WO2003039792A1 - Procede de fabrication de plaques en composite metal/ceramique - Google Patents

Procede de fabrication de plaques en composite metal/ceramique Download PDF

Info

Publication number
WO2003039792A1
WO2003039792A1 PCT/FR2002/003736 FR0203736W WO03039792A1 WO 2003039792 A1 WO2003039792 A1 WO 2003039792A1 FR 0203736 W FR0203736 W FR 0203736W WO 03039792 A1 WO03039792 A1 WO 03039792A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
ceramic
metal
powders
plates
dispersant
Prior art date
Application number
PCT/FR2002/003736
Other languages
English (en)
Inventor
Jean-François SILVAIN
Pierre-Marie Geffroy
Original Assignee
Centre National De La Recherche Scientifique
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National De La Recherche Scientifique filed Critical Centre National De La Recherche Scientifique
Publication of WO2003039792A1 publication Critical patent/WO2003039792A1/fr

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/22—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces for producing castings from a slip
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/10—Metallic powder containing lubricating or binding agents; Metallic powder containing organic material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F5/006—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of flat products, e.g. sheets
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/05—Mixtures of metal powder with non-metallic powder
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
    • B22F2998/10—Processes characterised by the sequence of their steps

Definitions

  • the invention relates to a method of manufacturing plates, or soles, of metal / ceramic composite.
  • the invention finds applications in all fields using thermal drains or substrates in metal / ceramic composite and, in particular, in the field of manufacturing electronic components intended, for example, in the field of power electronics, automotive, aerospace, or aeronautics.
  • the object of the invention is to propose a method for manufacturing composite plates metal / ceramic having good thermal conductivity and low thermal expansion, their coefficient of thermal expansion being close to silicon ⁇ 4 x 10 "6 / ° C or of the components to be deposited thereon; while overcoming the disadvantages of known art processes.
  • the subject of the present invention is a method for manufacturing a metal / ceramic composite plate, characterized in that it comprises the following successive stages: a stage of mixing at least one metallic powder, at least one ceramic powder and d 'shaping aids, - a granulation step,
  • a step of densification of the plates obtained which comprises, for example steps of debinding and sintering in an oven,
  • the desired plate thickness which can be between a few tenths of a millimeter and a few centimeters in thickness, and in that the metal matrix represents 10 to 95% by volume of the composite obtained to obtain good thermal conductivity and low thermal expansion, their coefficient of thermal expansion being close to 4 ⁇ 10 -6 " / ° C; the powder particles metallic (s) and ceramic (s) then having a substantially homogeneous distribution in the plates.
  • the rolling or pressing step is carried out before the plate densification step.
  • the dough has a plastic rheological behavior and comprises the following constituents in the following proportions:
  • the metallic and ceramic powders represent from 60% to 95% of the volume of dry matter
  • - binders and plasticizers represent from 1% to 40% of the volume of dry matter
  • a dispersant represents from 0.01% to 2% of the volume of powders
  • a lubricant represents from 0.1% to 10% of the volume of powders.
  • the particle size of the powders is between 0.1 ⁇ m and 200 ⁇ m.
  • the metal powder (s) comprises at least one of the following components: copper, aluminum, silver, gold, nickel, titanium, chromium, zinc or an alloy of these metals.
  • the ceramic powder (s) have good thermal conductivity and low thermal expansion, and comprise at least one of the following components: graphite, cut carbon fiber, carbide, nitride or oxide.
  • the shaping aids can be a dispersant, a lubricant, and / or binders and plasticizers.
  • the dispersant which ensures a homogeneous distribution of the metallic and ceramic particles in the plate, is a surfactant or a macromolecule, such as natural or synthetic oils, phosphoric esters, polyacrylates, sulfonates, perfluorates and carbon chain acids of 2 to 30 carbon atoms, for example stearic acid.
  • the binder and plasticizer which ensure the cohesion of the part after its shaping by extrusion or calendering, are such that the binder is a polymer whose molecular weight is between 200,000 and 5,000 g / mol (gram / mole), and is one of the following materials: cellulosite, polyvinyl, polyethylene glycol, alcohol, butyralvinyl or acrylic binder and the plasticizer is a polymer whose molecular weight is between 600 and 100 g / mol, and is one of the following materials: polyethylene glycol, or dibutyl phthalate.
  • the lubricant which reduces residual stresses, is one of the following materials: stearate, oil, graphite or paraffin.
  • the form auxiliaries can be hot-melt and be melted during mixing with metallic (s) and ceramic (s) powder (s).
  • the process of the invention successively comprises the following stages: a stage of mixing the metallic and ceramic powders, the dispersant, the binder and plasticizer, and / or the lubricant by means of a mixer double screw, a step for deaerating the dough obtained, a step for extruding the latter through a die, - a step for debinding the plates obtained then sintering, in a continuous oven, a step for rolling the sintered plates and then pressing using a rolling mill.
  • the particles of ceramic powder (s) are coated with a metallic material.
  • This metallic material can be one of the following materials: chromium, titanium, nickel, zirconium, copper, silver or gold.
  • the thickness of such a metal coating is at least 10 nanometers.
  • This metallic coating can be carried out by immersion of powder in an electrolytic, chemical bath, or by evaporation of the metal at high temperature.
  • the method of the invention makes it possible to manufacture metal / ceramic composite plates having, compared to the known art methods mentioned above, the following advantages: - good homogeneity of the metal and the ceramic in the plates,
  • the single figure illustrates an example of an industrial installation making it possible to implement the method of the invention.
  • the invention relates to a method for manufacturing metal / ceramic composite plates, comprising the following steps:
  • a step of densification of the plates obtained which comprises, for example, steps of debinding, and of sintering in a continuous or discontinuous oven,
  • a step of rolling or pressing to the desired thickness of plates which can be between a few tenths of a millimeter and a few centimeters in thickness.
  • the rolling or pressing stage after the debinding and sintering stage makes it possible to reduce the mechanical fatigue of the composite during the thermal cycle, and to improve the mechanical and thermal properties of the latter by work hardening of the metal matrix, this being particularly marked when the metal is very ductile like copper, aluminum or gold.
