CN105671354B - 一种泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料及制备方法，所述复合材料由泡沫衬底、金刚石强化层、基体材料组成，泡沫衬底为泡沫金属或泡沫陶瓷或泡沫碳。基体材料为铝及其合金。金刚石强化层为金刚石或金刚石与石墨烯或/和碳纳米管的复合。本发明方法制得的复合材料增强相与基体相在三维空间内保持连续分布，使金刚石和基体形成网络互穿构形，有效弱化复合界面对材料热学性能的影响，既不降低金属基体良好塑韧性，又能使增强相成为一个整体，最大限度地发挥增强体的导热效率，使复合材料的热导率、导电率及机械强度相比较传统复合材料有极大提高，是一种很有潜力的多功能复合材料。

Description

一种泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明公开了一种泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料及其制备方法，属于金属复合材料技术领域。
背景技术
随着信息技术的飞速发展，电子及半导体器件的集成度不断增加(如Intel四核处理器i7在270mm2的芯片上集成了约3.71亿个晶体管)，使得器件的功率密度越来越大，发热量迅速攀升，热量不及时散出导致的温升将严重影响器件的工作效率和使用寿命。倘若电子封装材料与半导体芯片之间热膨胀系数不匹配，器件循环工作时产生的热应力易导致器件热疲劳失效。此外，航空航天及交通运输业的快速发展对材料轻量化的要求也日益迫切。因此，高热导率、低热膨胀系数和轻量化是发展现代电子封装材料必须考虑的三大核心要素，在国家“十三五”规划中被列为国家重点支持的新材料。
金刚石是自然界中热导率最高的材料之一(室温可达2200W/mK)，同时其热膨胀系数和密度仅为0.8×10-6/K和3.52g/cm3，将金刚石作为增强相与高导热金属复合，在保证拥有理想热膨胀系数和低密度的同时，可获得更为优异的导热性能。在常见的高导热金属中，铝具有低密度(2.7g/cm3)、高热导率(237W/mK)、低成本、耐腐蚀和易加工等优点，是电子封装领域广泛使用的一种散热材料。因此，将金刚石与铝复合使其兼具高热导、低热膨胀和低密度等优异的综合性能，现已成为新一代电子封装材料的研究热点。
金刚石/铝基复合材料是新一代电子封装材料的研究热点，核心是如何提高材料的导热性能，目前国内外主要研究思路是增加金刚石颗粒含量和改善金刚石颗粒/铝的复合界面，均取得了较好的效果。然而，此种复合结构中的金刚石颗粒(热导率1800-2200W/mK)犹如一座座由金属铝(Al：237W/mK)连接的导热孤岛，既增加了两相界面数量，又难产生协同作用，使金刚石优异的导热性能难以充分发挥。本发明的创新思路是在复合材料中构建连续的金刚石网络骨架，变高导热孤岛为高导热通道。然而，对于传统的颗粒增强型复合材料，网络互穿结构的制备难度很大，尤其是金刚石网络结构的制备，高的脆性、高的模量和硬度导致其很难加工成型。
中国发明专利CN105112754A提出了一种三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料及制备方法，其中金属三维网络骨架衬底采用机械加工方法制备或采用金属线编织而成。然而，传统的机械加工方法属于多维加工，加工工序多，成本较高。此外，机械加工受制于传统机械加工手段和设备的束缚，对三维多孔骨架内部孔径、联通性的精细控制难度较大。采用金属线编织的方法，存在三维孔隙间含有缝隙，且工艺流程复杂等问题。
本专利选用易于制备且无缝连接的泡沫金属或泡沫陶瓷或泡沫碳骨架作为衬底，利用化学气相沉积技术在其表面制备高导热金刚石膜层，构建出高导热金刚石三维网络骨架，再将其与金属基体复合，使高导热金刚石与金属形成双连通三维网络互穿结构，使增强相与基体相在空间都保持连续分布，构成连续的导热通道，产生并联式导热，从而弱化复合界面对材料热学性能的负面影响，既能使增强相作为一个整体充分发挥导热效率，又不降低金属基体在复合材料中的良好塑韧性。同时还可以添加高导热金刚石粉、石墨烯、碳纳米管或降低热膨胀系数的高导热陶瓷颗粒如SiC、AlN等中的一种或多种，实现热学和力学性能的进一步提升。
