CN110453126B - 一种金刚石-金属基复合导热材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金刚石‑金属复合导热材料及其制备方法，所述材料包括金属基体和多层级配的金刚石粉体层；所述金刚石粉体层状排列，与所述金属基体紧密结合；金刚石粉体体积分数在55％至85％之间；所述金刚石粉体层包括第一金刚石粉体层，粒径规格在8目至50目之间，优选在15目至30目之间。其制备方法包括(1)金刚石‑金属基层状复合体的制备；(2)真空热压法烧结。所述材料导热性能和力学性能都有显著提高，所述方法生产工艺简单，设备简单，生产效率高，可重复性好。

Description

一种金刚石-金属基复合导热材料及其制备方法

技术领域

本发明属于导热复合材料领域，更具体地，涉及一种金刚石-金属复合导热材料。

背景技术

随着电子元器件不断小型化、集成化，单位面积产生的热量越来越多，对与之相配套的热管理材料提出了更高的要求。金刚石/金属基复合材料以其轻质、高导热、可控热膨胀系数受到国内外广泛的关注。

目前，国内关于金刚石-金属基复合材料相关成果较多，但大部分仅限于实验室研究阶段，材料的工程化和大批量制备存在较大的难度。主要原因除了金刚石的难加工因素之外，还存在如下两方面的问题：

一方面，现有的金刚石-金属复合材料的制备方法存在各自的缺陷。尽管可以通过调整工艺来达到最优的性能参数，但是在工程化应用方面仍然存在各自的局限性。现有研究表明，采用常规热压法制备的复合材料，尽管进行了一定的颗粒级配，但由于无法控制金刚石的分布，导致最终制备出但是在工程化应用方面仍然存在各自的局限性。现有研究表明，采用常规热压法制备的复合材料，尽管进行了一定的颗粒级配，但由于无法控制金刚石的分布，导致最终制备出的复合材料中金刚石体积分数仍然较低，且孔隙率较高，使得热膨胀系数和导热性能的可调范围有限，且复合材料表面光洁度差、不能做到完全致密。压力浸渗法可以制备相对致密的材料，但在铝水流动性的带动下，金刚石颗粒在制备过程中会有所移动，使得复合材料的均匀性和一致性无法保证，可重复性无法保证。挤压铸造法又存在制备过程中金刚石与金属液接触时间短，界面润湿性差等问题。

另一方面，金刚石与铝高温下易反应生成Al₄C₃相，与铜高温下润湿性较差，影响复合材料的界面结合强度以及相对密度，一个较为有效地解决方式是金刚石粉体表面改性。但目前较多的工艺是在经金刚石表面引入钨、格、钼、钛等元素，但一般镀层工艺很难保证金刚石粉体表面涂层厚度的均匀性，而且采用上述涂层金刚石粉体制备的金属基复合材料热导率极易受涂层厚度的影响，导致复合材料热导率变化较大，存在很大的不可重复性，难以获得稳定的高导热金刚石-金属复合材料。

另外，在金刚石-铝金属复合材料的加工过程中，由于金刚石在复合材料中分布不均的问题，复合材料加工后粗糙度较大，对后续焊接工艺产生很大的影响。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种金刚石-金属基复合导热材料及其制备方法，其目的在于通过对金刚石颗粒在复合材料内的排布进行设计，并改进制备工艺实现金刚石粉体层状排列、金属铝填补层状及上下空隙的类三明治结构金刚石-金属基复合导热材料，导热性能大幅提高，由此解决现有金刚石复合材料制备过程中的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种金刚石-金属复合导热材料，包括金属基体和多层级配的金刚石粉体层；所述金刚石粉体层状排列，与所述金属基体紧密结合；金刚石粉体体积分数在55％至85％之间；

所述金刚石粉体层包括第一金刚石粉体层，粒径规格在8目至50目之间，优选在15目至30目之间。

优选地，所述金刚石-金属复合导热材料，其所述金刚石粉体层包括第二金刚石粉体层，其粒径与第一金刚石粉体层的金刚石粉体粒径之比在1:2至1:5之间。

优选地，所述金刚石-金属复合导热材料，其所述第二金刚石粉体层和第一金刚石粉体层的金刚石粉末质量比在1:1.5至1:5之间。

优选地，所述金刚石-金属复合导热材料，其所述金刚石粉体为表面镀覆有硅-碳化硅涂层的金刚石粉体，所述硅-碳化硅涂层厚度在0.1微米至2微米，优选0.2微米。

按照本发明的另一个方面，提供了一种所述金刚石-金属复合导热材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)在金属箔之间布置金刚石粉体层的金刚石粉体填充的金属网，获得待烧结的金刚石-金属基层状复合体；所述金属网材质与金属箔相同，为金属基体材质，其网眼规格与金刚石粉体层的金刚石粉体规格一致；

(2)将步骤(1)中获得的金刚石-金属基层状复合体采用真空热压法烧结，制备所述金刚石-金属复合导热材料。

优选地，所述金刚石-金属复合导热材料的制备方法，其步骤(1)所述金刚石粉体层包括第一与第二金刚石粉体层，所述第一与第二金刚石粉体层的粉体分别填充在布置于金属箔之间且与其规格一致的金属网中；其中第一与第二金刚石粉体层的金刚石粉体其规格为经级配的金刚石粉体规格。