  • a variant of the process of the invention consists in laminating or pressing the plates before the debinding and sintering step, so as to improve the densification of the material.
  • the metallic and ceramic powders are mixed with such a dispersant, such a lubricant, such or such binder (s) and plasticizer (s) in the following proportions:
  • the metallic and ceramic powders constitute from 60% to 95% of the volume of dry matter, that is to say of the entire volume occupied by the metallic and ceramic powders ), and by the binder, the plasticizer, the lubricant and / or the dispersant.
  • the dispersant constitutes from 0.01% to 2% of the volume of powders
  • the binder and plasticizer constitute
  • the lubricant constitutes from 0.1% to 10% of the volume of dry matter.
  • the granulometry of the powders is between 0.1 ⁇ m and 200 ⁇ m.
  • the metal powder (s) can be made of at least one of the following materials: copper, aluminum, silver, gold, tungsten, nickel, titanium or an alloy of these metals.
  • the ceramic powder (s) may consist of at least one of the following materials: graphite, cut carbon fiber, carbides such as silicon carbide (SiC), nitrides such as aluminum nitride (AIN ), or oxides such as magnesia (MgO) or alumina (A1 2 0 3 ).
  • the shaping aids can be: a dispersant, which ensures good disagglomeration of the particles between them.
  • This dispersant is a surfactant or a macromolecule, such as natural or synthetic oils, phosphoric esters, polyacrylates, sulfonates, perfluorates and carbon chain acid of 2 to 20 atoms, oxalic acid and stearic acid ,
  • the binder is a polymer whose molecular weight is between 200,000 and 5,000 g / mol, and is for example a cellulosite binder, a polyvinyl alcohol, a polyethylene glycol, a butyralvinyl or an acrylic.
  • the plasticizer is a polymer whose molecular weight is between 600 and 100 g / mol, for example a polyethylene glycol, or dibutyl phthalate,
  • a lubricant which reduces residual stresses.
  • This is for example, a stearate, an oil, graphite or a paraffin.
  • shaping auxiliaries can be hot-melt, and be melted during kneading with metallic and ceramic powders in order to improve the homogeneity of the mixture and to reduce the mixing time.
  • a variant of the process of the invention consists in coating the ceramic particles with a metallic material which can be chromium, titanium, nickel, zirconium, copper, silver or gold.
  • the thickness of the metal coating is at least 10 nanometers, and can be produced by immersion of powder in an electrolytic, chemical bath or by evaporation of the metal at high temperature. This coating makes it possible to improve on the one hand the thermal or mechanical properties and, on the other hand, the densification of the material after sintering, by developing a metal / ceramic interface.
  • This installation includes:
  • An extruder 16 which comprises several endless screws, making it possible to carry out the extrusion of the dough through a die 17 or the calendering, which delivers raw pieces 20
  • a rolling mill 22 or a unidirectional press for rolling or pressing sintered plates is provided.
  • the paste is prepared by mixing the metallic (s) and ceramic (s) powders, with the dispersant, the lubricant, the binder (s) and plasticizer (s) with the using the twin screw mixer 12.
  • the kneaded dough is put in the form of granules or noodles 14.
  • the process of the invention then consists in deaerating and extruding the dough through the die 17.
  • the binder and the plasticizer ensure the mechanical cohesion of the raw plates 20 which can be stored, cut or transported easily.
  • the organic compounds mainly the binder and plasticizer, are removed by a thermal debinding (23) under very slow heating in air or in a controlled atmosphere (under argon, or under nitrogen).
  • the heating rate can be, for example from 0.2 ° C to 5 ° C / min between 100 ° C and 500 ° C.
  • the densification of the plates can be carried out by sintering (24) under a controlled atmosphere to avoid oxidation of the powders.
  • the sintering temperature depends on the particle size and the nature of the metallic and ceramic powder: for copper this temperature is from 700 ° C to 1050 ° C and for aluminum, this temperature is from 450 ° C to 650 ° C .
  • the plates are then laminated or pressed to the fixed thickness (22). This step makes it possible to straighten the plates after sintering, but also to reduce the mechanical fatigue of the composite during the thermal cycle by work hardening of the metal. This is particularly important when the metal is very ductile like copper, aluminum or gold.
  • the invention is not limited to the sole embodiment of this installation for the manufacture of a metal / ceramic composite plate which has been described above by way of example. It covers, in fact, all the variant embodiments whatever the nature of the shaping aids which enter into the formulation of the dough. Example of implementation of the process of the invention.
  • the method of the invention is implemented in an installation such as that illustrated in the figure, for manufacturing a composite copper / carbon fiber heat sink by extrusion.
  • the paste is prepared by mixing the copper and carbon fiber powders, with a dispersant, a lubricant, binders and plasticizers using a twin screw mixer at a temperature of 90 ° C as illustrated in the figure.
  • the copper powder has a particle size between 1 and 50 micrometers and the carbon fiber has a diameter between 5 and 20 micrometers, and a length between 50 and 500 micrometers.
  • the carbon fiber is covered with a layer of chromium carbide. This deposit is obtained by soaking the carbon fiber in an electrolytic chromium bath. The fiber is then cut and placed in an oven under an argon atmosphere with 5% hydrogen at 1200 ° C for 1 hour. This heat treatment makes it possible to react the chromium with the carbon fiber and to form a homogeneous layer of chromium carbide on the surface of the fiber.
  • the formulation of the extrusion paste is defined below:
  • the kneaded dough is put in the form of granules or noodles 14.
  • the process then consists in deaerating and extruding the dough through a die 17 at the temperature of 70 ° C.
  • the binder and the plasticizer ensure the mechanical cohesion of the raw plates 20, which can be stored, cut or transported easily.
  • the organic compounds, mainly the binder and plasticizer, are removed by thermal debinding under very slow heating in air or in a controlled atmosphere.
  • the heating rate is 0.2 ° C / min between 100 ° C and 400 ° C.
  • the densification of the plate is carried out by sintering under an argon atmosphere with 5% hydrogen to avoid oxidation of the powders. Sintering is carried out with a temperature rise rate of 5 ° C / min up to the level of 1000 ° C for one hour.
  • the plates can then be ground or machined.
  • the properties of the copper / carbon fiber composite thus obtained are: - a volume fraction of carbide fiber of 30%

Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication de plaque de composite métal/céramique qui comprend les étapes suivantes: une étape de mélange d'au moins une poudre métallique, d'au moins une poudre céramique et d'auxiliaires de mise en forme; une étape de granulation, une étape d'extrusion ou de calandrage de la pâte obtenue; une étape de densification des plaques; une étape de laminage ou de pressage à l'épaisseur de plaque désirée qui peut être comprise entre quelques dixièmes de millimètres et quelques centimètres d'épaisseur, et dans lequel la matrice métallique représente 10 à 95% en volume du composite.

Description

PROCEDE DE FABRICATION DE PLAQUES EN COMPOSITE
METAL/CERAMIQUE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention concerne un procédé de fabrication de plaques, ou semelles, en composite métal/céramique .
L'invention trouve des applications dans tous les domaines utilisant des drains thermiques ou substrats en composite métal/céramique et, en particulier, dans le domaine de la fabrication de composants électroniques destinés, par exemple, au domaine de l'électronique de puissance, de l'automobile, de l'aérospatiale, ou de l'aéronautique.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Il existe de premiers procédés de la fabrication de plaques en composite métal/céramique de l'art connu, qui partent de procédés métallurgiques connus tels que le coulage et le laminage. Mais ces procédés de fabrication imposent d'atteindre la fusion du métal avant d'incorporer les particules céramiques. Il est rare alors que le métal en fusion mouille bien les particules céramiques qui ont une densité beaucoup plus faible que celle du métal. De tels procédés de fabrication ne permettent donc pas d'obtenir une répartition parfaitement homogène des particules céramiques dans la matrice métallique. Il existe d'autres procédés de fabrication de plaques en composite métal/céramique de l'art connu, tels que :
- le pressage d'un mélange de poudres, tel que décrit dans le document référencé [1] en fin de description; mais un tel pressage d'un mélange de poudres conduit souvent à une densification médiocre du composite qui entraîne des problèmes d'interface métal/céramique, - le forgeage à chaud, ou
- l'infiltration d'un métal en fusion dans un squelette ou préforme céramique, tel que décrit dans le document référencé [2]. Le procédé décrit dans ce document a l'inconvénient d'être coûteux et difficile à maîtriser pour de grands volumes. De plus, ce procédé ne permet pas d'obtenir une orientation des particules céramiques suffisante à de bonnes propriétés thermiques et mécaniques. Ceci est particulièrement important dans le cas d'un composite cuivre/fibre de carbone coupée, où celle-ci doit être orientée dans le plan de la plaque .
Un autre procédé de fabrication est 1' extrusion à chaud, qui est décrit dans les documents référencés [3] et [4]. Un tel procédé permet d'obtenir des composites denses. Mais ce procédé est coûteux et est utilisé pour des composites comprenant une matrice métallique très ductile avec un bas point de fusion (Tf<900°C), tel que l'aluminium et ses alliages.
L'invention a pour objectif de proposer un procédé de fabrication de plaques en composite métal/céramique présentant, une bonne conductivité thermique et une faible dilatation thermique, leur coefficient de dilatation thermique étant proche du silicium ≡ 4 x 10"6/°C ou des composants devant être déposés sur celles-ci ; tout en palliant les inconvénients des procédés de l'art connu.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
La présente invention a pour objet un procédé de fabrication de plaque de composite métal/céramique caractérisé en ce qu'il comprend les étape successives suivantes : une étape de mélange d'au moins une poudre métallique, d'au moins une poudre céramique et d'auxiliaires de mise en forme, - une étape de granulation,
- une étape d' extrusion ou de calandrage de la pâte obtenue,
- une étape de densification des plaques obtenues qui comprend, par exemple des étapes de déliantage et de frittage dans un four,
- une étape de laminage ou de pressage à l'épaisseur de plaque désirée qui peut être comprise entre quelques dixièmes de millimètres et quelques centimètres d'épaisseur, et en ce que la matrice métallique représente 10 à 95% en volume du composite obtenu de manière à obtenir une bonne conductivité thermique et une faible dilatation thermique, leur coefficient de dilatation thermique étant proche de 4xlO"6/°C ; les particules de poudres métallique (s) et céramique (s) ayant alors une répartition sensiblement homogène dans les plaques.
Dans une variante de réalisation l'étape de laminage on de pressage est réalisée avant l'étape de densification des plaques.