通过该方法制得的复合材料可以完整地复制了泡沫金属的结构，高导热材料以无缝连接的方式构成一个全连通的整体，以三维网络的形式均匀低分布于复合材料中，具有优异的连续导热能力、电荷传导能力和极低密度，使得复合材料的热导率、导电率及机械强度相比较传统复合材料有极大提高，将会是一种很有潜力的新型多功能复合材料，可以广泛应用于在热管理、电子、能源、交通等国民经济领域。
发明内容
本发明的目的通过化学气相沉积技术复制泡沫金属的结构，使高导热材料以无缝连接的方式构成一个全连通的整体，与铝基形成网络互穿结构，使复合材料具有优异的连续导热能力、电荷传导能力和极低的密度。
本发明泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料，所述复合材料包括增强体、基体材料，所述增强体包括泡沫骨架衬底、金刚石强化层，所述泡沫骨架衬底表面设有金刚石强化层；所述泡沫骨架衬底选自泡沫金属骨架、泡沫陶瓷骨架、泡沫碳骨架中的至少一种，所述基体材料选自铝及其合金。
本发明泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料，所述泡沫金属骨架选自泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛、泡沫钴、泡沫钨、泡沫钼、泡沫铬、泡沫铁镍、泡沫铝中的一种；所述泡沫陶瓷骨架选自泡沫Al2O3、泡沫ZrO2、泡沫SiC、泡沫Si3N4、泡沫BN、泡沫B4C、泡沫AlN、泡沫WC、泡沫Cr7C3中的一种。
本发明泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料，所述泡沫骨架衬底中，泡沫孔径为0.01-10mm，开孔率40-99.9％，泡沫孔洞均匀分布或随机分布；泡沫骨架为平面结构或三维立体结构。
本发明泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料，所述金刚石强化层选自金刚石膜、石墨烯包覆金刚石、碳纳米管包覆金刚石、石墨烯/碳纳米管包覆金刚石中的一种。
本发明泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料，金刚石强化层中，石墨烯包覆金刚石是指在金刚石表面原位生长石墨烯，且石墨烯垂直于金刚石表面形成石墨烯墙；
碳纳米管包覆金刚石是指在金刚石表面原位生长碳纳米管，且碳纳米管垂直于金刚石表面形成碳纳米管林；
石墨烯/碳纳米管包覆金刚石是指在金刚石表面生长石墨烯膜后在催化生长碳纳米管林，且石墨烯在金刚石表面铺展成膜，碳纳米管垂直于金刚石和石墨烯表面形成碳纳米管林。
本发明泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料，基体材料中还添加有强化颗粒，强化颗粒选自高导热颗粒、超硬耐磨颗粒、导电颗粒中的至少一种；所述高导热颗粒选自金刚石粉、石墨烯、碳纳米管、石墨烯包覆金刚石微球、碳纳米管包覆金刚石微球、碳纳米管包覆石墨烯中的至少一种；超硬耐磨颗粒选自金刚石粉、SiC、TiC、TiN、AlN、Si3N4、Al2O3、BN、WC、MoC、Cr7C3中的至少一种；导电颗粒选自石墨、碳纳米管、石墨烯中的至少一种。
本发明泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料，复合材料中，各组分的体积百分含量为：基体材料10-95％，增强体5-80％，强化颗粒体积分数为0-30％。
本发明泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料，增强体中，金刚石强化层体积分数为1-80％，泡沫骨架体积分数为0.1-20％。
本发明泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料，在基体中，增强体以单体增强或多体阵列增强，所述多体阵列增强是指增强体以层片状平行分布或以柱状平行分布于基体中。
一种泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料的制备方法，包括下述步骤：
第一步：增强体的制备
将泡沫骨架衬底清洗、烘干后，采用化学气相沉积在泡沫骨架表面原位生长金刚石，得到增强体；沉积参数为：
沉积金刚石膜：含碳气体质量流量百分比为0.5-10％；生长温度为600-1000℃，生长气压为103-104Pa；或