优选地，所述金刚石-金属复合导热材料的制备方法，其所述金刚石粉体其表面镀覆有硅-碳化硅涂层的金刚石粉体，所述硅-碳化硅涂层厚度在0.1微米至2微米；优选，所述表面镀覆有硅-碳化硅涂层的金刚石粉体的金刚石颗粒采用盐浴镀的方法镀覆，具体步骤如下：

S1、金刚石粉体与可溶性氯盐、过量的硅粉配料后混合均匀形成粉体共混物；

S2、将步骤S1中获得的粉体共混物装入石墨坩埚，真空环境下1100℃至1250℃煅烧30分钟至120分钟，冷却后获得经煅烧的粉体共混物；

S3、将步骤S2中获得的经煅烧的粉体共混物，洗除可溶性氯盐、以及多余的硅粉，获得所述表面镀覆有硅-碳化硅涂层的金刚石粉体。

优选地，所述金刚石-金属复合导热材料的制备方法，其步骤(2)真空热压法烧结具体工艺为：

将步骤(1)中获得的金刚石-金属基层状复合体置于真空热压炉内，抽真空至10Pa以下，加热至所述金属的熔融温度，保温20分钟-120分钟，热压烧结，压力30Mpa至50MPa，保压冷却。

优选地，所述金刚石-金属复合导热材料的制备方法，其所述方法还包括：

(3)热等静压处理：将步骤(2)中获得的金刚石-金属复合导热材料放置于热等静压炉内，加热至500℃-600℃或900℃-1020℃，保温40-80分钟进行热压烧结，压力120MPa至200MPa；当所述热等静压炉冷却到200℃开始卸压至烧结结束。

优选地，所述金刚石-金属复合导热材料的制备方法，其步骤(1)所述金刚石-金属基层状复合体的上下表面，铺设粒径在3至10微米的金刚石粉体和相应金属网。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明提供的金刚石-金属基复合材料，由于金刚石体积分数较大，且采用多种规格级配的金刚石粉体层，规整排列，界面干净无杂质，同时金属在三位方向上形成联通的三维结构，因此复合材料的导热性能和力学性能都有显著提高。

本发明提供的金刚石-金属基复合材料，采用金属网稳定金刚石，在极大程度上优化了金刚石的颗粒级配，同时在热压烧结的过程中，又限制了金刚石粉体的移动，能很好的确保大小粒径金刚石的位置确定性，很大程度上保证了样件制备的可重复性。生产工艺简单，设备简单，生产效率高，可重复性好。

优选方案将金刚石粉体表面涂层工艺优化，确定金刚石粉体表面涂层成分和厚度，降低了界面层厚度对复合材料界面热传导的影响，进而降低了对复合材料热导率的影响，保证了复合材料热传导性能受金刚石粉体表面涂层厚度影响较小，进一步确保了工艺的可重复性。

附图说明

图1是本发明提供的金刚石-金属基复合材料的结构示意图；其中图1A是剖面俯视图，图1B为立体结构示意图；

图2是本发明提供的金刚石-金属基复合结构叠层工艺示意图；

图3是表面经过涂层处理的金刚石粉体，表面涂层形貌及其厚度扫描电子显微图(SEM图)；图3A为金刚石粉体扫描电子显微图，图3B为金刚石粉体表面涂层形貌电子显微图，图3C为金刚石粉体表面涂层厚度扫描电子显微图；

图4是涂层金刚石粉体的XRD图，显示涂层构成为碳化硅和硅层；

图5是本发明实施例涂层金刚石-铝复合材料界面，以及金刚石剥落后金属铝基体上留下的韧窝SEM显微照片。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的金刚石-金属复合导热材料，如图1所示，包括金属基体和多层级配的金刚石粉体层；所述金刚石粉体层状排列，与所述金属基体紧密结合；金刚石粉体体积分数在55％至85％之间；

多层级配的金刚石粉体层，大小粒径金刚石均匀的层叠排布，通过大小粒径金刚石粉体颗粒粒径的完美级配，使得复合材料中金刚石体积分数进一步提高，金刚石与金刚石之间也能形成良好的接触。理论上来说，复合材料中金刚石粉体体积分数越多、金刚石粉体与金属的界面越少、金刚石粒径越大，复合材料热导率越高。目前由于粉体堆积密度和制备工艺的限制金刚石-金属复合导热材料的金刚石粉体体积分数一般在50％～65％，难以获得很大提高。

