CN105695831B - 一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料及制备方法 - Google Patents

一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料及制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105695831B
CN105695831B CN201610162488.7A CN201610162488A CN105695831B CN 105695831 B CN105695831 B CN 105695831B CN 201610162488 A CN201610162488 A CN 201610162488A CN 105695831 B CN105695831 B CN 105695831B
Authority
CN
China
Prior art keywords
diamond
film
continuous
composite
super
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610162488.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105695831A (zh
Inventor
马莉
魏秋平
周科朝
余志明
李志友
张龙
叶文涛
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Central South University
Original Assignee
Central South University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Central South University filed Critical Central South University
Priority to CN201610162488.7A priority Critical patent/CN105695831B/zh
Publication of CN105695831A publication Critical patent/CN105695831A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105695831B publication Critical patent/CN105695831B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C26/00—Alloys containing diamond or cubic or wurtzitic boron nitride, fullerenes or carbon nanotubes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G8/00—Condensation polymers of aldehydes or ketones with phenols only
    • C08G8/04—Condensation polymers of aldehydes or ketones with phenols only of aldehydes
    • C08G8/08—Condensation polymers of aldehydes or ketones with phenols only of aldehydes of formaldehyde, e.g. of formaldehyde formed in situ
    • C08G8/10—Condensation polymers of aldehydes or ketones with phenols only of aldehydes of formaldehyde, e.g. of formaldehyde formed in situ with phenol
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/02—Elements
    • C08K3/04—Carbon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K9/00—Use of pretreated ingredients
    • C08K9/02—Ingredients treated with inorganic substances
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/05—Mixtures of metal powder with non-metallic powder
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/10—Alloys containing non-metals
    • C22C1/1005—Pretreatment of the non-metallic additives
    • C22C1/101—Pretreatment of the non-metallic additives by coating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/10—Alloys containing non-metals
    • C22C1/1036—Alloys containing non-metals starting from a melt
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/10—Alloys containing non-metals
