一种Diamond/SiC复合材料的制备方法，该方法采用高温真空气相浸渗方法将硅渗入金刚石和石墨混合预制体中。该方法引入较多杂质，且高温下金刚石容易发生石墨化。

发明内容

为了解决现有技术中存在的对实验条件要求高、制备材料中总是有硅或者石墨的存在，以及不能大规模制备大尺寸Diamond/SiC板材的问题，本发明提出了一种Diamond/SiC复合材料的制备方法。

一种高热导金刚石掺杂SiC陶瓷的制备方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、制备金刚石浆料流延基片：

1、将经步骤1金刚石微粉、溶剂甲苯、异丙醇和分散剂磷酸三乙酯按照配比混合进行球磨得到浆料，球磨时间为7h，球磨滚筒速率为120r/min；所述金刚石微粉为wt50%；所述溶剂甲苯为wt20%；所述异丙醇为wt20%；所述分散剂磷酸三乙酯为wt2%；

2、再将塑化剂丙三醇、邻苯二甲酸二辛酯、除泡剂正丁醇、乙二醇，粘结剂聚乙烯醇缩丁醛加入浆料中，再次放入滚筒式球磨机，球磨时间和球磨滚筒速率同上；所述塑化剂丙三醇为wt1.5%；所述邻苯二甲酸二辛酯为wt1.5%；所述除泡剂正丁醇为wt1%；所述乙二醇为wt1%；所述粘结剂聚乙烯醇缩丁醛为wt3%；

3、进行抽真空处理，抽真空至-0.10MPa以下；然后在玻璃基板上涂一层硅油，流延浆料厚度为1.25mm；5h空气环境下干燥后，进行金刚石流延基片的脱模，得到厚度为0.4mm的金刚石流延基片；

步骤2、渗SiC致密化：将得到的金刚石流延基片进行化学气相沉积SiC基体，利用MTS（CH₃SiCl₃）作为先驱体，氢气作为载气，氩气作为稀释气体，其流率比为1:40:40，其中氩气的流率为350mL/min，总气压为5000Pa，沉积温度为1273K；

步骤3：对沉积完毕的金刚石/碳化硅基片表面打磨，除去表面SiC涂层；然后重复步骤1在金刚石/碳化硅基片正反流延叠层，再重复步骤3；经过多次上述的重复得到3mm厚的金刚石/碳化硅陶瓷块体，其密度为2.75g/cm³,孔隙率为19%。

所述金刚石微粉的平均粒径为7微米。

本发明的高热导金刚石掺杂SiC陶瓷的制备方法，利用流延法制备金刚石基片预制体，然后通过化学气相沉积技术致密化，制备得到Diamond/SiC复合材料。该过程避免了高温高压下金刚石易石墨化的问题；避免了复合材料内残余硅；排除了高温高压困难及存在爆炸危险等问题；该过程制备得到的复合材料成分为纯净的金刚石和SiC两种物相，无杂质引入，并且后续机械加工比较少。图2为制的Diamond/SiC复合材料物相分析XRD图谱，从图2中可以看出，所制的材料仅含有金刚石和SiC两种物相，无其他杂质存在，根本不存在石墨相，说明制备过程中金刚石未发生石墨化。图3为制的Diamond/SiC复合材料的微观形貌，从图中可以看出SiC相生长均匀，填充在金刚石预制体空隙之间，并覆盖在金刚石相表面，两者之间结合良好，未出现由于热应力而产生的裂纹等问题。

总之该Diamond/SiC复合材料制备方法对实验要求低，具有一定可设计性，所制材料物相纯度高且金刚石与SiC结合良好。

制得的Diamond/SiC复合材料具有优良性能，下面结合实施例对本发明的有益效果做进一步说明。

附图说明

图1是本发明制备Diamond/SiC复合材料的工艺流程图

图2为所制Diamond/SiC复合材料的物相分析XRD图谱。

图3为所制Diamond/SiC复合材料的表面及切面扫描电子显微镜高倍下形貌。

(a)及切面(b)扫描电子显微镜高倍下形貌

具体实施方式

实施例一

本实施例是一种Diamond/SiC复合材料的制备方法，具体过程是：

原料准备：金刚石微粉(平均粒径7微米)30～70wt.%、溶剂甲苯和异丙醇各10～30wt.%、分散剂磷酸三乙酯1～5wt.%、粘结剂聚乙烯醇缩丁醛1～5wt.%、除泡剂正丁醇和乙二醇各0.1～2wt.%、塑化剂丙三醇和邻苯二甲酸二辛酯各0.1～3wt.%；