在提高金刚石体积分数方面，由单粒径金刚石的金刚石粉体采用热压烧结时金刚石体积分数一般难以超过55％，超过之后复合材料中空隙较多；采用常规的颗粒级配又无法形成稳定有效的堆叠，难以达到理论上的颗粒堆积密度，因此在采用常规热压烧结和压力熔渗时复合材料中的体积分数一般不能超过68％。另外实验数据更进一步显示，随着金刚石粒径的增大，颗粒与颗粒之间空隙越大，金刚石粒径增大引起的复合材料热导率提高与其内部空隙导致的热导率下降两种因素共同作用，导致复合材料的热导率提高程度较小。本发明提供的金刚石-金属复合导热材料，其内部大小粒径金刚石层状排布，选择一定的粒径配比，通过高温下金属液相的流动性，能够较好的达到理论上的颗粒级配密度，很大程度上提高复合材料中金刚石的体积分数，获得热导率较高的复合材料。另一方面，在这种层状结构设计下，使得金刚石与金刚石、金属之间界面减少，大粒径的金刚石热导率能更好的体现，复合材料热导率进一步提升，相对于现有的金刚石-金属复合材料有明显的提高。同时，复合材料中金刚石的分布均匀性、一致性也能获得很好的保证。

优选方案，所述金刚石粉体层包括第一金刚石粉体层，粒径规格在8目至50目之间，优选在15目至30目之间。所述金刚石粉体层包括第二金刚石粉体层，其粒径与第一金刚石粉体层的金刚石粉体粒径之比在1:2至1:5之间。所述第二金刚石粉体层和第一金刚石粉体层的金刚石粉末质量比在1:1.5至1:5之间。

一般金刚石-金属复合材料采用的金刚石粉体规格为500-50目，前述成果显示即使目数降低至30目、15目，导热性能也难有进一步提高，主要原因在于即使金刚石粒径变大，金刚石堆积密度难以获得较大提高然而本发明由于金刚石呈先规整的层状排列，能够通过级配获得很高的堆积密度。此时采用8目至30目的金刚石，能减少金刚石与金属、金刚石与金刚石之间的界面，降低复合材料界面热阻对复合材料热导率的影响，较采用50目及其以上目数的金刚石热导率有显著提高。

进一步优选采用两层金刚石粉体层构成重复单元，第一金刚石粉体层采用15目金刚石粉体，第二金刚石粉体层采用45目金刚石粉体。实验显示，相应级配的金刚石粉体能得到热导率较高的金刚石-金属复合材料。

所述金刚石粉体为表面镀覆有硅-碳化硅涂层的金刚石粉体，所述硅-碳化硅涂层厚度在0.1微米至2微米，优选0.2微米。本发明考虑到当金刚石粉体表面非金属SiC和Si涂层的厚度在0.1-2微米区间时，涂层厚度变化对复合材料界面热阻影响相对其它涂层较小的因素，从而消除一般盐浴镀时粉体表面涂层厚度对复合材料热导率影响较大的现象，确定在金刚石粉体表面镀SiC-Si涂层。进一步确保了工艺的可重复性和复合材料性能的稳定性，有利于保障后续工业化生产过程中产品良率。

另外，所述复合导热材料表面具有一层由粒径在3微米至10微米的金刚石粉体，用于降低所述复合导热材料表面粗糙度至0.6微米至2微米，有利于后续对该复合材料后一步金属化及相应封装。

本发明提供的金刚石-金属复合导热材料的制备方法，如图2所示，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在金属箔之间布置金刚石粉体层的金刚石粉体填充的金属网，获得待烧结的金刚石-金属基层状复合体；所述金属网材质与金属箔相同，为金属基体材质，其网眼规格与金刚石粉体层的金刚石粉体规格一致；

优选地，所述金刚石-金属基层状复合体的上下表面，铺设粒径在3至10微米的金刚石粉体和相应金属网

所述金属网与金刚石复合，金属网的网眼大小金刚石粉体的颗粒大小一致，使得刚好填充在金属网的网眼中，金属网的存在大大提高了金刚石在金属基复合材料中的分散均匀性，优化了金刚石的颗粒级配；另一方面在此后的真空热压烧结过程维持金刚石粉体的分布，限制了金刚石粉体的移动，能很好的确保大小粒径金刚石的位置确定性，两方面综合才能在最终的产品中形成金刚石粉体的均匀层状分布的，达到金刚石粉体级配的效果。

金属箔的存在也提高了金属在复合材料中分布的均匀性和层状分布的稳定性，在高温下金属箔和金属网融化形成金属液能较好地将金刚石结合在一起，减少常见真空热压烧结过程中空隙形成的几率；同时金属液在三维方向形成联通的三维结构，保证复合材料的热学和力学性能。另外，金属箔与同材质的金属网低温难变形以及高温液化填充金刚石粉体之间空隙的特性，进一步保证了复合材料内金属的三维联通和分布均匀性。金属箔层和金属网层的设计，一方面使得高温下，金属液化形成三维联通网状结构；另一方面，复合材料中金属材料的分布均匀性也能获得很好的保障。

具体可按照如下方法制备金刚石-金属基层状复合体：

在模具底部铺上金属箔，放置网眼规格与第一金刚石层的金刚石粉体规格一致的金属网，填充第一金刚石层的金刚石粉体；

继续金属箔，放置网眼规格与第二金刚石层的金刚石粉体规格一致的金属网，填充第二金刚石层的金刚石粉体；

重复上述步骤，往复叠加至所需层次，制得金刚石-金属基层状复合体。

优选方案，步骤(1)所述金刚石粉体层包括第一与第二金刚石粉体层，所述第一与第二金刚石粉体层的粉体分别填充在布置于金属箔之间且与其规格一致的金属网中；其中第一与第二金刚石粉体层的金刚石粉体其规格为经级配的金刚石粉体规格。