    • C22C1/1036—Alloys containing non-metals starting from a melt
    • C22C1/1047—Alloys containing non-metals starting from a melt by mixing and casting liquid metal matrix composites
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/26—Deposition of carbon only
    • C23C16/27—Diamond only

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料及制备方法，所述复合材料由连续的金刚石增强体与基体材料组成，其中连续金刚石增强体由金刚石颗粒预制体通过CVD方法沉积金刚石膜或金刚石复合膜组成，金刚石复合膜为石墨烯包覆金刚石膜、碳纳米管包覆金刚石膜，基体材料为金属或聚合物；本发明将金刚石粉末制成预坯体，再通过化学气相沉积技术在金刚石预坯体表面沉积金刚石膜，在相邻金刚石颗粒接触位置形成金刚石膜，使孤立的金刚石颗粒之间形成连续导热通道。沉积的金刚石膜可作为金刚石颗粒之间的导热桥梁，使本身弥散的金刚石颗粒形成联通结构，从而使复合材料充分利用金刚石的高导热性能，极大提高复合材料的热导率。

Description

一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料及制备方法
技术领域
本发明属于复合材料领域，特别涉及一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料及其制备方法。
背景技术
上世纪六十年代中期，英特尔创始人之一戈登·摩尔提出了著名的摩尔定律，即：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件数目约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能将每隔24个月翻一倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。
这一定律所描述的趋势已经持续了超过半个世纪，指导着电子设备从实验探索、材料设计，到成品生产、市场营销的不断发展。然而，近年来，摩尔定律似乎已经开始面临其物理极限。随着集成电路中所包含电子元器件数目呈几何指数的增长，逻辑运算速率的不断飙升，其故障率也将大大提升。而故障率增大的主要原因之一便是大量电子元器件运行所产生的热量无法及时散去，造成集成电路温度上升。大规模集成电路的允许工作温度范围通常为0-70℃，可靠使用温度范围为0-40℃。半导体器件发热面温度上升到100℃时，性能开始下降，温度由100℃每升高25℃时，故障率将增加5-6倍。传统的散热方式有很多，如：冷冻法、水循环冷却、微型风扇散热等，但这些都不能从根本上解决散热问题。开发出一种新型轻质、低热膨胀系数、超高导热的电子封装材料才是解决集成电路散热问题的关键所在。
近年来，以金刚石增强金属基复合材料为代表的新一代电子封装材料，凭借其极高的热导率，可调的热膨胀系数迅速成为研究热点。现有的研究成果几乎绝大多数都集中在金刚石颗粒增强金属基复合材料，但所得到的热导率远远没有达到预期。2004年，O.Beffort等采用传统压力熔渗法制备金刚石颗粒增强铝基复合材料，但复合材料热导率只有130W/(m·K)。而在之后的几年里以粉末冶金工艺为核心，辅之以金刚石颗粒表面改性技术所制备的致密、高金刚石体含量的新型金刚石颗粒增强金属基复合材料，其热导率较之传统熔渗工艺下的产品有了较大提升，可达500-900W/(m·K)，却仍远远低于金刚石的本征热导率1400-2000W/(m·K)。
限制复合材料热导率的主要因素有三：一、基体相与增强相的本征热导率；二、增强相的体含量；三、基体相与增强相之间的界面热阻。2008年，俄罗斯Ekimov等人在金刚石颗粒质量分数达90～95％的极限条件下，高温高压烧结制备了一种新型的金刚石粉/铜复合材料，该复合型材料的基体为金刚石粉(粒径范围为0～500μm)，铜作为粘结剂使金刚石在高温高压下形成的连续骨架结构，在如此高的金刚石体积含量下，该复合材料的热导率也只达到了900W/(m·K)，说明由于其晶粒间存在铜粘结相，金刚石之间无法形成连续导热通道，铜粘结相与金刚石界面热阻的存在严重影响了金刚石增强相的热增强效应。针对这一现状，本发明提出了一种新型超高导热连续金刚石骨架增强金属基或聚合物基复合材料与其制备方法。
因此，改善增强相金刚石之间的结合界面，形成连续金刚石增强骨架，无疑可以提升金刚石增强金属基复合材料的热导率。
至今为止，未见连续金刚石骨架增强金属基或聚合物基复合材料的公开报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料及制备方法，本发明制备的超高导热连续金刚石骨架增强复合材料，结构合理，基体中增强相由金刚石颗粒预制体通过CVD方法沉积金刚石膜或金刚石复合膜组成，使金刚石晶粒间形成强烈的化学键结合，界面热阻小，有效提升复合材料热导率。
本发明一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料，所述复合材料由连续的金刚石增强体与基体材料组成，其中连续金刚石增强体由金刚石颗粒预制体通过CVD方法沉积金刚石膜或金刚石复合膜组成，金刚石复合膜为石墨烯包覆金刚石膜、碳纳米管包覆金刚石膜，基体材料为金属或聚合物。
本发明一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料，所述连续金刚石增强体是将金刚石颗粒排列构成金刚石预制体，然后，采用CVD法在构成金刚石预制体的金刚石颗粒表明沉积金刚石膜或金刚石复合膜而得到。
