CN112195384A - 一种低成本金刚石高导热材料及其制备方法 - Google Patents

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李明柱
赵春红
刘世凯
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Abstract

本发明属于高导热复合材料领域，具体地涉及一种低成本金刚石高导热材料及其制备方法，该材料为以金刚石单晶颗粒为基体，碳化硅晶体增强稳定性，银和铝为粘结剂填补金刚石单晶颗粒和碳化硅晶体间的缝隙，同时将金刚石单晶颗粒和碳化硅晶体粘结成界面热阻小、稳定性高的块状或片状的高导热材料。其选用质量分数为70％‑79％的金刚石单晶颗粒，质量分数为15％‑20％碳化硅晶体，质量分数为3％‑5％的铝粉，质量分数为3％‑5％银粉作为原料制备。本发明利用金刚石合成用六面顶压机，在高温高压条件下，能够简便制备大尺寸高导热复合材料，降低生产成本，提高生产效率。

Description

一种低成本金刚石高导热材料及其制备方法
技术领域
本发明属于高导热复合材料领域，尤其是一种低成本金刚石高导热材料及其制备方法。
背景技术
导热材料，通俗来说就是一种将热源所发出来的热量传导至其它位置或其它介质的一种材料，它可以是气体(空气)、液体(水)、金属材料(金、银、铜、铁)或是其它新型导热材料。通常导热材料也只是一种介质，介质好则能快速将热传递出去，介质不好则会造成热源热量累积，造成高温风险(起火、爆炸等)。导热材料的好坏最重要的判断标准是导热材料的导热系数的高低，“同等条件下”导热系数越高，则导热效果越好金刚石/铝复合材料不但具有高热导系数和低膨胀系数的特点，而且其密度也远低于其他常用的高导热材料，因此，金刚石/铝复合材料是未来最具有潜力的新型热管理材料。然而，在高温下金刚石与铝，尤其是液相铝，易于发生化学反应生成Al4C3界面相，一方面，微量Al4C3相界面相生成时所形成的界面扩散层能有效提高金刚石与铝的界面结合，提高复合材料的热导率，另一方面，由于Al4C3呈脆性、与基体结合差、热导率低和易潮解，过量Al4C3界面相的生成会恶化界面结合，降低复合材料的导热性能。粉末冶金制备过程所需的温度比较低，可避免有害的界面反应，且工艺灵活，但现有的粉末冶金技术中，人们处于对高制备效率的追求，常采用放电等离子体烧结等快速烧结技术对金刚石/铝复合粉末进行致密化，由于烧结时间太短，真空度较低，无法形成有效的界面结合，导致界面热阻很高，因而不利于获得具有较高热导率的复合材料，此外，放电等离子体烧结专用设备价格昂贵，不但增加了制备成本，而且由于该设备工作区域较小，严重制约了所能制备的产品尺寸。
发明内容
本发明的目的是提供一种低成本金刚石高导热材料及其制备方法，在高温高压条件下，能够简便制备大尺寸高导热复合材料，降低生产成本，提高生产率。
本发明提出一种低成本金刚石高导热材料，该低成本金刚石高导热材料的起始原料由以下组分组成，按质量分数计为：
Figure BDA0002741900330000021
该材料为以金刚石单晶颗粒为骨架，碳化硅晶体增强稳定性，银和铝为粘结剂填补金刚石单晶颗粒和碳化硅晶体间的缝隙，同时将金刚石单晶颗粒和碳化硅晶体粘结成界面热阻小、稳定性高的块状或片状的高导热材料。
优选的，金刚石单晶颗粒的粒度为325-400目，碳化硅晶体的粒度为400-500 目，铝粉的粒度为400-500目，银粉的粒度为400-500目。
本发明还提出上述所述低成本金刚石高导热材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将金刚石单晶颗粒、碳化硅晶体、铝粉和银粉均匀混合，得到混合粉末；
(2)将步骤(1)得到的混合粉末预压成圆饼状；
(3)将步骤(2)得到的圆饼状混合粉末放入模具腔内，模具腔内温度为 1150-1250℃，压力为4-6GPa，保持时间为25-40min，模具腔内冷后制备出片状高导热材料。
优选的，所述步骤(2)的圆饼状混合粉末的厚度为1-5mm。
本发明还包括能够使该低成本金刚石高导热材料的制备方法正常使用的其它步骤，均为本领域的常规技术手段。另外，本发明中未加限定的技术手段均采用本领域中的常规技术手段。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)在高温高压条件下，能够简便制备大尺寸高导热复合材料，降低生产成本，单位成本是CVD膜的十分之一，可同时生产多个片状金刚石高导热材料，生产效率高。
(2)按此方法制备的导热材料的导热率为500-650W/m.K，热膨胀系数为(2.5-3.4)×10-6/℃，此方法制备的导热材料能广泛应用于带电的半导体表面的散热，及要求高绝缘的高低压电力设备中。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行清楚地描述，在此处的描述仅仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