所述金刚石粉体其表面镀覆有硅-碳化硅涂层的金刚石粉体，如图3所示，所述硅-碳化硅涂层厚度在0.1微米至3微米；优选，所述表面镀覆有硅-碳化硅涂层的金刚石粉体的金刚石颗粒采用盐浴镀的方法镀覆，具体步骤如下：

S1、金刚石粉体与可溶性氯盐、过量的硅粉配料后混合均匀形成粉体共混物；

S2、将步骤S1中获得的粉体共混物装入石墨坩埚，真空环境下1100℃至1250℃煅烧30分钟至120分钟，冷却后获得经煅烧的粉体共混物；

S3、将步骤S2中获得的经煅烧的粉体共混物，洗除可溶性氯盐、以及多余的硅粉，获得所述表面镀覆有硅-碳化硅涂层的金刚石粉体。

(2)将步骤(1)中获得的金刚石-金属基层状复合体采用真空热压法烧结，制备所述金刚石-金属复合导热材料；

将步骤(1)中获得的金刚石-金属基层状复合体置于真空热压炉内，抽真空至10Pa以下，加热至金属熔融温度，例如金属铝基材料加热至550℃-700℃，金属铜基材料加热至950℃-1150℃，保温20分钟-120分钟，热压烧结，压力30Mpa至50MPa，保压冷却。

(3)热等静压处理：将步骤(2)中获得的金刚石-金属复合导热材料放置于热等静压炉内，加热至500-600℃或900-1020℃，保温40分钟至80分钟进行热压烧结，压力120MPa至200MPa；当所述热等静压炉冷却到200℃开始卸压至烧结结束。

以下为实施例：

其他具有良好导热性能的金属，例如金属铜，皆适合本发明提供的金刚石-金属基复合导热材料及其制备方法。一般由于铝的价格和导热性能，采用金属铝作为金刚石-金属基复合导热材料，在金刚石-铝基复合材料导热材料中，金刚石和金属铝可能在制备过程中发生反应生成Al₄C₃相，而这种相在潮湿空气中易吸水而产生白色粉末，使得复合材料整体失效，因此金刚石更适合进行表面镀覆硅-碳化硅涂层的处理，如图4所示。下面以金刚石-铝基及金刚石-铜基复合材料为例：

实施例1

一种金刚石-金属复合导热材料，包括金属铝基体和两层级配的金刚石粉体层；所述金刚石粉体层状排列，与所述金属基体紧密结合；金刚石粉体体积分数为70％；

所述金刚石粉体层包括第一金刚石粉体层，粒径规格为15目。所述金刚石粉体层包括第二金刚石粉体层，其粒径与第一金刚石粉体层的金刚石粉体粒径之比为1:3。所述第二金刚石粉体层和第一金刚石粉体层的金刚石粉末质量比为1:2.5。

所述金刚石粉体为表面镀覆有硅-碳化硅涂层的金刚石粉体，所述硅-碳化硅涂层平均厚度为0.2微米。

所述复合导热材料表面具有一层由粒径为10微米的金刚石粉体，用于降低所述复合导热材料表面粗糙度至2微米。

本实施例提供的金刚石-金属复合导热材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)在金属箔之间布置金刚石粉体层及其金刚石粉体填充的金属网，获得待烧结的金刚石-金属基层状复合体；所述金属网材质与金属箔相同，为金属基体材质，其网眼规格与金刚石粉体层的金刚石粉体规格一致；

所述金刚石-金属基层状复合体的上下表面，铺设粒径为10微米的金刚石粉体和相应金属网。

具体可按照如下方法制备金刚石-金属基层状复合体：

一层150μm的金属铝箔水平放置在热压模具底部，放置网眼规格为15目的铝网，填充15目的金刚石粉体，用刮刀铺平；

覆上一层150μm的铝箔，放置网眼规格为45目的铝网，填充45目的金刚石粉体，用刮刀铺平；覆上一层150μm的铝箔，制得金刚石-铝基层状复合体。

所述金刚石粉体其表面镀覆有硅-碳化硅涂层的金刚石粉体，所述硅-碳化硅涂层厚度为2微米；所述表面镀覆有硅-碳化硅涂层的金刚石粉体的金刚石颗粒采用盐浴镀的方法镀覆，具体步骤如下：

S1、金刚石粉体与氯化钙、过量的硅粉按照质量比2:1:1配料，然后将可溶性氯盐粉体与硅粉体混合，用高速混料机混合均匀，然后把金刚石粉体加入进去，用高速混料机混合均匀形成粉体共混物；

S2、将步骤S1中获得的粉体共混物装入石墨坩埚，放入真空碳管炉中，抽真空，待真空度抽到10^-3Pa以下后，开始加热，1150℃煅烧100分钟，待碳管炉冷却到室温后，将共混粉体取出获得经煅烧的粉体共混物；

S3、将步骤S2中获得的经煅烧的粉体共混物，过筛，去掉氯化钙和多余的硅粉，然后将粉体倒入烧杯中，用热水反复的浸泡冲洗，将氯化钙彻底清洗掉后，往烧杯中加入去离子水，进行超声清洗至没有浑浊物出现，就表明将多余的Si粉体彻底清除了，用无水乙醇反复冲洗粉体2-3遍后，放入真空干燥箱中彻底烘干，获得所述表面镀覆有硅-碳化硅涂层的金刚石粉体。