本发明一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料，金刚石预制体中，金刚石颗粒的排列方式包括片状排布、块状排布或网络排布；所述片状排布是将金刚石颗粒分布在板状衬底表面，所述网络排布是将金刚石颗粒粘附在二维网络衬底或三维网络衬底上。
本发明一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料，网络排布的金刚石预制体，是将金刚石颗粒、二维网络衬底或三维网络衬底、溶剂混合，加热至沸腾，然后，置于超声波中震荡、分散均匀后，取出二维网络衬底或三维网络衬底烘干，得到二维网络衬底或三维网络衬底表面均匀粘附金刚石颗粒的网络排布金刚石预制体；
块状排布的金刚石预制体是将金刚石颗粒与萘粉混合，加入聚乙烯醇作为粘结剂进行混合造粒，再模压成一定厚度坯体，将坯体干燥至萘及聚乙烯醇挥发，得到块状排布金刚石预制体。
本发明一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料，二维网络衬底材料选自铜网板、钨网板、钼网板、铬网板、钛网板、镍网板、钴网板、铁镍网板、铝网板中的一种；三维网络衬底材料选自泡沫镍、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；块状排布金刚石预制体中金刚石颗粒体积百分含量为50-95％、萘粉体积百分含量为5-50％，模压成坯体厚度为0.5-2mm之间。
本发明一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料，所述金刚石颗粒尺寸为0.5-500μm，本征热导率为1000-2200W/mK。
本发明一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料，在预制体表面采用CVD方法沉积一层金刚石膜，得到连续金刚石增强体，金刚石膜厚度为0.01-2mm；所述CVD方法选自热丝辅助法、微波等离子增强法、火焰燃烧法、直流放电法、直流等离子体喷射法、低压射频法、常压射频法、电子回旋共振法至的一种。
本发明一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料，所述基体材料为金属时，基体材料选自金属铜、铝、铜基合金、铝基合金中的一种；所述铜基合金或铝基合金中，铜、铝的质量百分含量大于等于50％；所述基体材料为聚合物时，聚合物基体为热塑性聚合物或热固性聚合物；所述热塑性聚合物选自聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、尼龙、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、乙二醇酯、聚对苯二甲酸、聚甲醛、聚酰胺、聚砜中的一种；所述热固性聚合物选自环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、氨基树脂、三聚氰胺树脂、不饱和聚酯树脂、有机硅树脂、硅橡胶、发泡聚苯乙烯、聚氨酯中的一种。
本发明一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料，复合材料中，连续金刚石增强体体积分数为10-95％，基体材料体积分数为5-90％。
本发明一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料的制备方法，将连续金刚石增强体置于模具中与基体材料复合，制备得到连续金刚石骨架增强金属基或聚合物基复合材料；
连续金刚石增强体与金属基体复合的方法选自冷压烧结、热压烧结、等离子烧结、无压熔渗、压力熔渗、挤压铸造中的一种；
连续金刚石增强体与聚合物基体复合的方法选自浸渍固化成型、注射成型、压制成型中的一种。
本发明一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料的制备方法，基体材料为金属时，连续金刚石增强体表面改性后再与基体材料复合。
本发明一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料的制备方法，连续金刚石增强体表面改性方法选自物理气相沉积、化学气相沉积、化学镀、电镀中的一种，表面改性层选自石墨烯膜、碳纳米管、钨膜、镍膜、铬膜、钛膜、钼膜中的一种或几种，或表面改性层选自TiC、WC、Cr7C3，NiC、Mo2C中的一种或几种，表面改性层厚度为3nm-2μm。
本发明一种表面改性三维网状碳纤维增强复合材料的制备方法，金刚石膜和金刚石复合膜CVD沉积参数为：
金刚石CVD沉积参数为：含碳气体占炉内全部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；
通过对CVD沉积炉内施加等离子和磁场诱导，并实时调节碳气流量、生长温度、生长气压，实现石墨烯/金刚石、碳纳米管/金刚石的CVD沉积，沉积参数为：
石墨烯CVD沉积参数为：含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.5-80％；生长温度为400-1200℃，生长气压5-105Pa；等离子电流密度0-50mA/cm2；沉积区域中磁场强度为100高斯至30特斯拉。
碳纳米管CVD沉积参数为：含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为5‐50％；生长温度为400‐1300℃，生长气压103‐105Pa；等离子电流密度0‐30mA/cm2；沉积区域中磁场强度为100高斯至30特斯拉。
