[发明专利]一种制备高性能金刚石/铜复合材料的方法

说明书

本发明公开一种制备高性能金刚石/铜基复合材料的方法，针对铜与金刚石润湿性差、界面结合弱，以及金刚石高温下易发生石墨化等问题，本发明采用磁控溅射技术在金刚石表面均匀镀覆一层B或强碳化物元素Ti、Zr、Nb、Cr来改善其界面结合强度，再溅射一层金属铜，厚度为1‑3μm；然后将表面改性后的金刚石颗粒在500‑700℃热处理5‑30min，使镀层之间互相扩散、反应，实现冶金结合；利用选区激光熔融(SLM))技术对铜合金粉末及表面改性后的金刚石颗粒进行烧结成形，极快的冷却速度显著细化基体合金组织，提高了复合材料的强度，双镀层表面改性有效的避免了金刚石在高能量激光束下石墨化；采用放电等离子烧结处理(SPS)，进一步提高制件致密度；结合时效热处理，使固溶原子在铜基体中均匀析出，实现复合材料的热导性能和力学性能的综合提升。

技术领域

本发明提供一种制备高性能金刚石/铜复合材料的方法，属于增材制造及金属基复合材料领域。

背景技术

电子信息技术的快速发展，使传统的电子封装散热材料很难保证大规模集成电路、半导体激光器等高功率器件运行的安全性和可靠性。金刚石颗粒增强铜基复合材料具有高热导率和匹配电子元器件热膨胀系数的特点，近年来受到广泛关注。由于铜与金刚石不润湿，直接复合会存在很大的界面热阻，降低了复合材料的热物理性能和力学性能。为了降低这种惰性界面带来的不利影响，目前采取的方法为基体合金化法和表面改性法。

车飞妮等(车飞妮等.微量钛调控金刚石/铜复合材料界面及热性能[J].材料科学,2018,8(12):1135-1145.)通过在铜基体中加入微量Ti来调控金刚石/铜复合材料界面及热性能，在金刚石(45vol.％)/铜混合粉末中加入3vol.％-Ti，利用放电等离子烧结技术制备的复合材料热导率达到670W/(m·K)，加入的钛元素通过扩散聚集至金刚石表面，在金刚石与铜界面处生成TiC和Cu₃Ti₂，明显改善了其界面粘结，从而实现了高的热导率。Kang等(Kang Q P,et al.Preparation of copper-diamond composites with chromiumcarbide coatings on diamond particles for heat sink applications[J].AppliedThermal Engineering,2013,60(1-2):423-429.)利用混合熔盐法在金刚石颗粒表面镀覆Cr₇C₃层改善铜基体和金刚石颗粒的润湿性，随后采用真空压力浸渗法制备了Cu/金刚石-Cr₇C₃复合材料，金刚石体积分数为65％时复合材料具有最高热导率562W/(m·K)，热膨胀系数为7.8×10-6/K。Zhang等(Zhang C.Wang R C.Cai Z Y,et al.Effects of dual-layercoatings on microstructure and thermal conductivity of diamond/Cu compositeprepared by vacuum hot pressing[J].SurfaceCoatings Technology,2015,277:299-307)设计了内部为W层和外部为Cu层的双镀层金刚石颗粒，通过真空热压制备Cu/金刚石复合材料。内部的W涂层改善了界面结合，减小了铜基体和金刚石颗粒的界面热阻，而外部Cu镀层则促进了烧结过程，有利于Cu/金刚石复合材料的低温致密化，所制备Cu/金刚石复合材料的热导率达到721W/(m·K)，接近理论预测值。