(2)将步骤(1)中获得的金刚石-金属基层状复合体采用真空热压法烧结，制备所述金刚石-金属复合导热材料；

将步骤(1)中获得的金刚石-金属基层状复合体连同模具一起置于真空热压炉内，抽真空至10^-1Pa以下，加热700℃，保温60分钟，热压烧结，压力30MPa，保压冷却。

(3)热等静压处理：将步骤(2)中获得的金刚石-金属复合导热材料放置于热等静压炉内，加热至600℃，保温60分钟进行热压烧结，压力120MPa；当所述热等静压炉冷却到200℃开始卸压至烧结结束。

如图4所示，涂层金刚石-铝复合材料中金刚石与铝界面结合良好，且当外力作用下，金刚石与铝基体发生脱落时，在金属铝基体上形成韧窝，如图5所示，表明金属铝发生韧性断裂，说明在700℃真空热压烧结制备复合材料时，铝完全熔化。

所得复合材料的热导率为852W/m·K，抗拉强度为306MPa。

实施例2

一种金刚石-金属复合导热材料，包括金属铝基体和两层级配的金刚石粉体层；所述金刚石粉体层状排列，与所述金属基体紧密结合；金刚石粉体体积分数为60％；

所述金刚石粉体层包括第一金刚石粉体层，粒径规格为30目。所述金刚石粉体层包括第二金刚石粉体层，其粒径与第一金刚石粉体层的金刚石粉体粒径之比为1:2。所述第二金刚石粉体层和第一金刚石粉体层的金刚石粉末质量比为1:1.5。

所述金刚石粉体为表面镀覆有硅-碳化硅涂层的金刚石粉体，所述硅-碳化硅涂层平均厚度为2微米。

所述复合导热材料表面具有一层由粒径为3微米的金刚石粉体，用于降低所述复合导热材料表面粗糙度至0.6微米。

本实施例提供的金刚石-金属复合导热材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)在金属箔之间布置金刚石粉体层及其金刚石粉体填充的金属网，获得待烧结的金刚石-金属基层状复合体；所述金属网材质与金属箔相同，为金属基体材质，其网眼规格与金刚石粉体层的金刚石粉体规格一致；

所述金刚石-金属基层状复合体的上下表面，铺设粒径为3微米的金刚石粉体和相应金属网。

具体可按照如下方法制备金刚石-金属基层状复合体：

一层150μm的金属铝箔水平放置在热压模具底部，放置网眼规格为30目的铝网，填充30目的金刚石粉体，用刮刀铺平；

覆上一层150μm的铝箔，放置网眼规格为60目的铝网，填充60目的金刚石粉体，用刮刀铺平；覆上一层150μm的铝箔，制得金刚石-铝基层状复合体。

所述金刚石粉体其表面镀覆有硅-碳化硅涂层的金刚石粉体，所述硅-碳化硅涂层厚度为2微米；所述表面镀覆有硅-碳化硅涂层的金刚石粉体的金刚石颗粒采用盐浴镀的方法镀覆，具体步骤如下：

S1、金刚石粉体与氯化钠、过量的硅粉按照质量比2:1:2配料，然后将可溶性氯盐粉体与硅粉体混合，用高速混料机混合均匀，然后把金刚石粉体加入进去，用高速混料机混合均匀形成粉体共混物；

S2、将步骤S1中获得的粉体共混物装入石墨坩埚，放入真空碳管炉中，抽真空，待真空度抽到10^-3Pa以下后，开始加热，1100℃煅烧120分钟，待碳管炉冷却到室温后，将共混粉体取出获得经煅烧的粉体共混物；

S3、将步骤S2中获得的经煅烧的粉体共混物，过筛，去掉氯化钙和多余的硅粉，然后将粉体倒入烧杯中，用热水反复的浸泡冲洗，将氯化钙彻底清洗掉后，往烧杯中加入去离子水，进行超声清洗至没有浑浊物出现，就表明将多余的Si粉体彻底清除了，用无水乙醇反复冲洗粉体2-3遍后，放入真空干燥箱中彻底烘干，获得所述表面镀覆有硅-碳化硅涂层的金刚石粉体。

(2)将步骤(1)中获得的金刚石-金属基层状复合体采用真空热压法烧结，制备所述金刚石-金属复合导热材料；

将步骤(1)中获得的金刚石-金属基层状复合体连同模具一起置于真空热压炉内，抽真空至10^-1Pa以下，加热550℃，保温120分钟，热压烧结，压力50MPa，保压冷却。

(3)热等静压处理：将步骤(2)中获得的金刚石-金属复合导热材料放置于热等静压炉内，加热至500℃，保温80分钟进行热压烧结，压力120MPa；当所述热等静压炉冷却到200℃开始卸压至烧结结束。