将泡沫骨架衬底清洗、烘干后，采用化学气相沉积在泡沫骨架表面原位生长石墨烯包覆金刚石、碳纳米管包覆金刚石、碳纳米管/石墨烯包覆金刚石，沉积过程中在泡沫骨架衬底上施加等离子辅助生长，并通过在衬底底部添加磁场把等离子体约束在泡沫骨架近表面，强化等离子对泡沫骨架表面的轰击，使石墨烯垂直于泡沫骨架表面生长，形成石墨烯墙，得到增强体；沉积工艺为：
沉积石墨烯墙：含碳气体质量流量百分比为0.5-80％；生长温度为400-1200℃，生长气压为5-105Pa；等离子电流密度为0-50mA/cm2；沉积区域中磁场强度为100高斯至30特斯拉；
沉积石墨烯包覆金刚石：首先，采用化学气相沉积技术在衬底表面沉积金刚石，沉积参数为：含碳气体质量流量百分比为0.5-10％；生长温度为600-1000℃，生长气压为103-104Pa；然后，再在金刚石表面沉积石墨烯墙，石墨烯垂直于金刚石表面生长，形成石墨烯墙，沉积参数为：含碳气体质量流量百分比为0.5-80％；生长温度为400-1200℃，生长气压为5-105Pa；等离子电流密度为0-50mA/cm2；沉积区域中磁场强度为100高斯至30特斯拉；
沉积碳纳米管包覆金刚石：首先，采用化学气相沉积技术在衬底表面沉积金刚石，沉积参数为：含碳气体质量流量百分比为0.5-10％；生长温度为600-1000℃，生长气压为103-104Pa；然后，在金刚石表面沉积碳纳米管，沉积参数为：含碳气体质量流量百分比为5-50％；生长温度为400-1300℃，生长气压为103-105Pa；等离子电流密度为0-30mA/cm2；沉积区域中磁场强度为100高斯至30特斯拉。
沉积石墨烯/碳纳米管包覆金刚石：首先，采用化学气相沉积技术在衬底表面沉积金刚石，沉积参数为：含碳气体质量流量百分比为0.5-10％；生长温度为600-1000℃，生长气压为103-104Pa；然后，在金刚石表面沉积石墨烯膜，沉积参数为：含碳气体质量流量百分比为0.5-80％；生长温度为400-1200℃，生长气压为5-105Pa；等离子电流密度为0-50mA/cm2；沉积区域中磁场强度为100高斯至30特斯拉；最后，在石墨烯表面沉积碳纳米管林，沉积参数为：含碳气体质量流量百分比为5.0-80.0％；生长温度为400-1200℃，生长气压为5-105Pa；等离子电流密度为0-50mA/cm2。
第二步：采用压力熔渗技术将具有金刚石强化层的增强体与铝基体复合。
本发明一种泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料的制备方法，第一步中，泡沫骨架衬底清洗、烘干后，先采用电镀、化学镀、蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积、物理气相沉积中的一种方法在衬底表面沉积镍、铜、钨、钼、钛、银、铬中的一种或复合金属层，然后，置于纳米晶和微米晶金刚石混合颗粒的悬浊液中，加热至沸腾后，于超声波中震荡、分散均匀，得到网孔中间镶嵌大量纳米晶和微米晶金刚石颗粒的泡沫骨架衬底；对泡面骨架衬底采用化学气相沉积在泡沫骨架表面或金刚石颗粒表面原位生长金刚石膜、石墨烯包覆金刚石、碳纳米管包覆金刚石、碳纳米管/石墨烯包覆金刚石，得到增强体。
本发明一种泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料的制备方法，在增强体表面制备一层改性层后，采用压力熔渗技术与铝基体复合；所述改性层选自钨、碳化钨、钼、碳化钼、铬、碳化铬、钛、碳化钛、镍、铜、铝、铂、钨基合金、钼基合金、铬基合金、钛基合金、镍基合金、铜基合金、铝基合金、铂基合金中的至少一种；采用电镀、化学镀、蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积、物理气相沉积中的一种方法在增强体表面制备改性层。
本发明一种泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料的制备方法，在沉积碳纳米管前，需采用电镀、化学镀、蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积、物理气相沉积中的一种方法在衬底表面沉积镍、铜、钴的一种或复合催化层。
附图说明
附图1为本发明中泡沫骨架在基体中以单体增强的结构示意图。
附图2为本发明中泡沫骨架在基体中以层片状平行分布增强的结构示意图。
附图3a、附图3b为本发明中泡沫骨架在基体中以柱状平行分布增强的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例进一步描述本发明的技术方案。