本发明将金刚石粉末制成预坯体，再通过化学气相沉积技术在金刚石预坯体表面沉积金刚石膜，通过相邻金刚石颗粒接触位置形成金刚石膜，使得原本金刚石颗粒间由模压造成的机械结合方式转变成了连续生长的CVD金刚石晶粒间强烈的化学键结合方式，增强相可形成稳定的三维连通网络结构，较之传统颗粒增强型复合材料，不仅大大减少了金刚石/基体间界面热阻，还形成了连续的超高导热散热通道，可极大地提高复合材料的导热性能，与此同时，金刚石网络在基体材料中的空间分布也能起到提高复合材料的力学性能，降低其密度和热膨胀系数的功能。同时还可通过加入零维颗粒增强体调控其热膨胀系数及力学、热学性能。
具体实施方式
实施例一：
片状排布金刚石骨架增强铝基复合材料，选用厚度为0.5mm的钨片作为金属衬底，连续金刚石增强体体积占复合材料总体积的体积分数为15％，具体制备步骤为(1)将金刚石颗粒、钨片衬底、乙醇溶剂混合，加热至沸腾，然后，置于超声波中震荡，使得金刚石颗粒均匀分散钨片衬底表面后，取出烘干，得到片状排布金刚石预制体；(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850℃，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150μm，即得到片状排布连续金刚石增强体；(3)采用磁控溅射方法在片状排布连续金刚石增强体表面先溅射一层金属钛膜，溅射功率为92W，压强0.5Pa，基体温度300℃，氩气流量20sccm，膜层厚度500nm；(4)将表面镀钛的连续金刚石增强体定向均匀排布于模具中，排布距离1mm，即得到连续金刚石增强体阵列骨架；(5)金刚石片的间隙处填充纯铝粉和金刚石粉混合粉末(Al粉纯度为99.9％，金刚石颗粒形貌规则，颗粒尺寸：80～100μm)，金刚石颗粒采用真空蒸发技术在表面制备了Mo/Cu复合膜层，钼蒸发电流为32A，压强0.1Pa，基体温度400℃，钼膜厚度为200nm，再真空蒸发一层金属铜膜，蒸发电流为30A，压强0.1Pa，基体温度300℃，膜层厚度200nm；(6)沿片状增强体厚度方向进行预压成型，压力为120MPa，然后将压制成型的试样进行热压烧结，制得片状排布金刚石骨架增强铝基复合材料：烧结温度为550℃，烧结压力50MPa，升温速率为，保温时间5min，气氛为真空。采用此工艺制得的高定向导热片状排布金刚石骨架增强铝基复合材料热导率分别为624W/(m·K)。
实施例二：
块状排布金刚石骨架增强酚醛树脂复合材料，连续金刚石增强体体积占复合材料总体积的体积分数为15％，具体制备步骤为(1)将金刚石颗粒与萘粉混合(金刚石颗粒体积百分含量为75wt％、萘粉体积百分含量为25％)，加入聚乙烯醇作为粘结剂进行混合造粒，再模压成厚度为1mm的坯体，将坯体干燥至萘及聚乙烯醇挥发，得到块状排布金刚石预制体。(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180μm，即得到块状排布连续金刚石增强体；(3)将连续金刚石增强体均匀排布于模具中；(4)将1克石墨烯粉、5克水合肼、5克十二烷基苯磺酸钠，浓度为44％的260克甲醛溶液加入到模具中，开动搅拌，缓慢升温至100℃下反应6小时；(5)反应液降温至75℃时，加入酸调节pH到2.3，然后加入600g苯酚后，在95℃下反应2小时，反应后，将反应混合物升温脱水至温度160℃，脱膜取出即得块状排布金刚石骨架增强酚醛树脂复合材料。复合材料热导率分别为112W/(m·K)。
实施例三：
二维网络排布金刚石骨架增强铝基复合材料，选用厚度0.2mm具有二维网络结构的镍网作为衬底，连续金刚石增强体体积占复合材料总体积的体积分数为40％，具体制备步骤为(1)将金刚石颗粒、二维镍网衬底、乙醇溶剂混合，加热至沸腾，然后，置于超声波中震荡，使得金刚石颗粒均匀粘附在二维网络镍衬底表面，取出烘干，得到二维网络排布金刚石预制体；(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850℃，热丝温度2300℃，沉积压强3KPa，CH4/H2体积流量比1:99，控制沉积时间得到金刚石膜厚度500μm，即得到二维网络排布连续金刚石增强体；(3)采用真空蒸发法在二维网络排布连续金刚石增强体表面一层金属铬膜，蒸发电流为36A，压强0.1Pa，基体温度400℃，铬膜厚度为0.1μm，再真空蒸发一层金属铜膜，蒸发电流为30A，压强0.1Pa，基体温度300℃，膜层厚度0.2μm；(4)将表面镀铬/铜膜的连续金刚石增强体定向均匀排布于模具中，排布距离1mm，即得到连续金刚石增强体阵列骨架；(5)将连续金刚石增强体阵列骨架固定放入模具中，将高导连续金刚石增强体阵列骨架体积的2倍Cu-Zn合金放置在骨架上方，其中Zn的质量含量为10％，然后放入加热炉中，在高纯氮气保护下1350℃保温30min，即可制得二维网络排布金刚石骨架增强铝基复合材料，复合材料热导率分别为984W/(m·K)。
实施例四：
三维网络排布金刚石骨架增强环氧树脂复合材料，选用具有三维网络结构的泡沫镍作为衬底，连续金刚石增强体体积占复合材料总体积的体积分数为30％，具体制备步骤为(1)将金刚石颗粒、泡沫铜、乙醇溶剂混合，加热至沸腾，然后，置于超声波中震荡，使得金刚石颗粒均匀粘附在泡沫铜衬底表面，取出烘干，得到三维网络排布金刚石预制体；(2)采用磁控溅射技术在三维网络排布金刚石预制体表面沉积一层可形成强碳化物的钨薄膜作为改性层，溅射功率为92W，压强0.5Pa，基体温度300℃，氩气流量20sccm，膜层厚度500nm；(3)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2300℃，沉积压强3KPa，CH4/H2体积流量比1:99，控制沉积时间得到金刚石膜厚度300μm，即得到三维网络排布连续金刚石增强体；(4)将三维网络排布连续金刚石增强体定向均匀排布于模具中；(5)将100g环氧树脂(牌号E-51)加入到烧瓶中，在60℃下搅拌并超声1小时后，真空脱泡30min，加入4g 2-乙基-4-甲基咪唑，用磁力搅拌器搅拌10min，得到均匀的混合物；将混合物浇入到模具中的高导热续金刚石阵列骨架，真空脱泡20min，按照80℃/2h+100℃/2h+120℃/2h和140℃/4h工艺进行热固化，脱模取出即得到高导热三维网络排布金刚石骨架增强环氧树脂复合材料，性能测试结果：热导率为268W/(m·K)。
