CN114457292A - 一种导热可控的非晶合金基金刚石复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明及非晶合金基复合材料制备技术领域，公开了一种导热可控的非晶合金基金刚石复合材料，包括非晶合金基体和金刚石增强相，所述金刚石增强相的形态呈颗粒状，所述金刚石增强相以分散式、层状结构或条带状结构分布于非晶合金基体的表层和/或内部。本发明还公开了一种导热可控的非晶合金基金刚石复合材料的制备方法。其有益效果在于：增强金刚石和非晶合金的结合强度，大大提升了非晶合金材料的热导率以及导热可控性。

Description

一种导热可控的非晶合金基金刚石复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及非晶合金基复合材料制备技术领域，具体涉及一种导热可控的非晶合金基金刚石复合材料及其制备方法。

背景技术

非晶合金是目前材料科学中广泛研究的一个新领域，也是发展迅速的新型材料。所谓的“非晶态”是相对晶态而言的，是物质的一种结构状态，非晶不像是晶态材料具有原子的有序结构，而是长程无序，短程有序的结构，因此非晶态赋予了非晶合金很多优异的性能，比如具有高强度、高硬度、大弹性变形量等力学性能，还具有优异的耐蚀性能、高活性、优异的软磁性能等物理化学性能。

然而也正是由于非晶合金特殊的结构，与晶体材料相比，非晶材料通常表现出超低的热导率。而金刚石作为自然界中热导率最高的材料，常温下热导率可以达到2000W/(m·K)，且室温下绝缘，具有优异的力学、声学、光学、电学和化学性质，在解决高功率电子器件散热问题上具有明显的优势。目前金刚石作为增强相加入到铜、铝等金属材料中，已经较大程度提升了金属的热导率，金刚石作为增强相对于提升低导热材料的散热性具有重大意义。

因此，为提高非晶合金的热导率，快速获得具有优异散热性能且导热方向可控的非晶合金基复合材料，设计一种导热可控的非晶合金基金刚石复合材料十分有必要。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种导热可控的非晶合金基金刚石复合材料。本发明的另一目的在于一种导热可控的非晶合金基金刚石复合材料的制备方法，该方法可获得具有较好散热性能以及导热方向可控的非晶合金基金刚石复合材料，且该制造方法具有容易操作的优点。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种导热可控的非晶合金基金刚石复合材料，包括非晶合金基体和金刚石增强相，所述金刚石增强相的形态呈颗粒状，所述金刚石增强相以分散式、层状结构或条带状结构分布于非晶合金基体的表层和/或内部。

进一步地，所述金刚石增强相的粉末颗粒度为5～200μm。

进一步地，所述金刚石增强相以层状结构排布于基体中，其排布方式为等距排布或梯度排布。

进一步地，所述金刚石增强相以条带状结构排布于基体中，其排布方式为环形排布或阵列式排布。

一种上述的导热可控的非晶合金基金刚石复合材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、将金刚石颗粒加入无水乙醇中进行超声分散；

S2、取两块或多块非晶合金材料进行表面处理；

S3、将分散后的金刚石颗粒置于非晶合金的表面，或者先采用超快激光加工在非晶合金上加工微槽结构，将金刚石分散在微槽中，再盖上另一块非晶合金；

S4.在气氛环境下，对非晶合金连接界面进行温控，将温度升至非晶合金的过冷液相区，使非晶合金进行两两压合，得到具有金刚石增强相的非晶合金基复合材料。

进一步地，S2中，所制备的非晶合金厚度范围是500～2000μm。层状结构的金刚石增强相在非晶合金基体中分布的层间距可由非晶合金厚度调控。

进一步地，S3中，所述金刚石颗粒为无镀层或镀层材料，镀层材料为Ni、Ti、Cu、TiC、TiN、SiC中的任一种，镀覆的厚度为100nm～1μm。

进一步地，S3中，所述非晶合金表面微槽结构高度范围是100nm～500μm，顶部槽口宽度是100nm～500μm，微槽的中心距范围是100nm～500μm。条带状结构的金刚石增强相在非晶合金基体中的分布间距可由所述微槽中心距调控。