本发明实施例按以下工艺或步骤进行：
(1)将泡沫骨架衬底放入在乙醇中进行超声震荡清洗，取出烘干待用；
(2)采用电镀、化学镀、蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积、物理气相沉积中的一种方法在泡沫骨架表面制备中间过渡层，所述的中间过渡层包括镍、铜、钨、钼、钛、银、铬中的一种或复合金属层；
(3)将纳米晶和微米晶金刚石混合颗粒、泡沫骨架衬底、溶剂混合，加热至沸腾，然后，置于大功率超声波中震荡30min、分散均匀后，取出泡沫骨架衬底烘干，得到网孔中间镶嵌大量纳米晶和微米晶金刚石颗粒的泡沫骨架衬底；
(4)采用热丝化学气相沉积在金属衬底表面沉积连续致密的金刚石强化层，所述金刚石强化层为选自金刚石膜、石墨烯包覆金刚石、碳纳米管包覆金刚石、碳纳米管/石墨烯复合包覆金刚石膜中的至少一种；
(5)具有石墨烯强化层的泡沫骨架与基体材料复合之前，为改善强化层与基体材料的结合性能，需对强化层进行表面改性处理，采用电镀、化学镀、蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积、物理气相沉积中的一种方法在具有石墨烯强化层的泡沫骨架表面制备钨、碳化钨、钼、碳化钼、铬、碳化铬、钛、碳化钛、镍、铜、铝、铂、钨合金、钼合金、铬合金、钛合金、镍合金、铜合金、铝合金、铂合金中的至少一种改性层；
(6)经表面改性处理后的泡沫骨架增强体在基体中的布设方式可分为如下三种方式:a.泡沫金刚石骨架作为整体增强体与基体复合，复合材料整体形成金刚石/铝网络互穿结构；b.泡沫金刚石骨架作为片状增强体与基体复合，增强体在基体中的排布方向为平行排布；c.泡沫金刚石骨架作为条状增强体与基体复合，增强体在基体中的排布方向为平行排布；
(7)采用压力熔渗技术将具有强化层的泡沫骨架与铝基体复合。
实施例一:
泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料，本例中采用孔径为0.2mm泡沫铜作为衬底，泡沫金刚石增强体占复合材料体积分数20％，首先按照步骤(1)对泡沫铜三维网络衬底进行清洗，之后按步骤(2)采用磁控溅射技术在泡沫铜三维网络骨架表面沉积厚度为150nm的钨膜作为中间过渡层；然后按照步骤(3)得到网孔中间镶嵌大量纳米晶和微米晶金刚石颗粒的泡沫骨架衬底；步骤(4)采用热丝CVD沉积金刚石膜，沉积工艺参数：热丝距离6mm，基体温度800℃，热丝温度2200℃，沉积压强3KPa，CH4/H2体积流量比1:99，调控沉积时间得到金刚石膜厚度60μm，即得到泡沫铜衬底金刚石三维网络骨架；之后按照步骤(5)在与基体材料复合之前，采用真空蒸发的方法在泡沫金刚石骨架表面蒸镀一层金属钼膜进行表面改性，钼膜厚度为250nm；(4)将表面镀钼的泡沫金刚石骨架置于模具中，采用作为片状增强体在基体中平行设置进行复合；(7)采用真空挤压铸造法将具有金刚石强化层的泡沫骨架与铝基体复合，具体工艺参数如下：泡沫金刚石骨架预制件加热至620℃恒温1h，成型模具加热至400℃恒温1h，纯铝熔化加热至740℃恒温1h后除气去渣；现将铝液浇注再将网络骨架预制件置于静模上，动模下行合模，合模后用压铸真空机对模腔抽真空，当模腔真空度小于1000Pa时，挤压头开始加压，最终铸造压力为120MPa，保压2分钟后脱模得到泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料。性能测试结果：热导率为654W/(m·K)。
实施例二:
泡沫金刚石/石墨烯骨架增强铝合金复合材料，本例中采用孔径为0.3mm泡沫镍作为衬，泡沫金刚石增强体占复合材料体积分数30％，首先按照步骤(1)对泡沫镍三维网络衬底进行清洗，之后按步骤(2)采用蒸镀的方法在泡沫镍三维网络骨架表面沉积厚度为300nm的铬膜作为中间过渡层；然后按照步骤(3)得到网孔中间镶嵌大量纳米晶和微米晶金刚石颗粒的泡沫骨架衬底；按照步骤(2)采用热丝CVD沉积金刚石膜，沉积工艺参数：热丝距离6mm，基体温度900℃，热丝温度2200℃，沉积压强3KPa，CH4/H2体积流量比1:99，调控沉积时间得到金刚石膜厚度200μm，得到泡沫镍衬底金刚石三维网络骨架，再在金刚石表面利用等离子辅助化学气相沉积在金刚石表面原位生长石墨烯，沉积过程中在泡沫骨架衬底上施加等离子辅助生长，并通过在衬底