CN105112707B - 一种金刚石/铝复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金刚石/铝复合材料的制备方法，属于微波技术应用和材料粉末冶金技术领域。首先将粒径为80~150μm金刚石颗粒，然后经过碱洗、粗化后按体积比为50~70：50~30加入铝粉混合均匀得到混粉；向得到的混粉中通入保护性气体，在压力为10~35MPa条件下先以5~10℃/min的升温速率微波加热至200~300℃保温5min，再以30~50℃/min的升温速率微波加热至650~750℃热压烧结0.5~1h，烧结完成后冷却脱膜制备得到金刚石/铝复合材料。该方法能简单高效、界面结合性能较好、成本低廉的实现工业化生产出性能优良的金刚石/铝复合材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种金刚石/铝复合材料的制备方法，属于微波技术应用和材料粉末冶金技术领域。
背景技术
随着电子技术的不断发展，电子元器件集成化程度越来越高，发热量也越来越大，微处理器及功率半导体器件在应用过程中常常因为温度过高而无法正常工作，散热问题已成为电子信息产业发展面临的主要技术瓶颈之一。新型微电子封装材料不仅要有高的热导率，还必须具有与半导体材料相匹配的热膨胀系数。现有的电子封装材料主要有 W/Cu、Mo/Cu、SiCp/A1、SiCp/Cu等，已难以满足未来大功率器件散热的需求。
金刚石具有良好的物理性能，其室温热导率为600-2200W/(m·K)，热膨胀系数为0.8×10-6/K， 其兼具高热导率和低热膨胀系数。随着金刚石产业的不断发展，其生产成本不断降低，金刚石颗粒常作为增强体与金属基体(Al、Cu、Ag 等)制备成复合材料用于电子封装。其中，铝和铝合金具有较高的比强度、优异的耐腐蚀性和较低的密度，再加上较低的制造成本和材料价格，使得其成为金属基复合材料中应用较广的基体材料。因此，金刚石/铝复合材料是一种具有广阔应用前景的新型电子封装材料。但金刚石与铝存在润湿性较差，热膨胀系数差别大的问题，使得二者很难形成紧密的界面结合，进而影响复合材料的热物性能和力学性能。
为了实现界面的紧密结合，从而提高材料热导率，国内外研究人员普遍通过金属基体合金化、金刚石颗粒表面改性和先进成形技术等多种方法对两相界面进行调控。其中，目前所研究的先进成形技术主要包括无压浸渗、挤压浸渗、气压辅助浸渗、真空热压烧结和放电等离子体烧结等方法。
在上述所有的这些方法中，金属基体合金化和金刚石颗粒表面改性方法可以实现很好的界面结合，但同时却使得成型工艺复杂化，而合金元素引入所带来的不良影响也会限制其进一步发展；无压浸渗和挤压浸渗法成本相对较低，但其效果不太理想；气压辅助浸渗和真空热压烧结法所存在的问题是制备成本较高，设备不易控制，难以实现工业化生产；放电等离子体烧结法相对来说是目前较优的方法，但其仍存在对高金刚石含量的复合散热材料烧结致密化较困难、设备昂贵等问题。因此，开发一种制备工艺简单、效果较好、成本较低且易于实现工业化的金刚石/铝复合材料制备方法显得十分必要。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种金刚石/铝复合材料的制备方法。该方法能简单高效、界面结合性能较好、成本低廉的实现工业化生产出性能优良的金刚石/铝复合材料，本发明通过以下技术方案实现。
一种金刚石/铝复合材料的制备方法，其具体步骤如下：
（1）首先将粒径为80~150μm金刚石颗粒，然后经过碱洗、粗化后按体积比为50~70：50~30加入铝粉混合均匀得到混粉；
（2）向步骤（1）得到的混粉中通入保护性气体，在压力为10~35MPa条件下先以5~10℃/min的升温速率微波加热至200~300℃保温5min，再以30~50℃/min的升温速率微波加热至650~750℃热压烧结0.5~1h，烧结完成后冷却脱膜制备得到金刚石/铝复合材料。
所述步骤（1）中铝粉粒径为30~100μm，纯度大于99.9%。
所述步骤（2）中的保护性气体为体积比为20：80的H2和Ar混合气体。
本发明的有益效果是：
1、本发明方法金刚石微粒表面采用稀碱溶液进行了除油，并用浓硝酸进行了粗化处理，可以使得铝基体更易和金刚石微粒粘附且界面接触面积增大。
2、本发明方法微波加热烧结本身就具有促进复合材料致密化的作用，再外加成型压力的作用，可以实现基体更为均匀、有效传递，最大限度地改善金属熔体与金刚石颗粒的接触，提高界面反应动力学，从而得到致密性较好、界面接触良好且整体性能较好的复合材料烧结体。
3、本发明方法微波加热升温速率快，加热效率高，且由于微波催化活化及外加压力的促进作用，可以降低烧结温度和缩短保温时间，烧结温度仅为650～750℃，保温时间仅为0.5～1h；而我们知道常规制备方法如浸渗法，一般所需温度大于800℃，保温时间一般为1～2h，甚至更高，而高温会促进Al4C3的生成，其生成量量随着浸渗温度的增加而增加，由于Al4C3的热导率与金刚石相比相差很多，其的产生对复合材料热导率的影响是不利的。本发明方法可以大大减少Al4C3相的生成，避免其造成不利影响。
4、本发明方法由于相对较低的烧结温度和较短的保温时间，不仅在节约能源方面很有优势，还可防止金刚石受高温氧化侵蚀，减少其热烧损和石墨化的倾向，我们知道金刚石在空气中约750℃时就会发生石墨化，失去其优异性能。
5、本发明方法制备的金刚石/铝复合材料中增强体的体积分数可达55～70%，可改善普通工艺条件下金刚石体积分数过高时整体致密度不好的问题，而我们知道，高体积含量的金刚石复合材料才能得到较高的热导率和较低的热膨胀系数。