从以上实施例得到的热导率数据可知，本发明制备的超高连续金刚石骨架增强金属基复合材料的热导率高达984W/(m·K)，制备的超高连续金刚石骨架增强聚合物基复合材料的热导率高达268W/(m·K)，明显高于传统的金属基或聚合物基复合材料的热导率。

Claims (12)

1.一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料，其特征在于，所述复合材料由连续的金刚石增强体与基体材料组成，其中连续金刚石增强体由金刚石颗粒预制体通过CVD方法沉积金刚石膜或金刚石复合膜组成，金刚石复合膜为石墨烯包覆金刚石膜、碳纳米管包覆金刚石膜，基体材料为金属或聚合物；
金刚石膜和金刚石复合膜CVD沉积参数为：
金刚石CVD沉积参数为：含碳气体占炉内全部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；
通过对CVD沉积炉内施加等离子和磁场诱导，并实时调节碳气流量、生长温度、生长气压，实现石墨烯/金刚石、碳纳米管/金刚石的CVD沉积，沉积参数为：
石墨烯CVD沉积参数为：含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.5-80％；生长温度为400-1200℃，生长气压5-105Pa；等离子电流密度0-50mA/cm2；沉积区域中磁场强度为100高斯至30特斯拉；
碳纳米管CVD沉积参数为：含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为5-50％；生长温度为400-1300℃，生长气压103-105Pa；等离子电流密度0-30mA/cm2；沉积区域中磁场强度为100高斯至30特斯拉。
2.根据权利要求1所述的一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料，其特征在于，所述连续金刚石增强体是将金刚石颗粒排列构成金刚石预制体，然后，采用CVD法在构成金刚石预制体的金刚石颗粒表面沉积金刚石膜或金刚石复合膜而得到。
3.根据权利要求2所述的一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料，其特征在于，金刚石预制体中，金刚石颗粒的排列方式包括片状排布、块状排布或网络排布；所述片状排布是将金刚石颗粒分布在板状衬底表面，所述网络排布是将金刚石颗粒粘附在二维网络衬底或三维网络衬底上。
4.根据权利要求3所述的一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料，其特征在于，网络排布的金刚石预制体，是将金刚石颗粒、二维网络衬底或三维网络衬底、溶剂混合，加热至沸腾，然后，置于超声波中震荡、分散均匀后，取出二维网络衬底或三维网络衬底烘干，得到二维网络衬底或三维网络衬底表面均匀粘附金刚石颗粒的网络排布金刚石预制体；
块状排布的金刚石预制体是将金刚石颗粒与萘粉混合，加入聚乙烯醇作为粘结剂进行混合造粒，再模压成一定厚度坯体，将坯体干燥至萘及聚乙烯醇挥发，得到块状排布金刚石预制体。
5.根据权利要求4所述的一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料，其特征在于，二维网络衬底材料选自铜网板、钨网板、钼网板、铬网板、钛网板、镍网板、钴网板、铁镍网板、铝网板中的一种；三维网络衬底材料选自泡沫镍、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；块状排布金刚石预制体中金刚石颗粒体积百分含量为50-95％、萘粉体积百分含量为5-50％。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料，其特征在于，所述金刚石颗粒尺寸为0.5-500μm。
7.根据权利要求6所述的一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料，其特征在于，在预制体表面采用CVD方法沉积一层金刚石膜或金刚石复合膜，得到连续金刚石增强体，金刚石膜或金刚石复合膜厚度为0.01-2mm；所述CVD方法选自热丝辅助法、微波等离子增强法、火焰燃烧法、直流放电法、直流等离子体喷射法、低压射频法、常压射频法、电子回旋共振法至的一种。
8.根据权利要求7所述的一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料，其特征在于，所述基体材料为金属时，基体材料选自金属铜、铝、铜基合金、铝基合金中的一种；所述铜基合金或铝基合金中，铜、铝的质量百分含量大于等于50％；所述基体材料为聚合物时，聚合物基体为热塑性聚合物或热固性聚合物；所述热塑性聚合物选自聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、尼龙、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、乙二醇酯、聚对苯二甲酸、聚甲醛、聚酰胺、聚砜中的一种；所述热固性聚合物选自环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、氨基树脂、三聚氰胺树脂、不饱和聚酯树脂、有机硅树脂、硅橡胶、发泡聚苯乙烯、聚氨酯中的一种。
9.根据权利要求8所述的一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料，其特征在于，复合材料中，连续金刚石增强体体积分数为5-95％，基体材料体积分数为5-95％。
10.根据权利要求9所述的一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料的制备方法，其特征在于，将连续金刚石增强体置于模具中与基体材料复合，制备得到连续金刚石骨架增强金属基或聚合物基复合材料；