步骤1：金刚石浆料流延基片制备：具体过程是：

a.将经步骤1原料中金刚石微粉、溶剂甲苯和异丙醇、分散剂磷酸三乙酯按照配比混合进行球磨，球磨时间为7h，球磨滚筒速率为120r/min；

b.将前述球磨好的浆料取出，再按照配比加入塑化剂丙三醇和邻苯二甲酸二辛酯、除泡剂正丁醇和乙二醇，粘结剂聚乙烯醇缩丁醛。之后再次放入滚筒式球磨机，球磨时间和球磨滚筒速率同上；

c.球磨完毕，对浆料进行抽真空处理，抽真空至-0.10MPa以下，目的在于除去浆料中的气泡。同时准备进行浆料流延，在玻璃基板上涂一层硅油，流延浆料厚度为1.25mm。5h空气环境下干燥后，进行金刚石流延基片的脱模，可以得到厚度为0.4mm的流延基片。

步骤2：渗SiC致密化：将得到的金刚石流延基片进行化学气相沉积SiC基体，利用MTS（CH3SiCl3）作为先驱体、氢气作为载气、氩气作为稀释气体，其流率比为1:40:40，其中氩气的流率为350mL/min，总气压为5000Pa，沉积温度为1273K。

步骤3：对沉积完毕的金刚石/碳化硅基片表面打磨，除去表面SiC涂层。然后重复步骤1中采取在金刚石/碳化硅基片正反流延叠层，重复步骤2。经过几次上述的重复过程，我们得到3mm厚的金刚石/碳化硅陶瓷块体，其密度为2.95g/cm3,孔隙率为10.9%。

本实施例得到的Diamond/SiC复合材料试样较相同工艺下的SiC/SiC复合材料试样热导率提高了200%，有效提高了材料的导热性能。

实施例二

原料准备：金刚石微粉(平均粒径20微米)30～70wt.%、溶剂甲苯和异丙醇各10～30wt.%、分散剂磷酸三乙酯1～5wt.%、粘结剂聚乙烯醇缩丁醛1～5wt.%、除泡剂正丁醇和乙二醇各0.1～2wt.%、塑化剂丙三醇和邻苯二甲酸二辛酯各0.1～3wt.%；

步骤1：金刚石浆料流延基片制备：具体过程是：

a.将经步骤1原料中金刚石微粉、溶剂甲苯和异丙醇、分散剂磷酸三乙酯按照配比混合进行球磨，球磨时间为7h，球磨滚筒速率为120r/min；

b.将前述球磨好的浆料取出，再按照配比加入塑化剂丙三醇和邻苯二甲酸二辛酯、除泡剂正丁醇和乙二醇，粘结剂聚乙烯醇缩丁醛。之后再次放入滚筒式球磨机，球磨时间和球磨滚筒速率同上；

c.球磨完毕，对浆料进行抽真空处理，抽真空至-0.10MPa以下，目的在于除去浆料中的气泡。同时准备进行浆料流延，在玻璃基板上涂一层硅油，流延浆料厚度为1.25mm。5h空气环境下干燥后，进行金刚石流延基片的脱模，可以得到厚度为0.4mm的流延基片。

步骤2：渗SiC致密化：将得到的金刚石流延基片进行化学气相沉积SiC基体，利用MTS（CH3SiCl3）作为先驱体、氢气作为载气、氩气作为稀释气体，其流率比为1:40:40，其中氩气的流率为350mL/min，总气压为5000Pa，沉积温度为1273K。

步骤3：对沉积完毕的金刚石/碳化硅基片表面打磨，除去表面SiC涂层。然后重复步骤1中采取在金刚石/碳化硅基片正反流延叠层，重复步骤3。经过几次上述的重复过程，我们得到3mm厚的金刚石/碳化硅陶瓷块体，其密度为3.07g/cm3,孔隙率为9.6%。