底部添加磁场把等离子体约束在泡沫骨架近表面，强化等离子对泡沫骨架表面的轰击，使石墨烯垂直于金刚石表面生长，获得网孔中含有大量石墨烯包覆金刚石高导热颗粒和骨架表面生长大量石墨烯墙的泡沫骨架，沉积参数为：基体温度为800℃，沉积气压为5.0kPa，CH4/H2体积流量比15:85，等离子电流密度5mA/cm2；同时外加电场下作用下控制石墨烯的生长取向，使它们垂直与金刚石表面形成石墨烯墙，得到石墨烯包覆金刚石膜的强化层，其中沉积区域中磁场强度为500高斯，沉积时间为40min，得到泡沫石墨烯包覆金刚石三维网络骨架；之后按照步骤(5)在与基体材料复合之前，采用电镀的方法在泡沫石墨烯骨架表面电镀一层金属铜膜进行表面改性，铜膜厚度为1μm；(6)将泡沫金刚石骨架增强骨架置于模具中，采用作为条状增强体在基体中平行排布设置进行复合；(7)采用真空压力铸造法将具有石墨烯包覆金刚石复合强化层的泡沫骨架与铝基体复合，具体工艺参数如下：泡沫骨架预制件加热至620℃恒温1h，成型模具加热至340℃恒温1h，铝合金(牌号1050)熔化加热至740℃恒温0.5h后除气去渣；铝液浇注合模且冲头超过浇注口后用压铸真空机对模腔抽真空，当模腔真空度小于1000Pa时，冲头继续加压，最终铸造压力为80MPa，保压2分钟后脱模得到泡沫石墨烯包覆金刚石骨架增强铝合金复合材料。性能测试结果：轴向热导率为1089W/(m·K)。
实施例三:
表面具有石墨烯/碳纳米管包覆泡沫金刚石骨架增强铝合金复合材料，本例中采用孔径为2mm泡沫铜作为衬底，泡沫金刚石增强体占复合材料体积分数70％，首先按照步骤(1)对泡沫铜三维网络衬底进行清洗，之后按步骤(2)采用溅射的方法在泡沫铜三维网络骨架表面沉积厚度为100nm的钨膜作为中间过渡层；按照步骤(3)得到网孔中间镶嵌大量纳米晶和微米晶金刚石颗粒的泡沫骨架衬底；按照步骤(4)直接采用热丝CVD沉积金刚石膜，沉积工艺参数：热丝距离6mm，基体温度800℃，热丝温度2300℃，沉积压强3KPa，CH4/H2体积流量比1:99，通过控制沉积时间得到金刚石膜厚度400μm，即得到泡沫钨衬底金刚石三维网络骨架；再利用等离子辅助化学气相沉积在金刚石三维网络骨架表面生长石墨烯，沉积过程中在泡沫骨架衬底上施加等离子辅助生长，并通过在衬底底部添加磁场把等离子体约束在泡沫骨架近表面，强化等离子对泡沫骨架表面的轰击，使石墨烯垂直于金刚石表面生长，获得网孔中含有大量石墨烯包覆金刚石高导热颗粒和骨架表面生长大量石墨烯墙的泡沫骨架，沉积参数为：基体温度为900℃，沉积气压为5.0kPa，CH4/H2体积流量比10:90，等离子电流密度35mA/cm2；同时外加电场下作用下控制石墨烯的生长取向，使它们垂直与金刚石表面形成石墨烯墙，得到石墨烯包覆金刚石膜的强化层，其中沉积区域中磁场强度为800高斯，得到泡沫铜衬底石墨烯包覆金刚石三维网络骨架；再磁控溅射在石墨烯表面沉积一层镍，然后利用等离子辅助化学气相沉积在石墨烯表面催化生长碳纳米管，同时外加电场下作用下控制碳纳米管的生长取向，使它们垂直与石墨烯表面形成碳纳米管林，得到碳纳米管/石墨烯膜复合包覆金刚石的强化层，沉积参数为：甲烷、氢气质量流量百分比为15:85；生长温度为600℃，生长气压3000Pa；等离子电流密度5mA/cm2；沉积区域中磁场强度为500高斯，得到泡沫钨衬底碳纳米管/石墨烯膜复合包覆金刚石三维网络骨架；之后按照步骤(5)在与基体材料复合之前，采用电镀的方法在具有竖立的碳纳米管林阵列的泡沫金刚石骨架表面电镀一层金属铜膜，铜膜厚度为500nm；(6)将表面镀铜的泡沫骨架置于模具中，采用作为整体增强体的布设方式与基体进行复合；(7)采用真空气压铸造法将泡沫骨架与铝基体复合，具体工艺参数如下：真空室压力5Pa，网络骨架和成型模具加热温度720℃恒温2h，铝合金(牌号6063)熔化加热温度760℃恒温1小时，浸渗入压力为8MPa，保压冷却至400℃卸压，脱模得到复合材料。碳纳米管/石墨烯膜复合包覆金刚石泡沫增强铝合金复合材料。性能测试结果：复合材料整体热导率为894W/(m·K)。
实施例四:
泡沫石墨烯/金刚石骨架增强铝基复合材料，本例中采用孔径为2mm多孔陶瓷氧化铝作为衬底，泡沫石墨烯/金刚石增强体占复合材料体积分数15％，首先按照步骤(1)对泡沫氧化铝三维网络衬底进行清洗，之后按步骤(2)采用磁控溅射的技术在泡沫氧化铝三维网络骨架表面沉积厚度为200nm的钨膜作为中间过渡层；然后按照步骤(3)得到网孔中间镶嵌大量纳米晶和微米晶金刚石颗粒的泡沫骨架衬底；然后按照步骤(4)采用热丝CVD沉积金刚石膜，沉积工艺参数：热丝距离6mm，基体温度800℃，热丝温度2200℃，沉积压强3KPa，CH4/H2体积流量比1:99，通过控制沉积时间得到金刚石膜厚度60μm，即得到泡沫氧化铝衬底金刚石三维网络骨架；再利用等离子辅助化学气相沉积在在金刚石表面原位生长石墨烯，沉积过程中在泡沫骨架衬底上施加等离子辅助生长，并通过在衬底底部添加磁场把等离子体约束在泡沫骨架近表面，强化等离子对泡沫骨架表面的轰击，使石墨烯垂直于金刚石表面生长，获得网孔中含有大量石墨烯包覆金刚石高导热颗粒和骨架表面生长大量石墨烯墙的泡沫骨架，沉积参数为：基体温度为1000℃，沉积气压为5.0kPa，CH4/H2体积流量比25:75，等离子电流密度5mA/cm2；同时外加电场下作用下控制石墨烯的生长取向，使它们垂直与金刚石表面形成石墨烯墙，得到石墨烯包覆金刚石膜的强化层，其中沉积区域中磁场强度为300高斯，得到石墨烯包覆金刚石三维网络骨架，之后按照步骤(5)采用蒸镀方法在泡沫金刚石骨架表面蒸镀一层金属钛膜，蒸镀工艺：功率为200W，压强0.3Pa，基体温度350℃，氩气流量50sccm，钛膜厚度为500nm；(6)将表面镀钛的泡沫金刚石骨架置于模具中，采用作为整体增强体的布设方式与基体进行复合；(7)将高导热泡沫骨架体积的2倍铝硅合金放置在骨架上方，其中Si的质量含量为15％，然后放入加热炉中，在高纯氮气保护下900℃保温30min，即可制得泡沫石墨烯/金刚石骨架增强铝合金复合材料，复合材料热导率分别为497W/(m·K)。
实施例五:
泡沫金刚石/碳纳米管骨架增强铝基复合材料，本例中采用孔径为0.3mm泡沫碳作为衬底，泡沫金刚石增强体占复合材料体积分数40％，首先按照步骤(1)对泡沫碳三维网络衬底进行清洗，之后按步骤(2)采用磁控溅射技术在泡沫碳三维网络骨架表面沉积厚度为50nm的钼膜作为中间过渡层；然后按照步骤(3)得到网孔中间镶嵌大量纳米晶和微米晶金刚石颗粒的泡沫骨架衬底；步骤(4)采用热丝CVD沉积金刚石膜，沉积工艺参数：热丝距离6mm，基体温度800℃，热丝温度2200℃，沉积压强3KPa，CH4/H2体积流量比1:99，通过控制沉积时间得到金刚石膜厚度200μm，即得到泡沫碳衬底金刚石三维网络骨架；再采用磁控溅射在金刚石表面沉积一层镍，然后利用等离子辅助化学气相沉积在金刚石表面催化生长碳纳米管，同时外加电场下作用下控制碳纳米管的生长取向，使它们垂直与金刚石表面形成碳纳米管林，得到泡沫铜金刚石/碳纳米管三维网络骨架，沉积参数为：甲烷/氢气质量流量百分比为10％；生长温度为600℃，生长气压3000Pa；等离子电流密度5mA/cm2；沉积区域中磁场强度为500高斯。之后按照步骤(5)在与基体材料复合之前，采用真空蒸发的方法在泡沫金刚石/碳纳米管骨架表面蒸镀一层金属钨膜进行表面改性，钨膜厚度为150nm；(6)将表面镀钨的泡沫金刚石/碳纳米管骨架置于模具中，采用作为片状增强体在基体中平行设置进行复合；(7)采用真空挤压铸造法将具有泡沫金刚石/碳纳米管骨架与铝基体复合，具体工艺参数如下：泡沫骨架预制件加热至620℃恒温1h，成型模具加热至400℃恒温1h，纯铝熔化加热至740℃恒温1h后除气去渣；现将铝液浇注再将网络骨架预制件置于静模上，动模下行合模，合模后用压铸真空机对模腔抽真空，当模腔真空度小于1000Pa时，挤压头开始加压，最终铸造压力为120MPa，保压2分钟后脱模，即可制得泡沫金刚石/碳纳米管骨架增强铝基复合材料，复合材料热导率为715W/(m·K)。
从以上实施例得到的热导率数据可知，本发明制备的泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料的热导率获得了巨大提升，热导率高达1089W/mK，本发明制得的复合材料完整地复制了泡沫骨架的结构，高导热材料以无缝连接的方式构成一个全连通的整体，增强相与基体相在三维空间内保持连续分布，形成网络互穿结构，可有效弱化复合界面对材料热学性能的影响，既不降低金属基体良好塑韧性，又能使增强相成为一个整体，最大限度发挥增强体的导热效率，使复合材料具有优异的连续导热能力、电荷传导能力和极低密度，综合性能明显优于传统的金属基复合材料，是一种很有潜力的多功能复合材料，可以广泛应用于在热管理、电子、机械、能源、交通等国民经济领域。

Claims (10)