连续金刚石增强体与金属基体复合的方法选自冷压烧结、热压烧结、等离子烧结、无压熔渗、压力熔渗、挤压铸造中的一种；
连续金刚石增强体与聚合物基体复合的方法选自浸渍固化成型、注射成型、压制成型中的一种。
11.根据权利要求10所述的一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料的制备方法，其特征在于，基体材料为金属时，连续金刚石增强体表面改性后再与基体材料复合。
12.根据权利要求11所述的一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料的制备方法，其特征在于，连续金刚石增强体表面改性方法选自物理气相沉积、化学气相沉积、化学镀、电镀中的一种，表面改性层选自石墨烯膜、碳纳米管、钨膜、镍膜、铬膜、钛膜、钼膜中的一种或几种，或表面改性层选自TiC、WC、Cr7C3，NiC、Mo2C中的一种或几种，表面改性层厚度为3nm-2μm。
CN201610162488.7A 2016-03-21 2016-03-21 一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料及制备方法 Active CN105695831B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610162488.7A CN105695831B (zh) 2016-03-21 2016-03-21 一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料及制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610162488.7A CN105695831B (zh) 2016-03-21 2016-03-21 一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料及制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105695831A CN105695831A (zh) 2016-06-22
CN105695831B true CN105695831B (zh) 2017-10-31

Family

ID=56232254

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610162488.7A Active CN105695831B (zh) 2016-03-21 2016-03-21 一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料及制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105695831B (zh)

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017161993A1 (zh) * 2016-03-21 2017-09-28 中南大学 一种泡沫骨架增强复合材料及制备方法与应用
CN106830939B (zh) * 2017-02-27 2020-08-21 宜昌超光半导体有限公司 一种金刚石基底及其制备方法
CN107174972B (zh) * 2017-06-19 2019-11-22 东南大学 一种超双亲多孔膜材料及其制备方法和应用
CN108588529A (zh) * 2018-04-13 2018-09-28 上海交通大学 石墨烯修饰界面的高导热金属基复合材料及其制备方法
CN109021499B (zh) * 2018-06-20 2020-09-22 华南理工大学 一种纳米金刚石/碳纳米管环氧树脂复合材料及其制备方法
CN110734726B (zh) * 2018-10-23 2021-10-29 嘉兴学院 一种碳纳米管/金刚石复合导热胶材料的制备方法
CN110117731B (zh) * 2019-05-17 2020-11-20 北京科技大学 一种超高热导率金刚石颗粒增强铝基复合材料的制备方法
CN112625657B (zh) * 2019-09-24 2022-01-14 华为技术有限公司 导热体、导热材料和半导体器件的封装结构
CN111421141B (zh) * 2020-04-20 2022-05-24 浙江工业大学 一种定向高导热金刚石/金属基复合材料的制备方法
CN111644616A (zh) * 2020-04-23 2020-09-11 长沙百川超硬材料工具有限公司 一种空间均匀分布的金刚石串珠的制备方法
CN111778506B (zh) * 2020-05-11 2023-10-03 中南大学 一种梯度硼掺杂金刚石增强金属基复合材料及其制备方法和应用
CN114103302A (zh) * 2020-08-25 2022-03-01 华为技术有限公司 电子设备、转轴、层状复合材料及其制作方法
CN115141964A (zh) * 2021-03-30 2022-10-04 西安邦导新材料有限公司 一种双贯通结构高导热铜-金刚石电子封装材料及其制备方法
CN114086047B (zh) * 2021-11-22 2022-05-31 合肥哈瑞克机电科技有限公司 一种高导热复合材料及其制备方法
CN114517331A (zh) * 2022-02-28 2022-05-20 郑州航空工业管理学院 一种mpcvd法生长多晶金刚石的制备方法
CN117551909A (zh) * 2023-11-16 2024-02-13 北京科技大学顺德创新学院 一种三维高导热碳纤维增强铜基复合材料及其制备方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5183529A (en) * 1990-10-29 1993-02-02 Ford Motor Company Fabrication of polycrystalline free-standing diamond films