Avantageusement la pâte a un comportement rheologique plastique et comprend les constituants suivants selon les proportions suivantes :
- les poudres métallique (s) et céramique (s) représentent de 60% à 95% du volume de matière sèche, et
- des liant et plastifiant représentent de 1% à 40% du volume de matière sèche,
- un dispersant représente de 0,01% à 2% du volume de poudres,
- un lubrifiant représente de 0,1% à 10% du volume de poudres.
Avantageusement la granulométrie des poudres est comprise entre 0,lμm et 200μm. La (ou les) poudre (s) métallique (s) comprend au moins l'un des composants suivants : cuivre, aluminium, argent, or, nickel, titane, chrome, zinc ou un alliage de ces métaux. La (ou les) poudres céramique (s) ont une bonne conductivité thermique et une faible dilatation thermique, et comprennent au moins l'un des composants suivants : graphite, fibre de carbone coupée, carbure, nitrure ou oxyde.
Avantageusement les auxiliaires de mise en forme peuvent être un dispersant, un lubrifiant, et/ou des liant et plastifiant. Le dispersant, qui assure une répartition homogène des particules métallique (s) et céramique (s) dans la plaque, est un tensio-actif ou une macromolécule, comme les huiles naturelles ou synthétiques, les esters phosphoriques, les polyacrylates, les sulfonates, les perfluorates et acides à chaîne carboné de 2 à 30 atomes de carbone, par exemple l'acide stéarique.
Les liant et plastifiant, qui assurent la cohésion de la pièce après sa mise en forme par extrusion ou calandrage sont tels que le liant est un polymère dont le poids moléculaire est compris entre 200000 et 5000 g/mol (gramme/mole), et est l'un des matériaux suivants : liant cellulosite, polyvinyle, polyéthylène glycol, alcool, butyralvinylique ou acrylique et le plastifiant est un polymère dont le poids moléculaire est compris entre 600 et 100 g/mol, et est l'un des matériaux suivants : polyéthylène glycol, ou dibutyle phtalate. Le lubrifiant, qui permet de diminuer les contraintes résiduelles, est l'un des matériaux suivants : stéarate, huile, graphite ou paraffine.
Les auxiliaires de formes peuvent être thermofusibles et être fondus au cours du malaxage avec les poudre (s) métallique (s) et céramique (s) .
Avantageusement le procédé de l'invention comprend successivement les étapes suivantes : une étape de mélange des poudres métallique (s) et céramique (s) , du dispersant, des liant et plastifiant, et/ou du lubrifiant par l'intermédiaire d'un malaxeur à double vis, une étape de désaération de la pâte obtenue, une étape d' extrusion de celle-ci à travers une filière, - une étape de déliantage des plaques obtenues puis de frittage, dans un four continu, une étape de laminage des plaques frittées puis de pressage à l'aide d'un laminoir.
Dans une variante de réalisation les particules de poudre (s) céramique (s) sont enrobées avec un matériau métallique. Ce matériau métallique peut être l'un des matériaux suivants : chrome, titane, nickel, zirconium, cuivre, argent ou or. L'épaisseur d'un tel enrobage métallique est d'au moins 10 nanometres. Cet enrobage métallique peut être réalisé par immersion de poudre dans un bain d ' électrolytique, chimique, ou par évaporation du métal à haute température.
Le procédé de l'invention permet de fabriquer des plaques en composite métal/céramique présentant, par rapport aux procédés de l'art connu cités précédemment, les avantages suivants : - une bonne homogénéité du métal et de la céramique dans les plaques,
- une adaptation à la fabrication de plaques de quelques dixièmes de millimètre à quelques centimètres d'épaisseur avec une bonne tolérance dimensionnelle sans retouche ou usinage des plaques, - de faibles pertes de matière au cours du procédé,
- un excellent état de surface des plaques,
- une composition de métal pouvant varier de 10% à 95% en volume,
- un procédé très économique et pouvant fonctionner en continu,
- une texture du composite, une orientation des particules ou grains dans la plaque, favorables à d'excellentes propriétés mécaniques et thermiques,
- une diminution de la fatigue mécanique du composite au cycle thermique.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La figure unique illustre un exemple d'installation industrielle permettant de mettre en œuvre le procédé de l'invention.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES DE RÉALISATION
L'invention concerne un procédé de fabrication de plaques en composite métal/céramique comprenant les étapes suivantes :
- une étape de mélange d'au moins une poudre métallique, d'au moins une poudre céramique et d'auxiliaires de mise en forme tels que dispersant, lubrifiant, et/ou liant (s) et plastifiant (s) ,
- une étape de granulation,
- une étape d' extrusion ou de calandrage de la pâte obtenue, - une étape de densification des plaques obtenues qui comprend, par exemple, des étapes de déliantage, et de frittage dans un four continu ou discontinu,