6、本发明方法工艺简单，易操作，成本相对较低，环境友好，可实现工业化生产。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图；
图2是本发明实施例3制备得到的金刚石/铝复合材料微观形貌图；
图3是本发明实施例3制备得到的金刚石/铝复合材料两相界面结合形貌图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示，该金刚石/铝复合材料的制备方法，其具体步骤如下：
（1）首先将5g粒径为80μm金刚石颗粒，然后经过碱洗（采用60ml浓度为10wt.％的NaOH溶液中煮沸30min，用蒸馏水冲洗2~3次，除去金刚石表面的油脂等污物，除油过程中采用磁力搅拌器进行搅）、粗化（采用60ml浓度为30wt.%的硝酸溶液煮沸30min，蒸馏水洗2~3次，使表面粗化，以增加其和基体的接触面积，粗化过程中采用磁力搅拌器进行搅拌）后按体积比为50：50加入铝粉（粒径为30μm，纯度大于99.9%）混合均匀得到混粉；
（2）将步骤（1）得到的混粉置于石墨模具中后放置在微波热压烧结炉腔体中，通入保护性气体，在压力为10MPa条件下先以5℃/min的升温速率微波加热至200℃保温5min，再以30℃/min的升温速率微波加热至650℃热压烧结0.5h，烧结完成后冷却脱膜制备得到金刚石/铝复合材料，其中保护性气体为体积比为20：80的H2和Ar混合气体，混合气体的通入量为10000ml/min。
实施例2
如图1所示，该金刚石/铝复合材料的制备方法，其具体步骤如下：
（1）首先将5g粒径为150μm金刚石颗粒，然后经过碱洗（采用60ml浓度为10wt.％的NaOH溶液中煮沸30min，用蒸馏水冲洗2~3次，除去金刚石表面的油脂等污物，除油过程中采用磁力搅拌器进行搅）、粗化（采用60ml浓度为30wt.%的硝酸溶液煮沸30min，蒸馏水洗2~3次，使表面粗化，以增加其和基体的接触面积，粗化过程中采用磁力搅拌器进行搅拌）后按体积比为70：30加入铝粉（粒径为80μm，纯度大于99.9%）混合均匀得到混粉；
（2）将步骤（1）得到的混粉置于石墨模具中后放置在微波热压烧结炉腔体中，通入保护性气体，在压力为35MPa条件下先以10℃/min的升温速率微波加热至300℃保温5min，再以50℃/min的升温速率微波加热至750℃热压烧结1h，烧结完成后冷却脱膜制备得到金刚石/铝复合材料，其中保护性气体为体积比为20：80的H2和Ar混合气体，混合气体的通入量为10000ml/min。
实施例3
如图1所示，该金刚石/铝复合材料的制备方法，其具体步骤如下：
（1）首先将5g粒径为100μm金刚石颗粒，然后经过碱洗（采用60ml浓度为10wt.％的NaOH溶液中煮沸30min，用蒸馏水冲洗2~3次，除去金刚石表面的油脂等污物，除油过程中采用磁力搅拌器进行搅）、粗化（采用60ml浓度为30wt.%的硝酸溶液煮沸30min，蒸馏水洗2~3次，使表面粗化，以增加其和基体的接触面积，粗化过程中采用磁力搅拌器进行搅拌）后按体积比为65：35加入铝粉（粒径为100μm，纯度大于99.9%）混合均匀得到混粉；
（2）将步骤（1）得到的混粉置于石墨模具中后放置在微波热压烧结炉腔体中，通入保护性气体，在压力为25MPa条件下先以8℃/min的升温速率微波加热至250℃保温5min，再以40℃/min的升温速率微波加热至710℃热压烧结0.8h，烧结完成后冷却脱膜制备得到金刚石/铝复合材料，其中保护性气体为体积比为20：80的H2和Ar混合气体，混合气体的通入量为10000ml/min。
本实施例制备的金刚石/铝复合材料的微观形貌如图2所示，金刚石颗粒均匀的分布于基体之间，没有出现明显偏聚或团簇，金刚石颗粒突出表面且轮廓清晰，而且，烧结较为充分，基体组织中不存在明显的孔洞等显微缺陷；本实施例制备的金刚石/铝复合材料样品的两相界面结合形貌如图3所示，从图中可以看出金刚石被铝基体紧紧包覆，两相界面间无间隙、无孔隙，结合十分紧密，而且两相界面处未见明显的裂纹和空洞等显微缺陷存在。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (3)
1.一种金刚石/铝复合材料的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
（1）首先将粒径为80~150μm金刚石颗粒，然后经过碱洗、粗化后按体积比为50~70：50~30加入铝粉混合均匀得到混粉；
（2）向步骤（1）得到的混粉中通入保护性气体，在压力为10~35MPa条件下先以5~10℃/min的升温速率微波加热至200~300℃保温5min，再以30~50℃/min的升温速率微波加热至650~750℃热压烧结0.5~1h，烧结完成后冷却脱膜制备得到金刚石/铝复合材料。
2.根据权利要求1所述的金刚石/铝复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中铝粉粒径为30~100μm，纯度大于99.9%。
3.根据权利要求1所述的金刚石/铝复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中的保护性气体为体积比为20：80的H2和Ar混合气体。
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