所得复合材料的热导率为692W/m·K，抗拉强度为353MPa。

实施例3

一种金刚石-金属复合导热材料，包括金属铝基体和两层级配的金刚石粉体层；所述金刚石粉体层状排列，与所述金属基体紧密结合；金刚石粉体体积分数为65％；

所述金刚石粉体层包括第一金刚石粉体层，粒径规格为50目。所述金刚石粉体层包括第二金刚石粉体层，其粒径与第一金刚石粉体层的金刚石粉体粒径之比为1:2。所述第二金刚石粉体层和第一金刚石粉体层的金刚石粉末质量比为1:1.5。

所述金刚石粉体为表面镀覆有硅-碳化硅涂层的金刚石粉体，所述硅-碳化硅涂层平均厚度为0.1微米。

所述复合导热材料表面具有一层由粒径为5微米的金刚石粉体，用于降低所述复合导热材料表面粗糙度至1微米。

本实施例提供的金刚石-金属复合导热材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)在金属箔之间布置金刚石粉体层的金刚石粉体填充的金属网，获得待烧结的金刚石-金属基层状复合体；所述金属网材质与金属箔相同，为金属基体材质，其网眼规格与金刚石粉体层的金刚石粉体规格一致；

所述金刚石-金属基层状复合体的上下表面，铺设粒径为5微米的金刚石粉体和相应金属网。

具体可按照如下方法制备金刚石-金属基层状复合体：

一层150μm的金属铝箔水平放置在热压模具底部，放置网眼规格为50目的铝网，填充50目的金刚石粉体，用刮刀铺平；

覆上一层150μm的铝箔，放置网眼规格为100目的铝网，填充100目的金刚石粉体，用刮刀铺平；覆上一层150μm的铝箔，制得金刚石-铝基层状复合体。

所述金刚石粉体其表面镀覆有硅-碳化硅涂层的金刚石粉体，所述硅-碳化硅涂层厚度为0.1微米；所述表面镀覆有硅-碳化硅涂层的金刚石粉体的金刚石颗粒采用盐浴镀的方法镀覆，具体步骤如下：

S1、金刚石粉体与氯化钡、过量的硅粉按照质量比3:3:2配料，然后将可溶性氯盐粉体与硅粉体混合，用高速混料机混合均匀，然后把金刚石粉体加入进去，用高速混料机混合均匀形成粉体共混物；

S2、将步骤S1中获得的粉体共混物装入石墨坩埚，放入真空碳管炉中，抽真空，待真空度抽到10^-3Pa以下后，开始加热，1250℃煅烧30分钟，待碳管炉冷却到室温后，将共混粉体取出获得经煅烧的粉体共混物；

S3、将步骤S2中获得的经煅烧的粉体共混物，过筛，去掉氯化钙和多余的硅粉，然后将粉体倒入烧杯中，用热水反复的浸泡冲洗，将氯化钙彻底清洗掉后，往烧杯中加入去离子水，进行超声清洗至没有浑浊物出现，就表明将多余的Si粉体彻底清除了，用无水乙醇反复冲洗粉体2-3遍后，放入真空干燥箱中彻底烘干，获得所述表面镀覆有硅-碳化硅涂层的金刚石粉体。

(2)将步骤(1)中获得的金刚石-金属基层状复合体采用真空热压法烧结，制备所述金刚石-金属复合导热材料；

将步骤(1)中获得的金刚石-金属基层状复合体连同模具一起置于真空热压炉内，抽真空至10^-1Pa以下，加热至700℃，保温120分钟，热压烧结，压力40MPa，保压冷却。

(3)热等静压处理：将步骤(2)中获得的金刚石-金属复合导热材料放置于热等静压炉内，加热至550℃，保温80分钟进行热压烧结，压力200MPa；当所述热等静压炉冷却到200℃开始卸压至烧结结束。

所得复合材料的热导率为572W/m·K，抗拉强度为450MPa。

实施例4

一种金刚石-金属复合导热材料，包括金属铝基体和两层级配的金刚石粉体层；所述金刚石粉体层状排列，与所述金属基体紧密结合；金刚石粉体体积分数为85％；

所述金刚石粉体层包括第一金刚石粉体层，粒径规格为8目。所述金刚石粉体层包括第二金刚石粉体层，其粒径与第一金刚石粉体层的金刚石粉体粒径之比为1:5。所述第二金刚石粉体层和第一金刚石粉体层的金刚石粉末质量比为1:5。

所述金刚石粉体为表面镀覆有硅-碳化硅涂层的金刚石粉体，所述硅-碳化硅涂层平均厚度为2微米。

所述复合导热材料表面具有一层由粒径为10微米的金刚石粉体，用于降低所述复合导热材料表面粗糙度至2微米。

本实施例提供的金刚石-金属复合导热材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)在金属箔之间布置金刚石粉体层的金刚石粉体填充的金属网，获得待烧结的金刚石-金属基层状复合体；所述金属网材质与金属箔相同，为金属基体材质，其网眼规格与金刚石粉体层的金刚石粉体规格一致；