1.泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料，其特征在于，所述复合材料包括增强体、基体材料，所述增强体包括泡沫骨架衬底、金刚石强化层，所述泡沫骨架衬底表面设有金刚石强化层；所述泡沫骨架衬底选自泡沫金属骨架、泡沫陶瓷骨架、泡沫碳骨架中的至少一种，所述基体材料选自铝及铝基合金；
所述金刚石强化层选自金刚石膜、石墨烯包覆金刚石、碳纳米管包覆金刚石、石墨烯/碳纳米管包覆金刚石中的一种；
所述增强体采用下述方案制备：
泡沫骨架衬底清洗、烘干后，先采用电镀、化学镀、蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积、物理气相沉积中的一种方法在衬底表面沉积镍、铜、钨、钼、钛、银、铬中的一种或复合金属层，然后，对泡面骨架衬底采用化学气相沉积在泡沫骨架表面原位生长金刚石膜、石墨烯包覆金刚石、碳纳米管包覆金刚石、碳纳米管/石墨烯包覆金刚石，得到增强体。
2.根据权利要求1所述的泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料，其特征在于，所述泡沫金属骨架选自泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛、泡沫钴、泡沫钨、泡沫钼、泡沫铬、泡沫铁镍、泡沫铝中的一种；所述泡沫陶瓷骨架选自泡沫A12O3、泡沫ZrO2、泡沫SiC、泡沫Si3N4、泡沫BN、泡沫B4C、泡沫AlN、泡沫WC、泡沫Cr7C3中的一种。
3.根据权利要求2所述的泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料，其特征在于，所述泡沫骨架衬底中，泡沫孔径为0.01-10mm，开孔率40-99.9％，泡沫孔洞均匀分布或随机分布；泡沫骨架为平面结构或三维立体结构。
4.根据权利要求3所述的泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料，其特征在于，金刚石强化层中，石墨烯包覆金刚石是指在金刚石表面原位生长石墨烯，且石墨烯垂直于金刚石表面形成石墨烯墙；
碳纳米管包覆金刚石是指在金刚石表面催化生长碳纳米管，且碳纳米管垂直于金刚石表面形成碳纳米管林；
石墨烯/碳纳米管包覆金刚石是指在金刚石表面原位生长石墨烯膜后再催化生长碳纳米管林，且石墨烯在金刚石表面铺展成膜，碳纳米管垂直于金刚石和石墨烯表面形成碳纳米管林。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料，其特征在于，基体材料中还添加有强化颗粒，强化颗粒选自高导热颗粒、超硬耐磨颗粒、导电颗粒中的至少一种；所述高导热颗粒选自金刚石粉、石墨烯、碳纳米管、石墨烯包覆金刚石微球、碳纳米管包覆金刚石微球、碳纳米管包覆石墨烯中的至少一种；超硬耐磨颗粒选自金刚石粉、SiC、TiC、TiN、AlN、Si3N4、Al2O3、BN、WC、MoC、Cr7C3中的至少一种；导电颗粒选自石墨、碳纳米管、石墨烯中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料，其特征在于，复合材料中，各组分的体积百分含量为：基体材料10-95％，增强体5-80％，强化颗粒体积分数0-30％，各组分体积百分之和为100％。
7.根据权利要求6所述的泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料，其特征在于，在基体中，增强体以单体增强或多体阵列增强，所述多体阵列增强是指增强体以层片状平行分布或以柱状平行分布于基体中。
8.一种泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料的制备方法，包括下述步骤：
第一步：增强体的制备
将泡沫骨架衬底清洗、烘干后，先采用电镀、化学镀、蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积、物理气相沉积中的一种方法在衬底表面沉积镍、铜、钨、钼、钛、银、铬中的一种或复合金属层后，采用化学气相沉积在泡沫骨架表面原位生长金刚石，得到增强体；沉积参数为：
沉积金刚石膜：含碳气体质量流量百分比为0.5-10％；生长温度为600-1000℃，生长气压为103-104Pa；或