- une étape de laminage ou de pressage à l'épaisseur de plaques désirée, qui peut être comprise entre quelques dixièmes de millimètres et quelques centimètres d'épaisseur.
L'étape de laminage ou de pressage après l'étage de déliantage et de frittage permet de diminuer la fatigue mécanique du composite au cycle thermique, et d'améliorer les propriétés mécaniques et thermiques de celui-ci par écrouissage de la matrice métallique, ceci étant particulièrement marqué quand le métal est très ductile comme le cuivre, l'aluminium ou l'or. Une variante du procédé de l'invention consiste à laminer ou à presser les plaques avant l'étape de déliantage et de frittage, de façon à améliorer la densification du matériau.
Selon l'invention les poudres métallique (s) et céramique (s) sont mélangées avec un tel dispersant, un tel lubrifiant, un tel ou de tels liant (s) et plastifiant (s) selon les proportions suivantes :
- les poudres métallique (s) et céramique (s) constituent de 60% à 95% du volume de matière sèche, c'est-à-dire de l'ensemble du volume occupé par les poudres métallique (s) et céramique (s) , et par le liant, le plastifiant, le lubrifiant et/ou le dispersant.
- le dispersant constitue de 0,01% à 2% du volume de poudres, - les liant et plastifiant constituent de
1% à 40% du volume de matière sèche, - le lubrifiant constitue de 0,1% à 10% du volume de matière sèche.
La granulométrie des poudres est comprise entre 0,1 μm et 200 μm. La (ou les) poudre (s) métallique (s) peuvent être constituées en au moins un des matériaux suivants : cuivre, aluminium, argent, or, tungstène, nickel, titane ou un alliage de ces métaux. la (ou les) poudre (s) céramique (s) peuvent être constituées en au moins un des matériaux suivants : graphite, fibre de carbone coupée, carbures comme le carbure de silicium (SiC), nitrures comme le nitrure d'aluminium (AIN), ou oxydes comme la magnésie (MgO) ou alumine (A1203) . Les auxiliaires de mise en forme peuvent être : un dispersant, qui assure une bonne désagglomération des particules entre elles. Ce dispersant est un tensio-actif ou une macromolécule, comme les huiles naturelles ou synthétiques, les esters phosphoriques, les polyacrylates, les sulfonates, les perfluorates et acide à chaîne carbonée de 2 à 20 atomes, l'acide oxalique et l'acide stéarique,
- des liant et plastifiant, qui assurent la cohésion de la pièce après sa mise en forme par extrusion ou calandrage. Le liant est un polymère dont le poids moléculaire est compris entre 200000 et 5000 g/mol, et est par exemple un liant cellulosite, un polyvinyle alcool, un polyéthylène glycol un butyralvinylique ou un acrylique. Le plastifiant est un polymère dont le poids moléculaire est compris entre 600 et 100 g/mol par exemple un polyéthylène glycol, ou du dibutyle phtalate,
- un lubrifiant, qui permet de diminuer les contraintes résiduelles. Celui-ci est par exemple, une stéarate, une huile, du graphite ou une paraffine.
Ces auxiliaires de mise en forme, peuvent être thermofusibles, et être fondus au cours du malaxage avec les poudres métallique et céramique afin d'améliorer l'homogénéité du mélange et de diminuer le , temps du mélange.
Une variante du procédé de l'invention, consiste à enrober les particules céramiques avec un matériau métallique qui peut être du chrome, du titane, du nickel, du zirconium, du cuivre, de l'argent ou de l'or. L'épaisseur de l'enrobage métallique est d'au moins 10 nanometres, et peut être réalisé par immersion de poudre dans un bain d' électrolytique, chimique ou par évaporation du métal à haute température. Cet enrobage permet d'améliorer d'une part les propriétés thermiques ou mécaniques et, d'autre part, la densification du matériau après frittage, en développant une interface métal/céramique.
Un exemple d'installation permettant la mise en œuvre du procédé de l'invention est illustrée sur la figure. Cette installation comprend :
- un mélangeur 10 des différents constituants utilisés 11, qui permet le malaxage des poudres métallique (s) , et céramique (s) , du dispersant, des liant et plastifiant, et du lubrifiant, qui peut être un broyeur à balles, un malaxeur à bras en Z, ou à double vis (vis de malaxage 12) comme illustré sur la figure,
- un couteau ou une grille 13 pour réaliser une granulation (granules 14),
- une chambre 15 de désaération de la pâte constituée par ces granules 14,
- une extrudeuse 16, qui comporte plusieurs vis sans fin, permettant de réaliser l' extrusion de la pâte à travers une filière 17 ou le calandrage, qui délivre des pièce en cru 20
- un four à atmosphère contrôlée (AT) et évaporation des liants (EL) , qui peut être continu comme sur la figure ou discontinu, permettant de réaliser successivement le déliantage 23 (à basse température) des plaques 20 ainsi obtenues et le frittage 24 (à haute température, en dessous du point de fusion du métal utilisé) ,