所述金刚石-金属基层状复合体的上下表面，铺设粒径为10微米的金刚石粉体和相应金属网。

具体可按照如下方法制备金刚石-金属基层状复合体：

一层150μm的金属铝箔水平放置在热压模具底部，放置网眼规格为8目的铝网，填充8目的金刚石粉体，用刮刀铺平；

覆上一层150μm的铝箔，放置网眼规格为40目的铝网，填充40目的金刚石粉体，用刮刀铺平；覆上一层150μm的铝箔，制得金刚石-铝基层状复合体。

所述金刚石粉体其表面镀覆有硅-碳化硅涂层的金刚石粉体，所述硅-碳化硅涂层厚度为2微米；所述表面镀覆有硅-碳化硅涂层的金刚石粉体的金刚石颗粒采用盐浴镀的方法镀覆，具体步骤如下：

S1、金刚石粉体与氯化钙、过量的硅粉按照质量比2:1:1配料，然后将可溶性氯盐粉体与硅粉体混合，用高速混料机混合均匀，然后把金刚石粉体加入进去，用高速混料机混合均匀形成粉体共混物；

S2、将步骤S1中获得的粉体共混物装入石墨坩埚，放入真空碳管炉中，抽真空，待真空度抽到10^-3Pa以下后，开始加热，1250℃煅烧30分钟，待碳管炉冷却到室温后，将共混粉体取出获得经煅烧的粉体共混物；

S3、将步骤S2中获得的经煅烧的粉体共混物，过筛，去掉氯化钙和多余的硅粉，然后将粉体倒入烧杯中，用热水反复的浸泡冲洗，将氯化钙彻底清洗掉后，往烧杯中加入去离子水，进行超声清洗至没有浑浊物出现，就表明将多余的Si粉体彻底清除了，用无水乙醇反复冲洗粉体2-3遍后，放入真空干燥箱中彻底烘干，获得所述表面镀覆有硅-碳化硅涂层的金刚石粉体。

(2)将步骤(1)中获得的金刚石-金属基层状复合体采用真空热压法烧结，制备所述金刚石-金属复合导热材料；

将步骤(1)中获得的金刚石-金属基层状复合体连同模具一起置于真空热压炉内，抽真空至10^-1Pa以下，加热680℃，保温120分钟，热压烧结，压力30MPa，保压冷却。

(3)热等静压处理：将步骤(2)中获得的金刚石-金属复合导热材料放置于热等静压炉内，加热至600℃，保温40分钟进行热压烧结，压力180MPa；当所述热等静压炉冷却到200℃开始卸压至烧结结束。

所得复合材料的热导率为871W/m·K，抗拉强度为281MPa。

实施例5

一种金刚石-金属复合导热材料，包括金属铜基体和两层级配的金刚石粉体层；所述金刚石粉体层状排列，与所述金属基体紧密结合；金刚石粉体体积分数为55％；

所述金刚石粉体层包括第一金刚石粉体层，粒径规格为20目。所述金刚石粉体层包括第二金刚石粉体层，其粒径与第一金刚石粉体层的金刚石粉体粒径之比为1:3。所述第二金刚石粉体层和第一金刚石粉体层的金刚石粉末质量比为1:2。

所述金刚石粉体为表面镀覆有硅-碳化硅涂层的金刚石粉体，所述硅-碳化硅涂层平均厚度为2微米。

所述复合导热材料表面具有一层由粒径为10微米的金刚石粉体，用于降低所述复合导热材料表面粗糙度至2微米。

本实施例提供的金刚石-金属复合导热材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)在金属箔之间布置金刚石粉体层及金刚石粉体填充的金属网，获得待烧结的金刚石-金属基层状复合体；所述金属网材质与金属箔相同，为金属基体材质，其网眼规格与金刚石粉体层的金刚石粉体规格一致；

所述金刚石-金属基层状复合体的上下表面，铺设粒径为10微米的金刚石粉体和相应金属网。

具体可按照如下方法制备金刚石-金属基层状复合体：

一层150μm的金属铜箔水平放置在热压模具底部，放置网眼规格为20目的铜网，填充20目的金刚石粉体，用刮刀铺平；

覆上一层150μm的铜箔，放置网眼规格为60目的铜网，填充60目的金刚石粉体，用刮刀铺平；覆上一层150μm的铜箔，制得金刚石-铜基层状复合体。

所述金刚石粉体其表面镀覆有硅-碳化硅涂层的金刚石粉体，所述硅-碳化硅涂层厚度为2微米；所述表面镀覆有硅-碳化硅涂层的金刚石粉体的金刚石颗粒采用盐浴镀的方法镀覆，具体步骤如下：

S1、金刚石粉体与氯化钠、过量的硅粉按照质量比1:1:1配料，然后将可溶性氯盐粉体与硅粉体混合，用高速混料机混合均匀，然后把金刚石粉体加入进去，用高速混料机混合均匀形成粉体共混物；

S2、将步骤S1中获得的粉体共混物装入石墨坩埚，放入真空碳管炉中，抽真空，待真空度抽到10^-3Pa以下后，开始加热，1250℃煅烧120分钟，待碳管炉冷却到室温后，将共混粉体取出获得经煅烧的粉体共混物；

S3、将步骤S2中获得的经煅烧的粉体共混物，过筛，去掉氯化钙和多余的硅粉，然后将粉体倒入烧杯中，用热水反复的浸泡冲洗，将氯化钙彻底清洗掉后，往烧杯中加入去离子水，进行超声清洗至没有浑浊物出现，就表明将多余的Si粉体彻底清除了，用无水乙醇反复冲洗粉体2-3遍后，放入真空干燥箱中彻底烘干，获得所述表面镀覆有硅-碳化硅涂层的金刚石粉体。

