CN113088920B - 复合材料及其制备方法、以及可穿戴设备 - Google Patents

复合材料及其制备方法、以及可穿戴设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种复合材料及其制备方法、以及可穿戴设备，所述复合材料包括依次层叠设置的金属基材层、连接导热层以及无机导热层，其中，所述无机导热层的材质密度小于所述金属基材层的材质密度。本发明将低密度的无机导热层与金属基材层复合，在确保散热效果的条件下，降低了复合材料的重量，满足了产品轻量化的需求；同时，通过在无机导热层与金属基材层之间设置连接导热层，增强了无机导热层与金属基材层之间的附着力，提高了复合材料的导热率，保证了散热效果。

Description

复合材料及其制备方法、以及可穿戴设备
技术领域
本发明涉及散热层技术领域，特别涉及一种复合材料及其制备方法、以及可穿戴设备。
背景技术
AR眼镜、VR等可穿戴设备具有较高的散热需求，但受限于产品的尺寸以及产品性能需求，不能安装主动散热层。同时，基于可穿戴设备的使用方式，可穿戴设备重量也成为影响其品质的一大重要因素。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种复合材料及其制备方法、以及可穿戴设备，旨在提供一种轻量化的散热用复合材料。
为实现上述目的，本发明提出一种复合材料，所述复合材料包括依次层叠设置的金属基材层、连接导热层以及无机导热层，其中，所述无机导热层的材质密度小于所述金属基材层的材质密度。
可选地，所述无机导热层为金刚石层，所述连接导热层为钼层；和/或，
所述金属基材层为铜层。
可选地，所述钼层的厚度为50～100μm；和/或，
所述金刚石层的厚度为200～500μm。
可选地，所述钼层的厚度为100μm。
可选地，所述金刚石层为金刚石沉积层。
为实现上述目的，本发明还提出一种复合材料的制备方法，所述复合材料的制备方法包括以下步骤：
在金属基材层的一侧上设置连接导热层；
在所述连接导热层背离所述金属基材层的一侧设置无机导热层。
可选地，所述金属基材层为铜层，所述无机导热层为金刚石层，所述连接导热层为钼层；
所述在金属基材层的一侧上设置连接导热层的步骤包括：
采用物理气相沉积法在铜层的一侧形成钼层。
可选地，所述在所述连接导热层背离所述金属基材层的一侧设置无机导热层的步骤包括：
采用热丝化学气相沉积法在所述钼层背离所述铜层的一侧形成金刚石层。
此外，本发明还提出一种可穿戴设备，所述可穿戴设备包括散热层，所述散热层的材质包括如权利要求1至5任意一项所述的复合材料。
可选地，所述可穿戴设备为AR眼镜。
可选地，所述AR眼镜包括：
处理器；
所述散热层，所述散热层设置在所述处理器的表面，且所述散热层中的金属基材层靠近所述处理器的表面设置；以及，
导热填充层，填充所述金属基材层与所述处理器的表面之间的空隙设置。
本发明提供的技术方案中，将低密度的无机导热层与金属基材层复合，在确保散热效果的条件下，降低了复合材料的重量，满足了产品轻量化的需求；同时，通过在无机导热层与金属基材层之间设置连接导热层，增强了无机导热层与金属基材层之间的附着力，提高了复合材料的导热率，保证了散热效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅为本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明提供的复合材料的一实施例的结构示意图；
图2为本发明提供的复合材料的制备方法的一实施例的流程示意图；
图3为本发明提供的复合材料的制备方法的另一实施例的流程示意图；
图4为实施例1中复合材料的金刚石沉积层的电镜图；
图5为实施例2中复合材料的金刚石沉积层的电镜图；
图6为实施例3中复合材料的金刚石沉积层的电镜图；
图7为实施例4中复合材料的金刚石沉积层的电镜图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
100 复合材料 2 连接导热层
1 无机导热层 3 金属基材层
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
需要说明的是，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。此外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
AR眼镜、VR等可穿戴设备具有较高的散热需求，但受限于产品的尺寸以及产品性能需求，不能安装主动散热层。同时，基于可穿戴设备的使用方式，可穿戴设备重量也成为影响其品质的一大重要因素。
鉴于此，本发明提出一种可穿戴设备，所述可穿戴设备可以是VR装置、AR眼镜等。所述可穿戴设备包括散热层，以对其发热装置进行散热。所述散热层的材质包括复合材料100，所述复合材料100包括依次层叠设置的金属基材层3、连接导热层2以及无机导热层1，其中，所述无机导热层1的材质密度小于所述金属基材层3的材质密度。
通过将低密度的无机导热层1与金属基材层3复合，在确保散热效果的条件下，降低了复合材料100的重量，进而降低了可穿戴设备产品的重量；同时，通过在无机导热层1与金属基材层3之间设置连接导热层2，增强了无机导热层1与金属基材层3之间的附着力，提高了复合材料100的导热率，保证了散热层的散热效果。
以AR眼镜为例，散热层贴合在AR眼镜的PCB主板处理器上。具体地，所述AR眼镜包括处理器、所述散热层以及导热填充层，所述散热层设置在所述处理器的表面上，且所述散热层中的金属基材层3靠近所述处理器的表面设置，实际操作时，尽量确保金属基材层3与处理器表面贴合，以保证散热效果；导热填充层填充所述金属基材层3与所述处理器的表面之间的空隙设置，由于处理器表面通常会存在一些坑槽，使得金属基材层3与处理器之间难以避免地会存在一点空隙，而空气的热传导性差，从而会导致散热层散热效果下降，本实施例在金属基材层3和处理器表面之间涂覆一层导热填充层，填充空隙，增大金属基材层3和处理器表面的接触面积，从而使得处理器的热量能够通过散热层迅速传导出去，提高了散热效率。其中，导热填充层的材质可以选择任意一种具有导热性能的胶体或者膏体，例如散热硅脂等。
图1为本发明提出的复合材料100的一实施例。
参阅图1，所述复合材料100包括依次层叠设置的金属基材层3、连接导热层2以及无机导热层1，其中，所述无机导热层1的材质密度小于所述金属基材层3的材质密度。
本发明提供的技术方案中，将低密度的无机导热层1与金属基材层3复合，在确保散热效果的条件下，降低了复合材料100的重量，满足了产品轻量化的需求；同时，通过在无机导热层1与金属基材层3之间设置连接导热层2，增强了无机导热层1与金属基材层3之间的附着力，提高了复合材料100的导热率，保证了散热效果。
金属基材层3的材质可以是任意一种具有热传导作用的金属，例如，铜、铝、金、银等。无机导热层1的材质有多种选择，凡是具有导热性能且密度低于所选择的金属基材层3材质的无机材料均可以作为无机导热层1的材质，例如，石墨烯、金刚石等。连接导热层2具有导热作用，且能够增强无机导热层1与金属基材层3之间的附着力，以避免无机导热层1从金属基材层3上脱落，从而增强复合材料100的导热率，连接导热层2的材质可以是钼。
在本发明的一实施例中，所述无机导热层1为金刚石层，所述连接导热层2为钼层。金刚石的热传导性能优于铜，且密度较低，将金刚石和金属复合能够制备出高热导率、轻量化的散热材料。钼不仅可以导热，而且能够提高金刚石与金属的附着力，避免金刚石层从金属基材层3上脱落，增强了复合材料100的导热率。
在本发明的另一实施例中，所述金属基材层3为铜层，具体地，铜热传导性能好且价廉易得，相较其他导热金属，性价比较高，本实施例中优选铜作为金属基材层3的材质，既能保证散热效果，又能降低成本。
作为优选实施例，所述金属基材层3为铜层，所述无机导热层1为金刚石层，所述连接导热层2为钼层。将铜和金刚石复合，能够使复合材料100兼具高热导率、轻量化以及价格适中的优点；此外，由于钼的热膨胀系数处于金刚石热膨胀系数和铜热膨胀系数之间，在金刚石层和铜层之间加入钼层，有助于平衡金刚石和铜的热膨胀系数，进而减少金刚石的破裂问题。
具体地，钼层的厚度设置在50～100μm范围内，从而保证金刚石层与金属层之间的附着性以及复合材料100的导热性能。钼层的厚度进一步设置为100μm。
所述金刚石层的厚度为200～500μm。在此范围内，既能够实现复合材料100散热好、重量小的优点，又能最大限度地降低成本。
此外，所述金刚石层为金刚石沉积层，相较高压复合等其他方式，沉积形成的金刚石沉积层晶体结构更小更完整，具有更好的热导率和附着力。此外，钼层也可以设置为钼沉积层，以增强钼层与金刚石层、金属基材层3之间的粘结，提高金刚石在钼层上的沉积效率。
为实现上述目的，本发明还提出一种复合材料100的制备方法。图2和图3为所述复合材料100的制备方法的具体实施例。
参阅图2，本实施例中，所述复合材料100的制备方法包括以下步骤：
步骤S10，在金属基材层3的一侧上设置连接导热层2；
步骤S20，在所述连接导热层2背离所述金属基材层3的一侧设置无机导热层1。
通过在金属基材层3的一侧上设置连接导热层2，在所述连接导热层2背离所述金属基材层3的一侧设置无机导热层1，从而形成了依次层叠设置的金属基材层3、连接导热层2以及无机导热层1，通过将低密度的无机导热层1与金属基材层3复合，在确保散热效果的条件下，降低了复合材料100的重量，满足了产品轻量化的需求；同时，通过在无机导热层1与金属基材层3之间设置连接导热层2，增强了无机导热层1与金属基材层3之间的附着力，提高了复合材料100的导热率，保证了散热效果。
基于上述实施例，本发明进一步提出所述复合材料100的制备方法的另一实施例。
参阅图3，本实施例中，所述金属基材层3为铜层，所述无机导热层1为金刚石层，所述连接导热层2为钼层，此时，步骤S10可以按照如下步骤操作：
步骤S101，采用物理气相沉积法在铜层的一侧形成钼层。
本实施例中，采用磁控溅射PVD工艺制备钼层。本发明对PVD工艺中涉及的具体工艺参数不作限定，具体实施时，可以根据实际需要，调控工艺参数，来控制钼层沉积厚度和沉积质量，进而来提高金刚石层的附着力。例如，PVD工艺参数可以设置为：极限真空度4×10-4Pa，沉积室的气压0.1～0.8Pa，气体使用高纯氩气，氩气流量20～40cm3/min，溅射功率控制为80～100W，偏压-80至-120V。
本实施例中，钼层厚度设置为50～100μm，优选为100μm。
进一步地，具体实施时，步骤S20包括：
步骤S201，采用热丝化学气相沉积法在所述钼层背离所述铜层的一侧形成金刚石层。
本实施例将步骤S101制成的半成品置于热丝炉中，通过化学气相沉积的方法将金刚石沉积到钼层背离铜层的一侧。热丝化学气相沉积法沉积效率高且效果好，能够控制沉积的金刚石晶型、晶粒尺寸以及金刚石层的厚度，从而获得更小更完整的晶体结构，使得形成的金刚石层具有更好的热导率和附着力，进而提升复合材料100的散热效果。
本实施例中，金刚石层的厚度优选为200～500μm。
本发明对热丝化学气相沉积法工艺中涉及的具体工艺参数不作限定，具体实施时，可以根据实际需要，调控工艺参数，来控制金刚石晶型、晶粒尺寸以及金刚石层的厚度。例如，工艺参数可以设置为：甲烷通气量20～40ml/min，氢气通气量0.8～1.21/min，甲烷含量保证在2％～5％之间，压强保证在3000～5000Pa，钽丝丝距控制在8～12mm，功率控制在20～23KW。
以下结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明，应当理解，以下实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例复合材料100的结构如图1所示。其中，金属基材层3为铜层，无机导热层1为金刚石沉积层，连接导热层2为钼沉积层。
按照如下步骤制备复合材料100：
通过物理气相沉积法(PVD)在2mm厚的铜层的上侧形成100μm厚的钼沉积层。其中，PVD工艺参数为：极限真空度4×10-4Pa，沉积室的气压0.5Pa，气体使用高纯氩气，氩气流量30cm3/min，溅射功率控制为80W，偏压-100V。
将上述步骤制得的半成品置于热丝炉中，通过化学气相沉积(CVD)的方法将金刚石沉积到钼沉积层的上侧，形成400μm厚的金刚石沉积层。其中，CVD工艺参数为：甲烷通气量30ml/min，氢气通气量1.0/min，甲烷含量保证在3％之间，压强保证在3150Pa，钽丝丝距控制在10mm，功率控制在22KW。
电镜观察金刚石沉积层，结果如图4所示。从图4中可以看出，金刚石沉积层内晶粒排布有序、晶界密度低，且晶面取向中(100)晶面比例更高，说明金刚石沉积层沉积效果良好，具有较高的热导率。
实施例2
本实施例复合材料100的结构如图1所示。其中，金属基材层3为铜层，无机导热层1为金刚石沉积层，连接导热层2为钼沉积层。
按照如下步骤制备复合材料100：
通过物理气相沉积法(PVD)在2mm厚的铜层的上侧形成70μm厚的钼沉积层。其中，PVD工艺参数为：极限真空度4×10-4Pa，沉积室的气压0.6Pa，气体使用高纯氩气，氩气流量30cm3/min，溅射功率控制为100W，偏压-110V。
将上述步骤制得的半成品置于热丝炉中，通过化学气相沉积(CVD)的方法将金刚石沉积到钼沉积层的上侧，形成300μm厚的金刚石沉积层。其中，CVD工艺参数为：甲烷通气量40ml/min，氢气通气量0.9/min，甲烷含量保证在3％之间，压强保证在5000Pa，钽丝丝距控制在11mm，功率控制在20.7KW。
电镜观察金刚石沉积层，结果如图5所示。从图5中可以看出，金刚石沉积层内晶粒排布有序、晶界密度低，且晶面取向中(100)晶面比例更高，说明金刚石沉积层沉积效果良好，具有较高的热导率。
实施例3
本实施例复合材料100的结构如图1所示。其中，金属基材层3为铜层，无机导热层1为金刚石沉积层，连接导热层2为钼沉积层。
按照如下步骤制备复合材料100：
通过物理气相沉积法(PVD)在2mm厚的铜层的上侧形成80μm厚的钼沉积层。其中，PVD工艺参数为：极限真空度4×10-4Pa，沉积室的气压0.8Pa，气体使用高纯氩气，氩气流量40cm3/min，溅射功率控制为100W，偏压-80V。
将上述步骤制得的半成品置于热丝炉中，通过化学气相沉积(CVD)的方法将金刚石沉积到钼沉积层的上侧，形成200μm厚的金刚石沉积层。其中，CVD工艺参数为：甲烷通气量40ml/min，氢气通气量1.21/min，甲烷含量保证在5％之间，压强保证在3000Pa，钽丝丝距控制在12mm，功率控制在20KW。
电镜观察金刚石沉积层，结果如图6所示。从图6中可以看出，金刚石沉积层内晶粒排布有序、晶界密度低，且晶面取向中(100)晶面比例更高，说明金刚石沉积层沉积效果良好，具有较高的热导率。
实施例4
本实施例复合材料100的结构如图1所示。其中，金属基材层3为铜层，无机导热层1为金刚石沉积层，连接导热层2为钼沉积层。
按照如下步骤制备复合材料100：
通过物理气相沉积法(PVD)在2mm厚的铜层的上侧形成50μm厚的钼沉积层。其中，PVD工艺参数为：极限真空度4×10-4Pa，沉积室的气压0.1Pa，气体使用高纯氩气，氩气流量20cm3/min，溅射功率控制为100W，偏压-120V。
将上述步骤制得的半成品置于热丝炉中，通过化学气相沉积(CVD)的方法将金刚石沉积到钼沉积层的上侧，形成500μm厚的金刚石沉积层。其中，CVD工艺参数为：甲烷通气量20ml/min，氢气通气量0.81/min，甲烷含量保证在2％之间，压强保证在4000Pa，钽丝丝距控制在9mm，功率控制在23KW。
电镜观察金刚石沉积层，结果如图7所示。从图7中可以看出，金刚石沉积层内晶粒排布有序、晶界密度低，且晶面取向中(100)晶面比例更高，说明金刚石沉积层沉积效果良好，具有较高的热导率。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种复合材料，其特征在于，包括依次层叠设置的金属基材层、连接导热层以及无机导热层，其中，所述无机导热层的材质密度小于所述金属基材层的材质密度；
所述无机导热层为金刚石层，所述连接导热层为钼层，所述金属基材层为铜层；所述钼层的厚度为50～100μm，所述金刚石层的厚度为200～500μm；
其中，所述金刚石层由热丝化学气相沉积法制得，所述热丝化学气相沉积法的工艺参数设置为：甲烷通气量20～40ml/min，氢气通气量0.8～1.21/min，甲烷含量保证在2％～5％之间，压强保证在3000～5000Pa，钽丝丝距控制在8～12mm，功率控制在20～23KW；
所述钼层由磁控溅射物理气相沉积法制得，所述磁控溅射物理气相沉积法的工艺参数设置为：极限真空度4×10-4Pa，沉积室的气压0.1～0.8Pa，气体使用高纯氩气，氩气流量20～40cm3/min，溅射功率控制为80～100W，偏压-80至-120V。
2.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述钼层的厚度为100μm。
3.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述金刚石层为金刚石沉积层。
4.一种复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在金属基材层的一侧上设置连接导热层；
在所述连接导热层背离所述金属基材层的一侧设置无机导热层。
5.如权利要求4所述的复合材料的制备方法，其特征在于，所述金属基材层为铜层，所述无机导热层为金刚石层，所述连接导热层为钼层；
所述在金属基材层的一侧上设置连接导热层的步骤包括：
采用物理气相沉积法在铜层的一侧形成钼层。
6.如权利要求5所述的复合材料的制备方法，其特征在于，所述在所述连接导热层背离所述金属基材层的一侧设置无机导热层的步骤包括：
采用热丝化学气相沉积法在所述钼层背离所述铜层的一侧形成金刚石层。
7.一种可穿戴设备，其特征在于，包括散热层，所述散热层的材质包括如权利要求1至3任意一项所述的复合材料。
8.如权利要求7所述的可穿戴设备，其特征在于，所述可穿戴设备为AR眼镜。
9.如权利要求8所述的可穿戴设备，其特征在于，所述AR眼镜包括：
处理器；
所述散热层，所述散热层设置在所述处理器的表面，且所述散热层中的金属基材层靠近所述处理器的表面设置；以及，
导热填充层，填充所述金属基材层与所述处理器的表面之间的空隙设置。
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