- un laminoir 22 ou une presse unidirectionnelle permettant de réaliser le laminage ou le pressage de plaques frittées.
Selon cette forme d'exécution de l'invention, la pâte est préparée en mélangeant les poudres métallique (s) et céramique (s) , avec le dispersant, le lubrifiant, le ou les liant (s) et plastifiant (s) à l'aide du malaxeur à double vis 12. La pâte malaxée est mise sous la forme de granules ou nouilles 14. Le procédé de l'invention consiste ensuite à désaérer et à extruder la pâte à travers la filière 17. Le liant et le plastifiant assurent la cohésion mécanique des plaques en cru 20 qui peuvent être stockées, découpées ou transportées facilement.
Les composés organiques, principalement le liant et plastifiant, sont éliminés par un déliantage thermique (23) sous une chauffe très lente sous air ou sous atmosphère contrôlée (sous argon, ou sous azote) . La vitesse de chauffe peut être, par exemple de 0,2°C à 5°C/mn entre 100°C et 500°C. La densification des plaques peut être réalisée par un frittage (24) sous atmosphère contrôlée pour éviter l'oxydation des poudres. La température de frittage dépend de la granulométrie et de la nature de la poudre métallique et céramique : pour le cuivre cette température est de 700°C à 1050°C et pour l'aluminium, cette température est de 450°C à 650°C.
Les plaques sont ensuite laminées ou pressées à l'épaisseur fixée (22). Cette étape permet de redresser les plaques après frittage, mais également de diminuer la fatigue mécanique du composite au cycle thermique par écrouissage du métal. Ceci est particulièrement important quand le métal est très ductile comme le cuivre, l'aluminium ou l'or.
L'invention ne se limite pas à la seule forme d'exécution de cette installation pour la fabrication de plaque en composite métal/céramique qui a été décrite ci-dessus à titre d'exemple. Elle couvre, en effet, toutes les variantes de réalisation quelle que soit la nature des auxiliaires de mises en forme qui entrent dans la formulation de la pâte. Exemple de mise en oeuyre du procédé de l'invention.
Dans cet exemple le procédé de l'invention est mis en œuvre dans une installation telle que celle illustrée sur la figure, pour fabriquer un drain thermique composite cuivre/fibre de carbone par extrusion.
Selon cette forme d'exécution du procédé de l'invention, la pâte est préparée en mélangeant les poudres de cuivre et de fibre de carbone, avec un dispersant, un lubrifiant, des liant (s) et plastifiant (s) à l'aide d'un malaxeur à double vis à la température de 90 °C comme illustré sur la figure. La poudre de cuivre a une granulométrie comprise entre 1 et 50 micromètres et la fibre de carbone a un diamètre compris entre 5 et 20 micromètres, et une longueur comprise entre 50 et 500 micromètres. La fibre de carbone est recouvert d'une couche de carbure de chrome. Ce dépôt est obtenu en trempant la fibre de carbone dans un bain électrolytique de chrome. La fibre est ensuite coupée et placée dans un four sous atmosphère d'argon avec 5% d'hydrogène à 1200°C pendant 1 heure. Ce traitement thermique permet de faire réagir le chrome avec la fibre de carbone et de former une couche homogène de carbure de chrome à la surface de la fibre.
La formulation de la pâte d' extrusion est définie ci-dessous :
Figure imgf000016_0001
La pâte malaxée est mise sous la forme de granules ou nouilles 14. Le procédé consiste ensuite à désaérer et à extruder la pâte à travers une filière 17 à la température de 70°C. Le liant et le plastifiant assurent la cohésion mécanique des plaques en cru 20, qui peuvent être stockées, découpées ou transportées facilement. Les composés organiques, principalement le liant et plastifiant, sont éliminés par un déliantage thermique sous une chauffe très lente sous air ou sous atmosphère contrôlée. La vitesse de chauffe est de 0,2°C/mn entre 100°C et 400°C. La densification de la plaque est réalisée par un frittage sous atmosphère d'argon avec 5% d'hydrogène pour éviter l'oxydation des poudres. Le frittage est réalisé avec une vitesse de montée en température de 5°C/mn jusqu'au palier de 1000°C pendant une heure. Les plaques peuvent être ensuite rectifiées ou usinées.
Les propriétés du composite cuivre/fibre de carbone ainsi obtenu sont : - une fraction volumique de fibre de carbure de 30%
- un coefficient thermique d'expansion dans le sens longitudinal de la plaque : 10 à 12.10"6/°C
- une conductivité thermique • dans le sens transversal à la plaque :
150 à 250W/m.K
• dans le sens longitudinal à la plaque : 200 à 350 W/m.K
- une conductivité électrique : • dans le sens longitudinal à la plaque :
2,1 à 3,5 μΩ. cm-1.
REFERENCES
[1] EP 0 898 310
[2] WO 97 19774
[3] US 5 722 033
[4] US 5 669 059