将泡沫骨架衬底清洗、烘干后，先采用电镀、化学镀、蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积、物理气相沉积中的一种方法在衬底表面沉积镍、铜、钨、钼、钛、银、铬中的一种或复合金属层，然后，采用化学气相沉积在泡沫骨架表面原位生长石墨烯包覆金刚石、碳纳米管包覆金刚石、碳纳米管/石墨烯包覆金刚石，沉积过程中在泡沫骨架衬底上施加等离子辅助生长，并通过在衬底底部添加磁场把等离子体约束在泡沫骨架近表面，强化等离子对泡沫骨架表面的轰击，使石墨烯垂直于泡沫骨架表面生长，形成石墨烯墙，得到增强体；沉积工艺为：
沉积石墨烯墙：含碳气体质量流量百分比为0.5-80％；生长温度为400-1200℃，生长气压为5-105Pa；等离子电流密度为0-50mA/cm2；沉积区域中磁场强度为100高斯至30特斯拉；
沉积石墨烯包覆金刚石：首先，采用化学气相沉积技术在衬底表面沉积金刚石，沉积参数为：含碳气体质量流量百分比为0.5-10％；生长温度为600-1000℃，生长气压为103-104Pa；然后，再在金刚石表面沉积石墨烯墙，石墨烯垂直于金刚石表面生长，形成石墨烯墙，沉积参数为：含碳气体质量流量百分比为0.5-80％；生长温度为400-1200℃，生长气压为5-105Pa；等离子电流密度为0-50mA/cm2；沉积区域中磁场强度为100高斯至30特斯拉；
沉积碳纳米管包覆金刚石：首先，采用化学气相沉积技术在衬底表面沉积金刚石，沉积参数为：含碳气体质量流量百分比为0.5-10％；生长温度为600-1000℃，生长气压为103-104Pa；然后，在金刚石表面采用电镀、化学镀、蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积、物理气相沉积中的一种方法在衬底表面沉积镍、铜、钴的一种或复合催化层，最后沉积碳纳米管，沉积参数为：含碳气体质量流量百分比为5-50.0％；生长温度为400-1300℃，生长气压为103-105Pa；等离子电流密度为0-30mA/cm2；沉积区域中磁场强度为100高斯至30特斯拉；
沉积石墨烯/碳纳米管包覆金刚石：首先，采用化学气相沉积技术在衬底表面沉积金刚石，沉积参数为：含碳气体质量流量百分比为0.5-10％；生长温度为600-1000℃，生长气压103-104Pa；然后，在金刚石表面沉积石墨烯膜，沉积参数为：含碳气体质量流量百分比为0.5-80％；生长温度为400-1200℃，生长气压为5-105Pa；等离子电流密度为0-50mA/cm2；沉积区域中磁场强度为100高斯至30特斯拉；最后，在石墨烯表面采用电镀、化学镀、蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积、物理气相沉积中的一种方法在衬底表面沉积镍、铜、钴的一种或复合催化层后，沉积碳纳米管林，沉积参数为：含碳气体质量流量百分比为5-80％；生长温度为400-1200℃，生长气压为5-105Pa；等离子电流密度为0-50mA/cm2；
第二步：采用压力熔渗技术将具有金刚石强化层的增强体与铝基体复合。
9.根据权利要求8所述的一种泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料的制备方法，其特征在 于：第一步中，在泡沫骨架衬底衬底表面沉积金属层后，置于纳米晶和微米晶金刚石混合颗粒的悬浊液中，加热至沸腾后，于超声波中震荡、分散均匀，得到网孔中间镶嵌大量纳米晶和微米晶金刚石颗粒的泡沫骨架衬底；对泡面骨架衬底采用化学气相沉积在泡沫骨架表面或金刚石颗粒表面原位生长金刚石膜、石墨烯包覆金刚石、碳纳米管包覆金刚石、碳纳米管/石墨烯包覆金刚石，得到增强体。
10.根据权利要求8或9所述的一种泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：在增强体表面制备一层改性层后，采用压力熔渗技术与铝基体复合；所述改性层选自钨、碳化钨、钼、碳化钼、铬、碳化铬、钛、碳化钛、镍、铜、铝、铂、钨基合金、钼基合金、铬基合金、钛基合金、镍基合金、铜基合金、铝基合金、铂基合金中的至少一种；采用电镀、化学镀、蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积、物理气相沉积中的一种方法在增强体表面制备改性层。
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