(2)将步骤(1)中获得的金刚石-金属基层状复合体采用真空热压法烧结，制备所述金刚石-金属复合导热材料；

将步骤(1)中获得的金刚石-金属基层状复合体连同模具一起置于真空热压炉内，抽真空至10^-1Pa以下，加热1150℃，保温60分钟，热压烧结，压力50MPa，保压冷却。

(3)热等静压处理：将步骤(2)中获得的金刚石-金属复合导热材料放置于热等静压炉内，加热至1020℃，保温40分钟进行热压烧结，压力200MPa；当所述热等静压炉冷却到200℃开始卸压至烧结结束。

所得复合材料的热导率为849W/m·K，抗拉强度为390MPa。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种金刚石-金属复合导热材料，其特征在于，包括金属基体和多层级配的金刚石粉体层；所述金刚石粉体层状排列，与所述金属基体紧密结合；金刚石粉体体积分数在55％至85％之间；

所述金刚石粉体层包括第一金刚石粉体层，粒径规格在8目至50目之间；

所述金刚石粉体层包括第二金刚石粉体层，其粒径与第一金刚石粉体层的金刚石粉体粒径之比在1:2至1:5之间。

2.如权利要求1所述的金刚石-金属复合导热材料，其特征在于，所述金刚石粉体层包括第一金刚石粉体层，粒径规格在15目至30目之间。

3.如权利要求2所述的的金刚石-金属复合导热材料，其特征在于，所述第二金刚石粉体层和第一金刚石粉体层的金刚石粉末质量比在1:1.5至1:5之间。

4.如权利要求1至3任意一项所述的金刚石-金属复合导热材料，其特征在于，所述金刚石粉体为表面镀覆有硅-碳化硅涂层的金刚石粉体，所述硅-碳化硅涂层厚度在0.1微米至2微米。

5.如权利要求4所述的金刚石-金属复合导热材料，其特征在于，所述硅-碳化硅涂层厚度为0.2微米。

6.如权利要求1至5任意一项所述的金刚石-金属复合导热材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在金属箔之间布置金刚石粉体层的金刚石粉体填充的金属网，获得待烧结的金刚石-金属基层状复合体；所述金属网材质与金属箔相同，为金属基体材质，其网眼规格与金刚石粉体层的金刚石粉体规格一致；

(2)将步骤(1)中获得的金刚石-金属基层状复合体采用真空热压法烧结，制备所述金刚石-金属复合导热材料。

7.如权利要求6所述的金刚石-金属复合导热材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述金刚石粉体层包括第一与第二金刚石粉体层，所述第一与第二金刚石粉体层的粉体分别填充在布置于金属箔之间且与其规格一致的金属网中；其中第一与第二金刚石粉体层的金刚石粉体其规格为经级配的金刚石粉体规格。

8.如权利要求7所述的金刚石-金属复合导热材料的制备方法，其特征在于，所述金刚石粉体其表面镀覆有硅-碳化硅涂层的金刚石粉体，所述硅-碳化硅涂层厚度在0.1微米至2微米。

9.如权利要求8所述的金刚石-金属复合导热材料的制备方法，其特征在于，所述表面镀覆有硅-碳化硅涂层的金刚石粉体的金刚石颗粒采用盐浴镀的方法镀覆。

10.如权利要求9所述的金刚石-金属复合导热材料的制备方法，其特征在于，所述表面镀覆有硅-碳化硅涂层的金刚石粉体的金刚石颗粒采用盐浴镀的方法镀覆的具体步骤如下：

S1、金刚石粉体与可溶性氯盐、过量的硅粉配料后混合均匀形成粉体共混物；

S2、将步骤S1中获得的粉体共混物装入石墨坩埚，真空环境下1100℃至1250℃煅烧30分钟至120分钟，冷却后获得经煅烧的粉体共混物；

S3、将步骤S2中获得的经煅烧的粉体共混物，洗除可溶性氯盐、以及多余的硅粉，获得所述表面镀覆有硅-碳化硅涂层的金刚石粉体。

11.如权利要求6所述的金刚石-金属复合导热材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)真空热压法烧结具体工艺为：

将步骤(1)中获得的金刚石-金属基层状复合体置于真空热压炉内，抽真空至10Pa以下，加热至所述金属的熔融温度，保温20分钟-120分钟，热压烧结，压力30Mpa至50MPa，保压冷却。

12.如权利要求6所述的金刚石-金属复合导热材料的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：

(3)热等静压处理：将步骤(2)中获得的金刚石-金属复合导热材料放置于热等静压炉内，加热至500℃-600℃或900℃-1020℃，保温40-80分钟进行热压烧结，压力120MPa至200MPa；当所述热等静压炉冷却到200℃开始卸压至烧结结束。

13.如权利要求6所述的金刚石-金属复合导热材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述金刚石-金属基层状复合体的上下表面，铺设粒径在3至10微米的金刚石粉体和相应金属网。

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