本实施例得到的Diamond/SiC复合材料试样较相同工艺下的纯SiC/SiC复合材料试样的热导性能提高了460%。

实施例三

原料准备：金刚石微粉(平均粒径30微米)30～70wt.%、溶剂甲苯和异丙醇各10～30wt.%、分散剂磷酸三乙酯1～5wt.%、粘结剂聚乙烯醇缩丁醛1～5wt.%、除泡剂正丁醇和乙二醇各0.1～2wt.%、塑化剂丙三醇和邻苯二甲酸二辛酯各0.1～3wt.%；

步骤1：金刚石浆料流延基片制备：具体过程是：

a.将经步骤1原料中金刚石微粉、溶剂甲苯和异丙醇、分散剂磷酸三乙酯按照配比混合进行球磨，球磨时间为7h，球磨滚筒速率为120r/min；

b.将前述球磨好的浆料取出，再按照配比加入塑化剂丙三醇和邻苯二甲酸二辛酯、除泡剂正丁醇和乙二醇，粘结剂聚乙烯醇缩丁醛。之后再次放入滚筒式球磨机，球磨时间和球磨滚筒速率同上；

c.球磨完毕，对浆料进行抽真空处理，抽真空至-0.10MPa以下，目的在于除去浆料中的气泡。同时准备进行浆料流延，在玻璃基板上涂一层硅油，流延浆料厚度为1.25mm。5h空气环境下干燥后，进行金刚石流延基片的脱模，可以得到厚度为0.4mm的流延基片。

步骤2：渗SiC致密化：将得到的金刚石流延基片进行化学气相沉积SiC基体，利用MTS（CH3SiCl3）作为先驱体、氢气作为载气、氩气作为稀释气体，其流率比为1:40:40，其中氩气的流率为350mL/min，总气压为5000Pa，沉积温度为1273K。

步骤3：对沉积完毕的金刚石/碳化硅基片表面打磨，除去表面SiC涂层。然后重复步骤1中采取在金刚石/碳化硅基片正反流延叠层，重复步骤3。经过几次上述的重复过程，我们得到3mm厚的金刚石/碳化硅陶瓷块体，其密度为3.06g/cm3,孔隙率为9.8%。

本实施例得到的Diamond/SiC复合材料试样较相同工艺下的纯SiC/SiC复合材料试样的热导性能提高了700%左右。

Claims (2)

1.一种高热导金刚石掺杂SiC陶瓷的制备方法，其特征在于步骤如下： 

步骤1、制备金刚石浆料流延基片： 

（1）将经步骤1金刚石微粉、溶剂甲苯、异丙醇和分散剂磷酸三乙酯按照配比混合进行球磨得到浆料，球磨时间为7h，球磨滚筒速率为120r/min；所述金刚石微粉为wt50%；所述溶剂甲苯为wt20%；所述异丙醇为wt20%；所述分散剂磷酸三乙酯为wt2%； 

（2）再将塑化剂丙三醇、邻苯二甲酸二辛酯、除泡剂正丁醇、乙二醇，粘结剂聚乙烯醇缩丁醛加入浆料中，再次放入滚筒式球磨机，球磨时间和球磨滚筒速率同上；所述塑化剂丙三醇为wt1.5%；所述邻苯二甲酸二辛酯为wt1.5%；所述除泡剂正丁醇为wt1%；所述乙二醇为wt1%；所述粘结剂聚乙烯醇缩丁醛为wt3%； 

（3）进行抽真空处理，抽真空至-0.10MPa以下；然后在玻璃基板上涂一层硅油，流延浆料厚度为1.25mm；5h空气环境下干燥后，进行金刚石流延基片的脱模，得到厚度为0.4mm的金刚石流延基片； 

步骤2、渗SiC致密化：将得到的金刚石流延基片进行化学气相沉积SiC基体，利用MTS（CH₃SiCl₃）作为先驱体，氢气作为载气，氩气作为稀释气体，其流率比为1:40:40，其中氩气的流率为350mL/min，总气压为5000Pa，沉积温度为1273K； 

步骤3：对沉积完毕的金刚石/碳化硅基片表面打磨，除去表面SiC涂层；然后重复步骤1在金刚石/碳化硅基片正反流延叠层，再重复步骤3；经过多次上述的重复得到3mm厚的金刚石/碳化硅陶瓷块体，其密度为2.75g/cm³,孔隙率为19%。 

2.根据权利要求1所述的高热导金刚石掺杂SiC陶瓷的制备方法，其技术特征在于： 

所述金刚石微粉的平均粒径为7微米。 

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