[发明专利]一种用于制备铝或铜基复合材料的金刚石预制体制备方法

说明书

一种用于制备铝(铜)基复合材料的金刚石预制体的制备方法，其特征在于：将金刚石表面涂层与预制体制备步骤合二为一，采用溶胶‑凝胶法与熔盐法对金刚石颗粒进行表面碳化物涂覆处理并制备成一定孔隙率的预制体坯料。对预制体坯料进行真空焙烧，在金刚石颗粒表面获得一层纳米级涂层以改善与基体浸润性的同时，在颗粒搭接点处形成碳化物烧结点，实现焊接强化，提高预制体强度，并实现预制体的网络连通，有利于提高其热传导效率。

技术领域：

本发明涉及金属基复合材料，特别提供一种用于制备铝(铜)基复合材料的金刚石预制体的制备方法，适用于制备高性能金刚石预制体，以提高预制体的强度与增强效果，为铝、铜基热管理复合材料的制备解决关键问题。

背景技术：

现代光电元器件高密度集成化和大功率化对高导热、耐热冲击、低热膨胀材料的需求日益紧迫。航空航天部门根据目前的光电部件的功率密度(如北斗系列导航卫星、机载有源相控阵雷达等)，明确提出了对高导热材料的迫切需求。然而，传统金属材料无法满足现代光电元器件高密度集成化和大功率化对散热的要求的(纯银～412W/m·K；退火铜～390W/m·K)。尤为重要的是，金属材料的热膨胀系数较高，在宽温域服役工况下与光电和精密器件等(如高分辨空间相机)的不匹配问题越来越突出。这对材料的热膨胀和导热等综合性能提出了更高的要求，亟需开发具有低热膨胀、高导热等优异综合性能的新型材料。

金刚石因具有优异的热物理性能而引起了广泛关注，其热导率高达～2000W/m·K，并具有低的密度(3.5g/cm³)与热膨胀系数(2.0×10^-6/K)。将一定量的金刚石颗粒添加到具有高热导的铝、铜类金属基体中制成复合材料，即可利用金属易于成形、抗热冲击性好的特点，又可兼顾金刚石优异的热物理性能。因此，金刚石增强金属基复合材料已经成为国内外高导热材料的研究热点之一。

然而，需要指出的是，作为碳材料，金刚石与金属基体之间的物理、冶金性能差异巨大，无论在晶体结构、成键方式等本征属性还是在弹性模量、热膨胀系数等性能上都存在显著差异，而且易与金属发生化学反应，二者间存在诸多明显的不相容性。因此，要想制备出性能良好的金刚石/金属复合材料需要攻克一系列的相关难题：

(1)润湿性差，使材料制备时难以致密，分散度差，界面结合力弱。

(2)化学相容性差，易生成有害界面反应物，如高温下碳与Al容易发生界面反应生成针状的脆性Al₄C₃相，不利于复合材料的导热性能。

(3)物理相容性差，导热时碳材料和金属中起主导作用的分别是声子和电子。导热机制不同使传热方式不协调，在界面处产生很高的热阻，使强化作用难以发挥。

(4)力学相容性差，主要表现为弹性模量和弹塑性变形特性方面的巨大差异，在界面处产生的微观应力集中或形成缺陷，甚至导致界面脱粘或孔洞裂纹萌生。还会影响内应力场分布，产生弹性错配和塑性错配残余应力，与热错配残余应力叠加产生界面错配应力。

以带有涂层的金刚石颗粒制备铝(铜)基复合材料的研究工作目前在国际上尚处于起步阶段，相关的报道有限。

粉末冶金法工艺相对简单，温度较低，界面反应易于控制。对于SPS法制备的45～60vol.％TiC@金刚石/Cu复合材料，当金刚石颗粒直径为～75μm时，体积分数为50％的导热性能最好，热导率达473W/m·K(Y.Zhang,H.L.Zhang,J.H.Wu,X.T.Wang,ScriptaMater.2011,65:1097)；当金刚石粒径为～180μm时，热导率达630W/m·K(Q.L.Che,J.J.Zhang,X.K.Chen,Y.Q.Ji,Y.W.Li,Mater.Sci.in Semiconductor Process.2015,33:67)。这应归因于较大的颗粒尺寸降低了界面面积，减小了界面热阻的影响。但该方法会引入氧元素及其它杂质，材料致密化程度也很难控制。另外，该方法制备的多是块状坯料，对后续的机加工切割造成极大困难。