Claims

REVENDICATIONS
1 Procédé de fabrication de plaques en composites métal/céramique caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes : une étape de mélange d'au moins une poudre métallique, d'au moins une poudre céramique et d'auxiliaires de mise en forme, - une étape de granulation,
- une étape d' extrusion ou de calandrage de la pâte obtenue,
- une étape de densification des plaques obtenues, - une étape de laminage ou de pressage à l'épaisseur de plaque désirée qui peut être comprise entre quelques dixièmes de millimètres et quelques centimètres d'épaisseur, et en ce que la matrice métallique représente 10 à 95% en volume du composite, de manière à obtenir une bonne conductivité thermique et une faible dilatation thermique, leur coefficient de dilatation thermique étant proche de 4xlO"6/°C.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel l'étape de densification comprend des étapes de déliantage et de frittage dans un four.
3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape de laminage on de pressage est réalisée avant l'étape de densification des plaques.
4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la pâte a un comportement rheologique plastique et comprend les constituants suivants selon les proportions suivantes :
- la ou les poudres métallique et céramique représentent de 60% à 95% du volume de matière sèche,
- des liant et plastifiant représentent de 1% à 40% du volume de matière sèche, - un dispersant représente de 0,01% à 2% du volume de poudres,
- un lubrifiant représente de 0,1% à 10% du volume de poudres.
5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la granulométrie des poudres est comprise entre 0, lμm et 200μm.
6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la (ou les) poudre (s) métallique (s) comprend au moins l'un des composants suivants : cuivre, aluminium, argent, or, nickel, titane, chrome, zinc ou un alliage de ces métaux.
7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la (ou les) poudres céramique (s) comprend au moins l'un des composants suivants : graphite, fibre de carbone coupée, carbures nitrures ou oxydes.
8. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les auxiliaires de mise en forme sont un dispersant, un lubrifiant, et/ou des liant et plastifiant .
9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le dispersant, qui assure une répartition homogène des particules de métal de céramique dans la plaque, est un tensio-actif ou une macro-molécule
10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel le dispersant est l'un des matériaux suivants : huile naturelle ou synthétique, esters phosphoriques, polyacrylates, sulfonates, perfluorates ou acides à chaîne carbonée de 2 à 30 atomes de carbone.
11. Procédé selon la revendication 8, dans lequel les liant et plastifiant, qui assurent la cohésion de la pièce après sa mise en forme par extrusion ou calandrage, sont tels que le liant, de poids moléculaire compris entre 200000 et 5000 g/mol, est l'un des matériaux suivants : liant cellulosite, polyéthylène glycol, polyvinyle alcool, butyralvinylique ou acrylique, et le plastifiant, de poids moléculaire compris entre 600 et 100 g/mol, est l'un des matériaux suivants : polyéthylène glycol, ou dibutyle phtalate.
12. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le lubrifiant, qui permet de diminuer les contraintes résiduelles, est l'un des matériaux suivants : stéarate, huile, graphite ou paraffine.
13. Procédé selon la revendication 8, dans lequel les auxiliaires de forme, qui sont thermofusibles, sont fondus au cours du malaxage avec les poudres métalliques (s) et céramique (s) .
14. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les particules de poudre céramique sont enrobées un matériau métallique.
15. Procédé selon la revendication 14, dans lequel ce matériau métallique est l'un des matériaux suivants : chrome, titane, nickel, zirconium, cuivre, argent ou or.
16. Procédé selon la revendication 14, dans lequel l'épaisseur de l'enrobage métallique est d'au moins 10 nanometres.
17. Procédé selon la revendication 14, dans l'enrobage métallique est réalisé par l'immersion de poudre dans un bain d ' électrolytique, chimique, ou par évaporation du métal à haute température.
18. Procédé selon la revendication 1, comprenant successivement les étapes suivantes : - une étape de mélange des poudres métalliques, céramiques, du dispersant, des liant et plastifiant, et/ou du lubrifiant par l'intermédiaire d'un broyeur à, malaxeur ou à double vis,
- une étape de désaération de la pâte obtenue, - une étape d' extrusion de celle-ci à travers une filière,
- une étape de déliantage des plaques obtenues puis de frittage dans un four continu, - une étape de laminage des plaques frittees puis de pressage à l'aide d'un laminoir.
PCT/FR2002/003736 2001-11-05 2002-10-30 Procede de fabrication de plaques en composite metal/ceramique WO2003039792A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR01/14265 2001-11-05
FR0114265A FR2831891A1 (fr) 2001-11-05 2001-11-05 Procede de fabrication de plaques en composite metal/ceramique

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2003039792A1 true WO2003039792A1 (fr) 2003-05-15

Family

ID=8869059

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/FR2002/003736 WO2003039792A1 (fr) 2001-11-05 2002-10-30 Procede de fabrication de plaques en composite metal/ceramique

Country Status (2)

Country Link
FR (1) FR2831891A1 (fr)
WO (1) WO2003039792A1 (fr)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1754559A1 (fr) * 2005-08-19 2007-02-21 General Electric Company Procédé pour la production de tôle par extrusion, frittage, pressage isostatique à chaud et traitement thermique
WO2010135859A1 (fr) * 2009-05-25 2010-12-02 Li Bei Procédé de façonnage précis pour un matériau céramique métallique
WO2013169120A1 (fr) * 2012-05-11 2013-11-14 Keranor As Composants céramiques dissipateurs thermiques et leur procédé de fabrication
CN114571579A (zh) * 2021-09-27 2022-06-03 肇庆学院 一种用于片式电子陶瓷材料元器件流延装置

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT9339U1 (de) * 2006-07-06 2007-08-15 Plansee Se Verfahren zur herstellung eines extrudierten formkörpers