实施例1
一种低成本金刚石高导热材料，该低成本金刚石高导热材料的起始原料由以下组分组成，按质量分数计为：
Figure BDA0002741900330000031
金刚石单晶颗粒的粒度为350目，碳化硅晶体的粒度为400目，铝粉的粒度为400目，铝粉的粒度为400目。
上述低成本金刚石高导热材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将金刚石单晶颗粒、碳化硅晶体颗粒、铝粉和银粉均匀混合，得到混合粉末；
2)将混合粉末预压成圆饼状，其厚度为2mm；
3)将预压制好的圆饼状混合粉末放入模具腔内，模具腔内温度为1150℃，压力为4GPa，保持时间为25min，随模具腔内冷却后制备出片状高导热材料。
所得到的高导热材料的导热率为500W/m.K，热膨胀系数为3.2×10-6/℃。
实施例2
一种低成本金刚石高导热材料，该低成本金刚石高导热材料的起始原料由以下组分组成，按质量分数计为：
Figure BDA0002741900330000032
金刚石单晶颗粒的粒度为380目，碳化硅晶体的粒度为450目，铝粉的粒度为450目，铝粉的粒度为450目。
上述低成本金刚石高导热材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将金刚石单晶颗粒、碳化硅晶体颗粒、铝粉和银粉均匀混合，得到混合粉末；
2)将混合粉末预压成圆饼状，其厚度为4mm；
3)将预压制好的圆饼状混合粉末放入模具腔内，模具腔内温度为1150℃，压力为4GPa，保持时间为25min，随模具腔内冷却后制备出片状高导热材料。
所得到的高导热材料的导热率为550W/m.K，热膨胀系数为3×10-6/℃。
实施例3
一种低成本金刚石高导热材料，该低成本金刚石高导热材料的起始原料由以下组分组成，按质量分数计为：
Figure BDA0002741900330000041
金刚石单晶颗粒的粒度为380目，碳化硅晶体的粒度为450目，铝粉的粒度为450目，铝粉的粒度为450目。
上述低成本金刚石高导热材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将金刚石单晶颗粒、碳化硅晶体颗粒、铝粉和银粉均匀混合，得到混合粉末；
2)将混合粉末预压成圆饼状，其厚度为4mm；
3)将预压制好的圆饼状混合粉末放入模具腔内，模具腔内温度为1250℃，压力为6GPa，保持时间为40min，随模具腔内冷却后制备出片状高导热材料。
所得到的高导热材料的导热率为580W/m.K，热膨胀系数为2.8×10-6/℃。
对比例
按所述低成本金刚石高导热材料的制备方法，将粒度为380目，质量分数为 75％的金刚石单晶颗粒，粒度为450目，质量分数为17％的碳化硅晶体，粒度为450目，质量分数为4％的铝粉，粒度为450目，质量分数为4％的银粉均匀混合，并将混合粉末预压成圆饼状，其厚度为4mm，将预压制好的圆饼状混合粉末放入模具内，模具腔内温度为1000℃，压力为3GPa，保持时间为50min，随模具腔内冷却后制备出高导热材料的导热率为300W/m.K，热膨胀系数为5×10-6/℃。
从实施例1-3和对比例制备出的高导热材料可以看出，实施例1-3的导热率明显高于对比例，热膨胀率明显低于对比例，其中实施例3得到的高导热材料的导热率最高，热膨胀率最低。
以上已经描述了本发明的实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的实施例。在不偏离所说明实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (4)

1.一种低成本金刚石高导热材料，其特征在于：该低成本金刚石高导热材料的起始原料由以下组分组成，按质量分数计为：
Figure FDA0002741900320000011
。
2.根据权利要求1所述的低成本金刚石高导热材料，其特征在于：金刚石单晶颗粒的粒度为325-400目，碳化硅晶体的粒度为400-500目，铝粉粒度为400-500目，银粉粒度为400-500目。
3.一种基于权利要求1或2所述的低成本金刚石高导热材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)将金刚石单晶颗粒、碳化硅晶体、铝粉和银粉均匀混合，得到混合粉末；
(2)将步骤(1)得到的混合粉末预压成圆饼状；
(3)将步骤(2)得到的预压制好的圆饼状混合粉末放入模具腔内，模具腔内温度为1150-1250℃，压力为4-6GPa，保持时间为25-40min，随模具腔内冷却后制备出片状高导热材料。
4.根据权利要求3所述的低成本金刚石高导热材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)的圆饼状混合粉末厚度为1-5mm。
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