US5762715A (en) * 1995-06-07 1998-06-09 Saint-Gobain/Norton Industrial Ceramics Corporation Segmented substrate for improved ARC-JET diamond deposition
JP2005213104A (ja) * 2004-01-30 2005-08-11 New Industry Research Organization 高配向カーボンナノチューブの生成方法、及び高配向カーボンナノチューブの生成に適した装置。
CN101246050B (zh) * 2008-03-18 2011-05-18 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 用于绝对测辐射热计上的金刚石复合膜片及其制备方法
CN103276265B (zh) * 2013-06-09 2015-04-01 北京科技大学 金刚石自支撑膜-金刚石颗粒-金属复合材料的制备方法
CN105088180A (zh) * 2015-06-05 2015-11-25 刘南林 类金刚石粉生产方法与设备
CN105036106B (zh) * 2015-07-10 2017-09-29 北京科技大学 一种超高定向导热碳基复合材料的制备方法
CN105112754B (zh) * 2015-10-12 2017-03-08 中南大学 三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料及制备方法
CN105220049B (zh) * 2015-10-12 2017-03-08 中南大学 一种片状金刚石增强金属基复合材料及制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN105695831A (zh) 2016-06-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105695831B (zh) 一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料及制备方法
CN105818476B (zh) 一种表面改性三维网络碳纤维增强复合材料及制备方法
CN105803242B (zh) 一种片状与线状导热材料耦合增强复合材料及制备方法
CN105733191B (zh) 不同维度高导热材料增强聚合物基复合材料及制备方法
CN105803241B (zh) 一种螺旋体增强金属基或聚合物基复合材料及制备方法
CN105755307B (zh) 一种蜂窝状结构增强复合材料及制备方法
CN105733192B (zh) 一种泡沫骨架增强聚合物基复合材料及其制备方法
US10995192B2 (en) Composite material reinforced by foamed skeleton and preparation method and uses thereof
CN105671354B (zh) 一种泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料及其制备方法
CN105779805B (zh) 泡沫金刚石骨架增强铜基复合材料及制备方法
CN105779804B (zh) 一种泡沫骨架结构增强金属基复合材料及制备方法
CN105603248B (zh) 一种泡沫石墨烯骨架增强铜基复合材料及制备方法
CN105803420B (zh) 石墨烯和/或碳纳米管包覆金刚石复合材料及其制备方法及应用
CN105112754B (zh) 三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料及制备方法
CN105603265A (zh) 泡沫石墨烯骨架增强铝基复合材料及其制备方法
CN107381555B (zh) 一种结构可控的三维石墨烯及其复合材料的制备方法
CN105543545B (zh) 一种短碳纤维复合石墨烯强化铜基耐磨材料及其制备方法
CN102775705A (zh) 一种聚合物基复合材料及其制备方法
CN107903069A (zh) 氮化铝粉体及其制备方法
CN106756373B (zh) 一种高导热近净形的金刚石/铜复合材料及其制备方法
CN109824382A (zh) 一种热管理用SiC/石墨膜层状复合材料及其制备方法
He et al. A novel three-dimensional boron phosphide network for thermal management of epoxy composites
Zhan et al. Fabrication of graphite/Cu composite foils with ultrahigh thermal conductivity by adding an intermediate nickel layer and vacuum hot pressing treatment
TWI298045B (en) Heat spreader for printed circuit boards
Lee et al. Vertically-aligned boron nitride composite as a highly thermally conductive material using magnetic field-assisted three-dimensional printing

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant