CN113210611A - 表面覆金属层的铜金刚石复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种表面覆金属层的铜金刚石复合材料及其制备方法和应用，包括：铜金刚石芯材和包覆在铜金刚石芯材外的表面金属层；铜金刚石芯材包括铜和表面改性的金刚石颗粒；表面金属层包括钨铜、钼铜和铱铜中的一种，铜金刚石芯材的铜和表面金属层中的铜为连续分布相。本发明的表面覆金属层的铜金刚石复合材料，表面金属层可使铜金刚石芯材中的金刚石颗粒免于裸露，从而降低了制备成零部件的机械加工难度，降低了表面覆金属层的铜金刚石复合材料的表面粗糙度。表面金属层具有较高的热导率，且膨胀系数与铜金刚石芯材相匹配，使得铜金刚石芯材和表面金属层二者间的界面应力较低，从而满足温度循环要求高的航空航天领域使用。

Description

表面覆金属层的铜金刚石复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及电子信息工业用的电子封装材料领域，特别地，涉及一种表面覆金属层的铜金刚石复合材料。此外，本发明还涉及上述表面覆金属层的铜金刚石复合材料的制备方法和应用。
背景技术
随着大功率第三代半导体氮化镓等芯片的大量应用和高能激光武器的逐渐列装，对封装材料的散热要求日益严苛。现有的封装材料如铜/钼/铜、铝硅、铝碳化硅等散热能力有限，难以满足大功率电子器件的封装需求，开发新一代高导热封装材料已成为高功率器件发展应用中亟待解决的问题。
金刚石是自然界中导热最好的材料，常温下热导率最高可达2200W/(m·K)，热膨胀系数为8.6×10-7/K，符合电子封装材料高导热和低膨胀系数的使用要求。铜是工业领域内最重要的工程材料之一，具有优良的导热和导电性，其热导率为400W/(m·K)，热膨胀系数为17×10-6/K。将金刚石和铜结合起来不但具有较高的热导率，还满足电子封装器件低膨胀和轻质化的要求，是一种极具竞争力的新型电子封装材料。因此，铜金刚石复合材料正逐渐成为新一代封装材料的研究热点。
经过十余年的研发，国内铜金刚石复合材料的制备方法日趋成熟，主要表现有粉末冶金法、放电等离子烧结法、压力浸渗法等，制备的铜金刚石复合材料的主要性能指标也已达到国际先进水平。
专利CN111304481A公开了一种金刚石-金属复合材料的熔渗制备工艺及金刚石-金属复合材料，其提出采用丝网方式限定金刚石颗粒在浸渗过程时在铜液中的浮动，该方式可以在上下表面形成薄层金属层，但侧表面不易获得薄金属层，特别不适合铜金刚石异形件和复杂件。
专利CN106670897A公开了一种一种适用于金刚石-铜复合材料的表面加工方法，其采用陶瓷结合剂的金刚石砂轮进行两次粗磨，然后再采用高硬度金刚石砂轮进行精磨。通过该方法制备的铜金刚石材料表面有金刚石颗粒裸露，而且陶瓷结合剂金刚石砂轮成本高，单次磨削量小，生产成本高。
专利CN102732764A公开了一种高热导、低热膨胀系数金刚石/铜复合材料的制备方法，先通过化学镀工艺在金刚石颗粒表面镀铜，然后再与铜粉混合，最后通过真空热压工艺制备铜金刚石材料。通过此类工艺制备的铜金刚石材料表面有金刚石颗粒裸露。
专利CN105779805A公开了一种泡沫金刚石骨架增强铜基复合材料，提出了采用泡沫金属为基材，通过化学气相沉积工艺在多孔金属基材孔隙表面生成金刚石膜、石墨烯包覆金刚石膜、碳纳米管包覆金刚石膜、石墨烯/碳纳米管包覆金刚石膜中的至少一种，或者在上述泡沫金属基材中添加强化颗粒后再进行化学气相沉积，然后再采用压力熔渗技术将铜与具有金刚石强化层的增强体复合，采用化学气相沉积金刚石层时间长，金刚石层厚度小，成本高。
目前国内在制备铜金刚石零部件的过程中，金刚石颗粒容易发生裸露，金刚石颗粒的裸露会导致以下两个问题：
(1)铜金刚石零部件表面粗糙度偏高，与半导体芯片或陶瓷基板连接时影响复合材料性能发挥。为了降低表面粗糙度，通常在铜金刚石复合材料表面镀镍、金或喷涂铜金属层，再对金属层抛光。这种工艺虽然可使铜金刚石复合材料表面粗糙度大大减低，但是工艺复杂且镀层较厚(通常为20μm左右)。由于金刚石颗粒和金属厚镀层之间热膨胀系数差异较大，应用过程中容易产生界面应力导致镀层鼓包和脱落问题出现，无法满足温度循环要求高的航空航天等领域使用。同时，镀镍层热导率低，且镀镍镀金层耐温性一般不超过500℃，严重限制了铜金刚石复合材料零部件的使用范围。
(2)由于金刚石是最难加工的材料，当金刚石颗粒裸露时，为了保证产品的尺寸精度和平面度，只能采用研磨工艺或者激光刻蚀工艺加工，会导致加工效率低下和产品成本高。特别当产品图纸中有螺纹孔或者台阶孔时，激光刻蚀工艺也很难完成。
发明内容
本发明提供了一种表面覆金属层的铜金刚石复合材料及其制备方法和应用，以解决目前国内在制备铜金刚石零部件的过程中，金刚石颗粒容易发生裸露，限制了铜金刚石产品使用范围的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种表面覆金属层的铜金刚石复合材料，包括：铜金刚石芯材和包覆在铜金刚石芯材外的表面金属层；铜金刚石芯材包括铜和表面改性的金刚石颗粒；表面金属层包括钨铜、钼铜和铱铜中的一种。
进一步地，表面金属层中的铜与铜金刚石芯材中的铜均为连续分布相。
进一步地，表面金属层的厚度为0.03mm～0.20mm。
根据本发明的另一方面，还提供了一种表面覆金属层的铜金刚石复合材料的制备方法，包括以下步骤：
制备金属骨架：对金属粉末进行成型处理，制备金属骨架坯料，将金属骨架坯料在真空或者保护气氛中加热烧结，获得孔隙率为15％～45％的金属骨架；
金属骨架机加工：采用数控铣工艺或线切割工艺对金属骨架进行机加工，以形成用于包覆表面改性的金刚石的金属骨架；
装填表面改性的金刚石颗粒：对金刚石颗粒进行表面改性处理，获得表面改性的金刚石颗粒，再将表面改性的金刚石颗粒装填到机加工后的金属骨架内，形成复合坯料；
浸渗铜：将复合坯料与铜置于双室真空气压浸渗炉中，先抽真空并进行加热，使得铜熔化为铜液并浇注到复合坯料上，停止抽真空，再向双室真空气压浸渗炉通入保护气体，增加炉内压力，使得铜液在气体压力作用下浸渗到复合坯料中的金属骨架和表面改性的金刚石颗粒孔隙中，冷却，获得表面覆金属层的铜金刚石复合材料。
进一步地，浸渗铜的具体步骤包括：将复合坯料置于石墨模具中，将带有复合坯料的石墨模具与铜置于双室真空气压浸渗炉中，先抽真空，对双室进行加热，控制装有石墨模具的处理室的温度为1100℃～1300℃，控制装有铜的处理室的温度为1150℃～1350℃，将铜形成的铜液浇注到石墨模具的复合坯料上，停止抽真空，再向双室真空气压浸渗炉通入保护气体，增加炉内压力达到1MPa～10MPa，恒温恒压保持5min～30min，使得铜液在气体压力作用下浸渗到复合坯料中的金属骨架和表面改性的金刚石上，冷却后取出。
进一步地，金属粉末采用钨粉、钼粉和铱粉中的一种；金属粉末的粒度为1μm～15μm。
进一步地，金属粉末的成型处理采用干法模压法、注射成型法或凝胶注模法中的一种；金属骨架坯料加热烧结的温度为1100℃～1400℃，时间为1h～5h。
进一步地，表面改性的金刚石颗粒的粒径为80μm～450μm。
进一步地，对金刚石颗粒进行表面改性处理的工艺采用磁控溅射法，磁控溅射法包括在金刚石颗粒表面磁控溅射金属粉末，金属粉末形成的金属层的厚度为100nm～300nm，然后置于真空度为8Pa～12Pa、温度为1150℃～1350℃、时间为2h～4h的条件下进行反应，获得表面改性的金刚石颗粒；或者，对金刚石颗粒进行表面改性处理的工艺采用高温反应法；高温反应法包括将金刚石颗粒与金属粉末混合，在置于真空度为0.4Pa～0.6Pa、温度为1000℃～1200℃、时间为1.5h～2.5h的条件下进行反应，获得表面改性的金刚石颗粒。
进一步地，浸渗铜冷却后还包括精密机械加工处理。
本发明具有以下有益效果：
本发明的表面覆金属层的铜金刚石复合材料，包括铜金刚石芯材和包覆在铜金刚石芯材外的表面金属层，上述表面金属层可使铜金刚石芯材中的金刚石颗粒免于裸露，从而降低了制备成零部件时的机械加工难度，降低了表面覆金属层的铜金刚石复合材料的表面粗糙度。同时，表面金属层包括钨铜、钼铜和铱铜中的一种，使其具有较高的热导率，且膨胀系数与铜金刚石层相匹配，从而使得铜金刚石芯材和表面金属层二者间的界面应力较低，可以采用银基钎焊将表面覆金属层的铜金刚石复合材料与柯伐等膨胀合金、钛合金和铜等进行钎焊，从而满足温度循环要求高的航空航天领域使用。而且，铜金刚石芯材使得表面覆金属层的铜金刚石复合材料具有高导热、低膨胀系数、轻量化的优良特性。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例1的制备的表面覆金属层的铜金刚石复合材料的结构示意图；
图2是本发明优选实施例1的A-A剖视图，1、钨骨架盒体，2、钨骨架盖板，3、表面改性的的金刚石颗粒；
图3是本发明优选实施例2的制备的表面覆金属层的铜金刚石零部件的结构主视图；
图4是本发明优选实施例2的B-B剖视图；
图5是本发明优选实施例3的制备的表面覆金属层的铜金刚石零部件的结构主视图；
图6是本发明优选实施例3的结构府视图；
图7是本发明优选实施例4的制备的表面覆金属层的铜金刚石零部件的结构主视图；以及
图8是本发明优选实施例4的C-C剖视图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是本发明优选实施例1的制备的表面覆金属层的铜金刚石复合材料的结构示意图；图2是本发明优选实施例1的A-A剖视图；图3是本发明优选实施例2的制备的表面覆金属层的铜金刚石零部件的结构主视图；图4是本发明优选实施例2的B-B剖视图；图5是本发明优选实施例3的制备的表面覆金属层的铜金刚石零部件的结构主视图；图6是本发明优选实施例3的结构府视图；图7是本发明优选实施例4的制备的表面覆金属层的铜金刚石零部件的结构主视图；图8是本发明优选实施例4的C-C剖视图。
本实施例的表面覆金属层的铜金刚石复合材料，包括：铜金刚石芯材和包覆在铜金刚石芯材外的表面金属层；铜金刚石芯材包括铜和表面改性的金刚石颗粒；表面金属层包括钨铜、钼铜和铱铜中的一种。本发明的表面覆金属层的铜金刚石复合材料，包括铜金刚石芯材和包覆在铜金刚石芯材外的表面金属层，上述表面金属层可使铜金刚石层中的金刚石颗粒免于裸露，降低了制备成零部件的机械加工难度，也降低了表面覆金属层的铜金刚石复合材料的表面粗糙度。同时，表面金属层包括钨铜、钼铜和铱铜中的一种，使其具有较高的热导率，且膨胀系数与铜金刚石芯材相匹配，从而使得铜金刚石芯材和表面金属层二者间的界面应力较低，可以采用银基钎焊将表面覆金属层的铜金刚石复合材料与柯伐等膨胀金属、钛合金和铜等进行钎焊，从而满足温度循环要求高的航空航天领域使用。而且，铜金刚石芯材使得表面覆金属层的铜金刚石复合材料具有高导热、低膨胀系数、轻量化的优良特性。
本实施例中，表面金属层中的铜与铜金刚石芯材中的铜为连续分布相。上述表面金属层中的铜与铜金刚石芯材中的铜为连续分布相，即铜在钨铜复合体或钼铜复合体或铱铜复合体中为连续分布相，以及铜在铜金刚石复合体中也为连续分布相，保证了表面金属层和铜金刚石芯材的界面处具有高气密性和高结合强度。
本实施例中，表面金属层的厚度为0.03mm～0.20mm。优选地，表面金属层的厚度为0.05mm～0.10mm。钨铜、钼铜和铱铜的热导率在180W/(m.K)左右，铜金刚石的热导率大于500W/(m.K)，为了提高表面覆金属层的铜金刚石零部件的热导率，表面金属层的厚度愈薄愈好，但从生产工艺控制来看，表面金属层低于0.03mm后，零部件的合格率明显降低。上述铜金刚石芯材外包覆表面金属层，从而对于表面金属层可以采用常规机械加工方法进行加工，生产效率高，尺寸精度高。
根据本发明的另一方面，还提供了一种表面覆金属层的铜金刚石复合材料的制备方法，包括以下步骤：
制备金属骨架：对金属粉末进行成型处理，制备金属骨架坯料，将金属骨架坯料在真空或者保护气氛中加热烧结，获得孔隙率为15％～45％的金属骨架；
金属骨架机加工：采用数控铣工艺或线切割工艺对金属骨架进行机加工，以形成用于包覆表面改性的金刚石颗粒的金属骨架；
装填表面改性的金刚石颗粒：对金刚石颗粒进行表面改性处理，获得表面改性的金刚石颗粒，再将表面改性的金刚石颗粒装填到机加工后的金属骨架内，形成复合坯料；
浸渗铜：将复合坯料与铜置于双室真空气压浸渗炉中，先抽真空并进行加热，使得铜熔化为铜液并浇注到复合坯料上，停止抽真空，再向双室真空气压浸渗炉通入保护气体，增加炉内压力，使得铜液在气体压力作用下浸渗到复合坯料中的金属骨架和表面改性的金刚石颗料孔隙中，冷却，获得表面覆金属层的铜金刚石复合材料。
上述表面覆金属层的铜金刚石复合材料的制备方法，首先制备预成型的多孔金属骨架并加工成可包埋表面改性的金刚石颗粒的构造，其次将表面改性的金刚石颗粒填入金属骨架中，然后采用真空气压浸渗工艺制备表面覆金属层的铜金刚石复合材料，可依据需要采用精密机械加工技术获得所需零部件。上述制备方法简单，高效，成本低廉，制备的表面覆金属层的铜金刚石复合材料的热导率高、热膨胀系数低。其中，在浸渗铜过程中，将复合坯料进行渗铜，铜液通过复合坯料的空隙进入内部，铜液与表面改性的金刚石颗粒充分接触，冷却后形成铜金刚石芯材；铜液与金属骨架充分接触，冷却后形成表面金属层，表面金属层的膨胀系数与铜金刚石芯材的匹配性好，且与铜金刚石层结合强度更高，满足温度循环要求高的航空航天等领域使用。
上述金属骨架机加工：采用数控铣工艺或线切割工艺对金属骨架进行机加工，以形成用于包覆表面改性的金刚石颗粒的金属骨架。在前期进行金属粉末成型处理时，成型处理形成预加工结构，例如矩形体或圆柱体等。再采用数控铣工艺或线切割工艺加工出带有容纳表面改性的金刚石颗粒的空腔的金属骨架盒体和金属骨架盖板。将表面改性的金刚石装填到机加工后的金属骨架内后，盖上金属骨架盖板，形成复合坯料。
本实施例中，浸渗铜的具体步骤包括：将复合坯料置于石墨模具中，将带有复合坯料的石墨模具与铜置于双室真空气压浸渗炉中，先抽真空，对双室进行加热，控制装有石墨模具的处理室的温度为1100℃～1300℃，控制装有铜的处理室的温度为1150℃～1350℃，将铜形成的铜液浇注到石墨模具的复合坯料上，停止抽真空，再向双室真空气压浸渗炉通入保护气体，增加炉内压力达到1MPa～10MPa，恒温恒压保持5min～30min，使得铜液在气体压力作用下浸渗到复合坯料中的金属骨架孔隙和表面改性的金刚石颗粒孔隙中，冷却后取出。上述通过浸渗铜方法，将铜液浸渗复合坯料内部空隙和表面，以形成表面金属层和铜金刚石层，此阶段由于铜液同时对金属骨架和表面改性的金刚石孔隙中进行浸渗，形成了连续的分布相，保证了金属层和铜金刚石芯材界面处具有高气密性和高结合强度。
本实施例中，金属粉末采用钨粉、钼粉和铱粉中的一种。金属粉末的粒度为1μm～15μm。上述金属粉末采用钨粉、钼粉和铱粉中的一种，具有较高的热导率，且形成的表面金属层采用常规的机械方法就可以加工，解决了现有的铜金刚石复合材料难加工的问题。
本实施例中，金属粉末的成型处理采用干法模压法、注射成型法和凝胶注模法中的一种。上述金属粉末通过干法模压法、注射成型法和凝胶注模法成型形成金属骨架坯料；再进行烧结，烧结的温度为1100℃～1400℃，时间为1h～5h，获得孔隙率为15％～45％的金属骨架，以使得在铜浸渗过程中，铜液通过空隙进入到金属骨架的孔隙内部，从而与表面改性的金刚石颗粒充分接触。
本实施例中，表面改性的金刚石颗粒的粒径为80μm～450μm。表面覆金属层的铜金刚石复合材料中，在其它条件相同时，随着金刚石颗粒粒径的增大，铜基体与金刚石颗粒的界面减小，因此铜金刚石的热导率逐渐提高，但铜金刚石的抗弯强度却逐渐降低，综合热导率和抗弯强度两个性能指标，因此表面改性的金刚石颗粒的粒径优选为80μm～450μm。
本实施例中，对金刚石颗粒进行表面改性处理的工艺采用磁控溅射法，采用磁控溅射法时，先在金刚石颗粒表面磁控溅射金属粉末，金属粉末形成的金属层的厚度为100nm～300nm；然后在置于真空度为8Pa～12Pa、温度为1150℃～1350℃、时间为2h～4h的条件下进行反应，获得表面改性的金刚石颗粒。或者，对金刚石颗粒进行表面改性处理的工艺采高温反应法，采用高温反应法时，将金刚石颗粒与金属粉末混合，再置于真空度为0.4Pa～0.6Pa、温度为1000℃～1200℃、时间为1.5h～2.5h的条件下进行反应，获得表面改性的金刚石颗粒。
本实施例中，进一步地，浸渗铜冷却后还包括精密机械加工处理。上述表面覆金属层的铜金刚石复合材料的外层为表面金属层，可实现精密机械加工，从而获得表面覆金属层的铜金刚石零部件。
根据本发明的另一方面，还提供了一种上述制备方法获得的表面覆金属层的铜金刚石复合材料在航空航天零部件中的应用。上述表面覆金属层的铜金刚石复合材料具有热导率高、热膨胀系数低，抗弯强度高，满足温度循环要求高的航空航天等领域使用。
实施例
实施例1
表面覆金属层的铜金刚石复合材料，包括：铜金刚石芯材和包覆在铜金刚石芯材外的表面金属层；铜金刚石芯材包括铜和表面改性的金刚石颗粒；表面金属层为钨铜。
如图1和图2所示，表面覆金属层的铜金刚石复合材料的制备方法，包括以下步骤：
制备钨骨架：将费氏粒径7μm的造粒钨粉在250MPa下模压成型为40mm×40mm×2mm的框架，制备钨骨架坯料，真空条件下于1400℃恒温1h烧结，获得孔隙率15％的钨骨架；
钨骨架机加工：采用数控铣工艺对钨骨架进行加工，加工成内部带有空腔的钨骨架盒体(1)和钨骨架盖板(2)，用于容纳表面改性的金刚石颗料(3)；
装填表面改性的金刚石颗粒：对金刚石颗粒进行表面改性处理，将2000克费氏粒径3μm钨粉和300克80μm的金刚石颗粒混合均匀，然后置于真空度为0.5Pa、温度为1100℃的真空炉中恒温2h，钨粉与金刚石颗粒反应获得表面改性的金刚石颗粒(3)，再将表面改性的金刚石颗粒(3)装填到机加工后的钨骨架盒体(1)内，盖合钨骨架盖板(2)，形成复合坯料；
浸渗铜：将复合坯料置于石墨模具中，将带有复合坯料的石墨模具与铜置于双室真空气压浸渗炉中，先抽真空，并对双室进行加热，控制装有石墨模具的处理室的温度为1100℃，控制装有铜的处理室的温度为1250℃，铜熔化为铜液后浇注到石墨模具的复合坯料上，停止抽真空，再向双室真空气压浸渗炉通入氩气，增加炉内压力达到5MPa，恒温恒压保持5min，使得铜液在气体压力作用下浸渗到复合坯料中的金属骨架和表面改性的金刚石颗料孔隙中，冷却后取出，通过精密机械加工得到0.05mm的表面金属层，获得35mm×35mm×1.0mm的表面覆钨铜层的铜金刚石复合材料。
实施例2
表面覆金属层的铜金刚石零部件，包括：铜金刚石芯材和包覆在铜金刚石芯材外的表面金属层；铜金刚石芯材包括铜和表面改性的金刚石颗粒；表面金属层为钼铜。
如图3和图4所示，表面覆金属层的铜金刚石零部件的制备方法，包括以下步骤：
制备钼骨架：将费氏粒径3μm的钼粉凝胶注模成型为23mm×23mm×6mm的框架，制备钼架坯料，真空条件下于1100℃恒温3h烧结，获得孔隙率45％的钼骨架；
钼骨架机加工：采用数控铣工艺对钼骨架进行加工，加工成内部带有空腔的钨骨架盒体和钨骨架盖板，用于容纳表面改性的金刚石颗料；
装填表面改性的金刚石颗粒：对金刚石颗粒进行表面改性处理，将5000克150μm的金刚石微粉进行磁控溅射获得180nm厚的钼层，然后置于真空度为10Pa、温度为1150℃的真空炉中恒温2h，钼层与金刚石颗粒反应获得表面改性的金刚石颗粒，再将表面改性的金刚石颗粒装填到机加工后的钼骨架盒体内，盖合钼骨架盖板，形成复合坯料；
浸渗铜：将复合坯料置于石墨模具中，将带有复合坯料的石墨模具与铜置于双室真空气压浸渗炉中，先抽真空，并对双室进行加热，控制装有石墨模具的处理室的温度为1100℃，控制装有铜的处理室的温度为1100℃，铜熔化为铜液后浇注到石墨模具的复合坯料上，停止抽真空，再向双室真空气压浸渗炉通入氩气，增加炉内压力达到10MPa，恒温恒压保持15min，使得铜液在气体压力作用下浸渗到复合坯料中的金属骨架和表面改性的金刚石颗粒孔隙中。冷却后取出，通过精密机械加工得到0.2mm的表面金属层，获得20mm×20mm×4.0mm的表面覆钼铜的铜金刚石零部件。
实施例3
表面覆金属层的铜金刚石零部件，包括：铜金刚石芯材和包覆在铜金刚石芯材外的表面金属层；铜金刚石芯材包括铜和表面改性的金刚石；表面金属层为铱铜。
如图5和图6所示，表面覆金属层的铜金刚石零部件的制备方法，包括以下步骤：
制备铱骨架：将费氏粒径5μm的铱粉注射成型为φ12.5mm×45mm的框架，制备铱骨架坯料，真空条件下于1300℃恒温3h烧结，获得孔隙率35％的铱骨架；
铱骨架机加工：采用数控铣工艺对铱骨架进行加工，加工成内部带有空腔的钨骨架盒体和钨骨架盖板，用于容纳表面改性的金刚石颗料；
装填表面改性的金刚石颗粒：对金刚石颗粒进行表面改性处理，将2500克450μm的金刚石微粉进行磁控溅射得到150nm厚的铱层，然后置于真空度为10Pa、温度为1150℃的真空炉中恒温2h，铱层与金刚石颗粒反应获得表面改性的金刚石颗粒，再将表面改性的金刚石颗粒装填到机加工后的圆柱体内，盖合盖板，形成复合坯料；
浸渗铜：将复合坯料置于石墨模具中，将带有复合坯料的石墨模具与铜置于双室真空气压浸渗炉中，先抽真空，并对双室进行加热，控制装有石墨模具的处理室的温度为1200℃，控制装有铜的处理室的温度为1300℃，铜熔化为铜液后浇注到石墨模具的复合坯料上，停止抽真空，再向双室真空气压浸渗炉通入氩气，增加炉内压力达到2MPa，恒温恒压保持10min，使得铜液在气体压力作用下浸渗到复合坯料中的金属骨架和表面改性的金刚石上，冷却后取出。通过精密车削加工得到0.10mm的表面金属层，获得台阶圆柱的表面覆铱铜层的铜金刚石零部件。
实施例4
表面覆金属层的铜金刚石零部件，包括：铜金刚石芯材和包覆在铜金刚石芯材外的表面金属层；铜金刚石芯材包括铜和表面改性的金刚石颗粒；表面金属层为钨铜。
如图7和图8所示，表面覆金属层的铜金刚石零部件的制备方法，包括以下步骤：
制备钨骨架：将费氏粒径3.5μm的造粒钨粉模压成型为11mm×17.8mm×3.0mm的框架，制备钨骨架坯料，真空条件下于1350℃恒温3h烧结，获得孔隙率25％的钨骨架；
钨骨架机加工：采用数控铣工艺对钨骨架进行加工，加工成内部带有空腔的钨骨架盒体和钨骨架盖板，用于容纳表面改性的金刚石颗料；
装填表面改性的金刚石颗粒：对金刚石颗粒进行表面改性处理，将5000克300μm的金刚石微粉进行磁控溅射得到300nm厚的钨层，然后置于真空度为10Pa、温度为1350℃的真空炉中恒温2h，钨层与金刚石颗粒反应获得表面改性的金刚石颗粒，再将200μm的表面改性的金刚石颗粒装填到机加工后的钨骨架内，形成复合坯料；
浸渗铜：将复合坯料置于石墨模具中，将带有复合坯料的石墨模具与铜置于双室真空气压浸渗炉中，先抽真空，并对双室进行加热，控制装有石墨模具的处理室的温度为1100℃，控制装有铜的处理室的温度为1300℃，铜熔化为铜液后浇注到石墨模具的复合坯料上，停止抽真空，再向双室真空气压浸渗炉通入氩气，增加炉内压力达到1MPa，恒温恒压保持10min，使得铜液在气体压力作用下浸渗到复合坯料中的金属骨架和表面改性的金刚石上，冷却后取出。通过精密数控铣加工得到0.15mm的钨铜层，获得10mm×15mm×2.0mm表面覆钨铜层的铜金刚石零部件。
对实施例1制备的表面覆金属层的铜金刚石复合材料和实施例2、3和4制备的表面覆金属层的铜金刚石零部件进行热导率、抗弯强度、膨胀系数检测。
实施例1的铜金刚石复合材料的热导率为515W/(m.K)，25℃～125℃区间的平均线膨胀系数6.75×10-6/℃，抗弯强度为324MPa。
实施例2的铜金刚石零部件的热导率为610W/(m.K)，25℃～125℃区间的平均线膨胀系数7.1×10-6/℃，抗弯强度为308MPa。
实施例3的铜金刚石零部件的热导率为786W/(m.K)，25℃～125℃区间的平均线膨胀系数6.3×10-6/℃，抗弯强度为268MPa。
实施例4的铜金刚石零部件的热导率为715W/(m.K)，25℃～125℃区间的平均线膨胀系数6.5×10-6/℃，抗弯强度为284MPa。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种表面覆金属层的铜金刚石复合材料，其特征在于，包括：
铜金刚石芯材和包覆在所述铜金刚石芯材外的表面金属层；
所述铜金刚石芯材包括铜和表面改性的金刚石颗粒；
所述表面金属层包括钨铜、钼铜和铱铜中的一种。
2.根据权利要求1所述的表面覆金属层的铜金刚石复合材料，其特征在于，
表面金属层中的铜与铜金刚石芯材中的铜为连续分布相。
3.根据权利要求1所述的表面覆金属层的铜金刚石复合材料，其特征在于，
表面金属层的厚度为0.03mm～0.20mm。
4.一种表面覆金属层的铜金刚石复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备金属骨架：对金属粉末进行成型处理，制备金属骨架坯料，将金属骨架坯料在真空或者保护气氛中加热烧结，获得孔隙率为15％～45％的金属骨架；
金属骨架机加工：采用数控铣工艺或线切割工艺对金属骨架进行机加工，以形成用于包覆表面改性的金刚石的金属骨架；
装填表面改性的金刚石颗粒：对金刚石颗粒进行表面改性处理，获得表面改性的金刚石颗粒，再将表面改性的金刚石颗粒装填到机加工后的金属骨架内，形成复合坯料；
浸渗铜：将复合坯料与铜置于双室真空气压浸渗炉中，先抽真空并进行加热，使得铜熔化为铜液并浇注到复合坯料上，停止抽真空，再向双室真空气压浸渗炉通入保护气体，增加炉内压力，使得铜液在气体压力作用下浸渗到复合坯料中的金属骨架和表面改性的金刚石颗料孔隙中，冷却，获得表面覆金属层的铜金刚石复合材料。
5.根据权利要求4所述的表面覆金属层的铜金刚石复合材料的制备方法，其特征在于，
浸渗铜的具体步骤包括：将复合坯料置于石墨模具中，将带有复合坯料的石墨模具与铜置于双室真空气压浸渗炉中，先抽真空，对双室进行加热，控制装有石墨模具的处理室的温度为1100℃～1300℃，控制装有铜的处理室的温度为1150℃～1350℃，将铜形成的铜液浇注到石墨模具的复合坯料上，停止抽真空，再向双室真空气压浸渗炉通入保护气体，增加炉内压力达到1MPa～10MPa，恒温恒压保持5min～30min，使得铜液在气体压力作用下浸渗到复合坯料中的金属骨架和表面改性的金刚石上，冷却后取出。
6.根据权利要求4所述的表面覆金属层的铜金刚石复合材料的制备方法，其特征在于，
所述金属粉末采用钨粉、钼粉和铱粉中的一种；
所述金属粉末的粒度为1μm～15μm。
7.根据权利要求4所述的表面覆金属层的铜金刚石复合材料的制备方法，其特征在于，
所述金属粉末的成型处理采用干法模压法、注射成型法和凝胶注模法中的一种；金属骨架坯料加热烧结的温度为1100℃～1400℃，时间为1h～5h。
8.根据权利要求4所述的表面覆金属层的铜金刚石复合材料的制备方法，其特征在于，
所述表面改性的金刚石颗粒的粒径为80μm～450μm。
9.根据权利要求4所述的表面覆金属层的铜金刚石复合材料的制备方法，其特征在于，
对金刚石颗粒进行表面改性处理的工艺采用磁控溅射法，所述磁控溅射法包括在金刚石颗粒表面磁控溅射金属粉末，金属粉末形成的金属层的厚度为100nm～300nm，然后置于真空度为8Pa～12Pa、温度为1150℃～1350℃、时间为2h～4h的条件下进行反应，获得表面改性的金刚石颗粒；或者，
对金刚石颗粒进行表面改性处理的工艺采用高温反应法，所述高温反应法包括将金刚石颗粒与金属粉末混合，在置于真空度为0.4Pa～0.6Pa、温度为1000℃～1200℃、时间为1.5h～2.5h的条件下进行反应，获得表面改性的金刚石颗粒。
10.根据权利要求4所述的表面覆金属层的铜金刚石复合材料的制备方法，其特征在于，
浸渗铜冷却后还包括精密机械加工处理。
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