[发明专利]一种泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明公开了一种泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料及其制备方法，属于金属复合材料技术领域。

背景技术

随着信息技术的飞速发展，电子及半导体器件的集成度不断增加(如Intel四核处理器i7在270mm2的芯片上集成了约3.71亿个晶体管)，使得器件的功率密度越来越大，发热量迅速攀升，热量不及时散出导致的温升将严重影响器件的工作效率和使用寿命。倘若电子封装材料与半导体芯片之间热膨胀系数不匹配，器件循环工作时产生的热应力易导致器件热疲劳失效。此外，航空航天及交通运输业的快速发展对材料轻量化的要求也日益迫切。因此，高热导率、低热膨胀系数和轻量化是发展现代电子封装材料必须考虑的三大核心要素，在国家“十三五”规划中被列为国家重点支持的新材料。

金刚石是自然界中热导率最高的材料之一(室温可达2200W/mK)，同时其热膨胀系数和密度仅为0.8×10^-6/K和3.52g/cm³，将金刚石作为增强相与高导热金属复合，在保证拥有理想热膨胀系数和低密度的同时，可获得更为优异的导热性能。在常见的高导热金属中，铝具有低密度(2.7g/cm³)、高热导率(237W/mK)、低成本、耐腐蚀和易加工等优点，是电子封装领域广泛使用的一种散热材料。因此，将金刚石与铝复合使其兼具高热导、低热膨胀和低密度等优异的综合性能，现已成为新一代电子封装材料的研究热点。

金刚石/铝基复合材料是新一代电子封装材料的研究热点，核心是如何提高材料的导热性能，目前国内外主要研究思路是增加金刚石颗粒含量和改善金刚石颗粒/铝的复合界面，均取得了较好的效果。然而，此种复合结构中的金刚石颗粒(热导率1800-2200W/mK)犹如一座座由金属铝(Al：237W/mK)连接的导热孤岛，既增加了两相界面数量，又难产生协同作用，使金刚石优异的导热性能难以充分发挥。本发明的创新思路是在复合材料中构建连续的金刚石网络骨架，变高导热孤岛为高导热通道。然而，对于传统的颗粒增强型复合材料，网络互穿结构的制备难度很大，尤其是金刚石网络结构的制备，高的脆性、高的模量和硬度导致其很难加工成型。

中国发明专利CN105112754A提出了一种三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料及制备方法，其中金属三维网络骨架衬底采用机械加工方法制备或采用金属线编织而成。然而，传统的机械加工方法属于多维加工，加工工序多，成本较高。此外，机械加工受制于传统机械加工手段和设备的束缚，对三维多孔骨架内部孔径、联通性的精细控制难度较大。采用金属线编织的方法，存在三维孔隙间含有缝隙，且工艺流程复杂等问题。

本专利选用易于制备且无缝连接的泡沫金属或泡沫陶瓷或泡沫碳骨架作为衬底，利用化学气相沉积技术在其表面制备高导热金刚石膜层，构建出高导热金刚石三维网络骨架，再将其与金属基体复合，使高导热金刚石与金属形成双连通三维网络互穿结构，使增强相与基体相在空间都保持连续分布，构成连续的导热通道，产生并联式导热，从而弱化复合界面对材料热学性能的负面影响，既能使增强相作为一个整体充分发挥导热效率，又不降低金属基体在复合材料中的良好塑韧性。同时还可以添加高导热金刚石粉、石墨烯、碳纳米管或降低热膨胀系数的高导热陶瓷颗粒如SiC、AlN等中的一种或多种，实现热学和力学性能的进一步提升。

通过该方法制得的复合材料可以完整地复制了泡沫金属的结构，高导热材料以无缝连接的方式构成一个全连通的整体，以三维网络的形式均匀低分布于复合材料中，具有优异的连续导热能力、电荷传导能力和极低密度，使得复合材料的热导率、导电率及机械强度相比较传统复合材料有极大提高，将会是一种很有潜力的新型多功能复合材料，可以广泛应用于在热管理、电子、能源、交通等国民经济领域。

发明内容

本发明的目的通过化学气相沉积技术复制泡沫金属的结构，使高导热材料以无缝连接的方式构成一个全连通的整体，与铝基形成网络互穿结构，使复合材料具有优异的连续导热能力、电荷传导能力和极低的密度。

本发明泡沫金刚石骨架增强铝基复合材料，所述复合材料包括增强体、基体材料，所述增强体包括泡沫骨架衬底、金刚石强化层，所述泡沫骨架衬底表面设有金刚石强化层；所述泡沫骨架衬底选自泡沫金属骨架、泡沫陶瓷骨架、泡沫碳骨架中的至少一种，所述基体材料选自铝及其合金。