进一步地，S4中，所述非晶合金块的连接是在工作腔内成型连接，所述工作腔提供所述气氛，此气氛包括真空、惰性气氛、空气气氛或纯氧气氛。

进一步地，S4中，非晶合金的连接界面控温方式是采用电磁加热、放电等离子体加热或气氛加热中的一种。

本发明相对于现有技术具有如下优点：

1、本发明利用非晶合金自身特点：当温度升至非晶合金的过冷液相区时，非晶合金会发生塑性流动并在压力下相互挤压而连接成型，避免了非晶合金的晶化，可实现金刚石在非晶合金基体中多种形式的排布，增强金刚石和非晶合金的结合强度，大大提升了非晶合金材料的热导率以及导热可控性，获得具有较好散热性能以及导热方向可控的非晶合金基金刚石复合材料。

2、本发明中采用了超快激光加工非晶合金微结构，在微结构中填充分散金刚石，再通过压力进行非晶合金的压合，该制备方法操作快速简单，成本低；且由于超快激光加工微结构的位置和尺寸可控，可快速实现金刚石在基体中多种结构形式的排布，结构及尺寸均可控可调，实现散热方向可控。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书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示出了根据本发明实施例1中的金刚石增强相以颗粒状分散于非晶合金基体的结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例2中金刚石增强相分散于非晶合金基体表面的结构示意图

图3示出了根据本发明实施例2中金刚石增强相以层状形式排布于非晶合金基体内的结构示意图；

图4示出了根据本发明实施例3中采用超快激光加工非晶合金表面微结构示意图；

图5示出了根据本发明实施例3中金刚石增强相分散于非晶合金基体微结构中的结构示意图；

图6示出了根据本发明实施例3中金刚石增强相以条状形式排布于非晶合金基体结构示意图。

图中，1、非晶合金基体；10、微槽结构；2、金刚石颗粒；3、工作腔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1所示，一种导热可控的非晶合金基金刚石复合材料，包括非晶合金基体1和金刚石增强相，所述金刚石增强相的形态呈颗粒状，所述金刚石增强相在非晶合金基体内的分布方式可以是分散于基体、层状结构排布以及条带状分布；所述金刚石增强相在非晶合金基体中的分布位置可以是在基体表层或者中间区域。

其中，金刚石增强相的粉末颗粒度为5～200μm。金刚石增强相以层状结构排布于基体中时，其排布方式为等距排布或梯度排布。金刚石增强相以条带状结构排布于基体中时，其排布方式为环形排布或阵列式排布。

一种上述的导热可控的非晶合金基金刚石复合材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、将金刚石颗粒加入无水乙醇中进行超声分散；

S2、取两块或多块非晶合金材料进行表面处理；

S3、将分散后的金刚石颗粒置于非晶合金的表面，或者先采用超快激光加工在非晶合金上加工微槽结构，将金刚石分散在微槽中，再盖上另一块非晶合金；

S4.在气氛环境下，对非晶合金连接界面进行温控，将温度升至非晶合金的过冷液相区，使非晶合金进行两两压合，得到具有金刚石增强相的非晶合金基复合材料。

S2中，所制备的非晶合金厚度范围是500～2000μm。层状结构的金刚石增强相在非晶合金基体中分布的层间距可由非晶合金厚度调控。S3中，所述金刚石颗粒为无镀层或镀层材料，镀层材料为Ni、Ti、Cu、TiC、TiN、SiC中的任一种，镀覆的厚度为100nm～1μm。S3中，所述非晶合金表面微槽结构高度范围是100nm～500μm，顶部槽口宽度是100nm～500μm，微槽的中心距范围是100nm～500μm。条带状结构的金刚石增强相在非晶合金基体中的分布间距可由所述微槽中心距调控。S4中，所述非晶合金块的连接是在工作腔内成型连接，所述工作腔提供所述气氛，此气氛包括真空、惰性气氛、空气气氛或纯氧气氛。S4中，非晶合金的连接界面控温方式是采用电磁加热、放电等离子体加热或气氛加热中的一种。

具体实施时：

非晶合金基体1为Zr44Ti11Cu10Ni10Be25，Tg为624K，Tx为745K，以无镀层金刚石颗粒2为增强相，体积分数为30vol％，再加入无水乙醇进行分散，接着采用行星式球磨机进行球磨，速度为300r/min，球磨10h，得到混合浆料，采用旋转式蒸发仪干燥后得到混合粉末，将混合粉末置于石墨模具中，采用放电等离子烧结技术进行烧结，以氮气为保护气体，烧结温度为400℃，升温速率为100℃/min，压力为30MPa，烧结成型后得到非晶合金基金刚石复合材料，此时金刚石颗粒2分散于基体1中，复合材料结构如图1所示