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2400942A1 (de) * 1973-01-09 1974-07-11 Ngk Spark Plug Co Verfahren zur erzeugung von duennemetallschichten aus einem metall oder seinem oxidpulver
US3839026A (en) * 1966-11-18 1974-10-01 British Steel Corp PROCESS FOR THE PRODUCTION OF METAL STRIP FROM Fe POWDER
US4003716A (en) * 1974-07-15 1977-01-18 Gte Sylvania Incorporated Cast cemented refractory metal carbides having improved sintered density
US4083719A (en) * 1975-10-29 1978-04-11 Hitachi, Ltd. Copper-carbon fiber composites and process for preparation thereof
US5002710A (en) * 1989-01-12 1991-03-26 Rutgers University A Not For Profit Corporation Of The State Of New Jersey Composition useful for producing thin ceramic sheets

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3839026A (en) * 1966-11-18 1974-10-01 British Steel Corp PROCESS FOR THE PRODUCTION OF METAL STRIP FROM Fe POWDER
DE2400942A1 (de) * 1973-01-09 1974-07-11 Ngk Spark Plug Co Verfahren zur erzeugung von duennemetallschichten aus einem metall oder seinem oxidpulver
US4003716A (en) * 1974-07-15 1977-01-18 Gte Sylvania Incorporated Cast cemented refractory metal carbides having improved sintered density
US4083719A (en) * 1975-10-29 1978-04-11 Hitachi, Ltd. Copper-carbon fiber composites and process for preparation thereof
US5002710A (en) * 1989-01-12 1991-03-26 Rutgers University A Not For Profit Corporation Of The State Of New Jersey Composition useful for producing thin ceramic sheets

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7387763B2 (en) 2004-07-27 2008-06-17 General Electric Company Preparation of sheet by injection molding of powder, consolidation, and heat treating
EP1754559A1 (fr) * 2005-08-19 2007-02-21 General Electric Company Procédé pour la production de tôle par extrusion, frittage, pressage isostatique à chaud et traitement thermique
WO2010135859A1 (fr) * 2009-05-25 2010-12-02 Li Bei Procédé de façonnage précis pour un matériau céramique métallique
WO2013169120A1 (fr) * 2012-05-11 2013-11-14 Keranor As Composants céramiques dissipateurs thermiques et leur procédé de fabrication
CN114571579A (zh) * 2021-09-27 2022-06-03 肇庆学院 一种用于片式电子陶瓷材料元器件流延装置
CN114571579B (zh) * 2021-09-27 2022-10-28 肇庆学院 一种用于片式电子陶瓷材料元器件流延装置

Also Published As

Publication number Publication date
FR2831891A1 (fr) 2003-05-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI649294B (zh) 形成具有功能梯度材料之新穎組合物的金屬或陶瓷物件的方法及含該組合物的物件
Raza et al. Optimization of sintering parameters for diamond–copper composites in conventional sintering and their thermal conductivity
EP1343600B1 (fr) Procede de fabrication de films minces en composite metal/ceramique
FR2500439A1 (fr) Carbure de bore fritte a haute densite
JP2014047127A (ja) 金属−炭素複合材、金属−炭素複合材の製造方法及び摺動部材
EP0651067B1 (fr) Matériau composite céramo-métallique à haute ténacité et procédé pour sa fabrication
EP0382975B1 (fr) Matériau composite en alliage d&#39;aluminium renforcé par du carbure de silicium
EP3563950B1 (fr) Liant pour composition de moulage par injection
WO2003039792A1 (fr) Procede de fabrication de plaques en composite metal/ceramique
EP1520057B1 (fr) Procede de fabrication d&#39;un produit composite et en particulier d&#39;un drain thermique
EP0073743B1 (fr) Composition de frittage à base de borure de titane et application de celle-ci à la fabrication d&#39;articles frittés
Klein et al. Wettability of silicon nitride ceramic composites by silver, copper and silver copper titanium alloys
EP0950037B1 (fr) Procede de fabrication d&#39;une piece ceramique structurale frittee en nitrure d&#39;aluminium
EP0749791A1 (fr) Procédé de mise en forme par frittage réactif de matériaux intermetalliques
EP2327808A1 (fr) Materiau composite a base de magnesium dans lequel sont dispersees des particules de ti et procede de production associe
EP0429345A1 (fr) Procédé pour la préparation d&#39;articles composites refractaires
JPH1068004A (ja) チタン合金の粉末成形法
US7364692B1 (en) Metal matrix composite material with high thermal conductivity and low coefficient of thermal expansion
JP4206476B2 (ja) アルミニウム焼結材の製造方法
EP2708522A1 (fr) Matériau composite métal-carbone et son procédé de production
JP2004169064A (ja) 銅−タングステン合金およびその製造方法
CH714966A2 (fr) Liant pour composition de moulage par injection.
RU2534324C1 (ru) Способ изготовления композиционного катода для нанесения многокомпонентных ионно-плазменных покрытий
Pooja et al. Role of SiC on mechanical and tribological behavior of Mg metal matrix composites prepared by powder metallurgy route
WO2001095393A1 (fr) Drain thermique pour circuit imprime et procedes de realisation de ce drain

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DK DM DZ EC EE ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NO NZ OM PH PL PT RO RU SD SE SG SI SK SL TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN YU ZA ZM ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): GH GM KE LS MW MZ SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE SK TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: CONSTATATION DE LA PERTE D UN DROIT CONFORMEMENTAE LA REGLE 69(1) CBE

122 Ep: pct application non-entry in european phase
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Country of ref document: JP