实施例2：

本实施例除以下技术特征外同实施例1：

具体实施时：

非晶合金基体1的组分为Zr58.5Nb2.8Cu15.6Ni12.8Al10.3，Tg为674K，Tx为754K。对非晶合金基体1表面进行抛光处理后进行超声清洗，将金刚石颗粒2分散于清洗后的非晶合金连接界面，金刚石增强相含量为20vol％，再将其放置在工作腔3内，如图2所示。接着将另一块非晶合金基体置于连接界面上，调整好相对位置后，如图3所示，对非晶合金上下两面施加压力，压力为85MPa，并对连接界面进行加热至700K，升温速率为10K/s，保温5min后自然冷却得到具有层状金刚石增强的复合材料。

实施例3：

本实施例除以下技术特征外同实施例1：

具体实施时：

非晶合金基体1组分为Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5，Tg为639K，Tx为693K，对非晶合金基体1表面进行抛光处理后，采用飞秒激光加工非晶合金连接界面的微槽结构10，微槽宽度为150μm，高度为100μm，中心距为300μm，如图4所示。接着将金刚石颗粒2分散于每个微槽，如图5所示，将另一块非晶合金10置于连接界面上，调整好相对位置后，对非晶合金上下两面施加压力4，压力为100MPa，并对连接界面进行加热至600K，升温速率为10K/s，保温5min后自然冷却得到复合材料，此时金刚石以条状形式排布于基体中，如图6所示

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种导热可控的非晶合金基金刚石复合材料，其特征在于：包括非晶合金基体和金刚石增强相，所述金刚石增强相的形态呈颗粒状，所述金刚石增强相以分散式、层状结构或条带状结构分布于非晶合金基体的表层和/或内部。

2.根据权利要求1所述的导热可控的非晶合金基金刚石复合材料，其特征在于：所述金刚石增强相的粉末颗粒度为5～200μm。

3.根据权利要求1所述的导热可控的非晶合金基金刚石复合材料，其特征在于：所述金刚石增强相以层状结构排布于基体中，其排布方式为等距排布或梯度排布。

4.根据权利要求1所述的导热可控的非晶合金基金刚石复合材料，其特征在于：所述金刚石增强相以条带状结构排布于基体中，其排布方式为环形排布或阵列式排布。

5.一种基于权利要求1～4中任一项所述的导热可控的非晶合金基金刚石复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将金刚石颗粒加入无水乙醇中进行超声分散；

S2、取两块或多块非晶合金材料进行表面处理；

S3、将分散后的金刚石颗粒置于非晶合金的表面，或者先采用超快激光加工在非晶合金上加工微槽结构，将金刚石分散在微槽中，再盖上另一块非晶合金；

S4.在气氛环境下，对非晶合金连接界面进行温控，将温度升至非晶合金的过冷液相区，使非晶合金进行两两压合，得到具有金刚石增强相的非晶合金基复合材料。

6.根据权利要求5所述的导热可控的非晶合金基金刚石复合材料的制备方法，其特征在于：S2中，所制备的非晶合金厚度范围是500～2000μm。

7.根据权利要求5所述的导热可控的非晶合金基金刚石复合材料的制备方法，其特征在于：S3中，所述金刚石颗粒为无镀层或镀层材料，镀层材料为Ni、Ti、Cu、TiC、TiN、SiC中的任一种，镀覆的厚度为100nm～1μm。

8.根据权利要求5所述的导热可控的非晶合金基金刚石复合材料的制备方法，其特征在于：S3中，所述非晶合金表面微槽结构高度范围是100nm～500μm，顶部槽口宽度是100nm～500μm，微槽的中心距范围是100nm～500μm。

9.根据权利要求5所述的导热可控的非晶合金基金刚石复合材料的制备方法，其特征在于：S4中，所述非晶合金块的连接是在工作腔内成型连接，所述工作腔提供所述气氛，此气氛包括真空、惰性气氛、空气气氛或纯氧气氛。

10.根据权利要求5所述的导热可控的非晶合金基金刚石复合材料的制备方法，其特征在于：S4中，非晶合金的连接界面控温方式是采用电磁加热、放电等离子体加热或气氛加热中的一种。

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