[发明专利]一种多相界面高导热金刚石/铝复合材料的制备方法

说明书

一种多相界面高导热金刚石/铝复合材料的制备方法，涉及一种金刚石/铝复合材料的制备方法。为了解决金刚石/铝复合材料中金刚石与铝基体润湿性差，热导率低的问题。方法：称取金刚石颗粒及铝块；将硝酸盐和金刚石颗粒混合，利用熔融硝酸盐对金刚石颗粒表面进行刻蚀处理；在金刚石表面镀覆金属镀层，采用放电等离子烧结法进行高温短时烧结，利用气压浸渗法制备的金刚石/铝复合材料具有多相界面的特点，表现出优异的导热性能；本发明利用熔融的硝酸盐对金刚石进行表面刻蚀处理，可以消除或钝化金刚石表面微裂纹，释放金刚石中杂质及包裹体所产生的内应力；增大金刚石表面粗糙程度，金刚石表面更容易与镀层发生反应形成碳化物进而提高界面结合。

技术领域

本发明涉及一种金刚石/铝复合材料的制备方法。

背景技术

随着5G时代的来临，电子信息技术飞速发展。5G通信具有高速率传播、大容量及超低时延的特点，电子芯片的热流密度大幅增加使其产生的热量逐渐攀升，如果热量不能及时散出，大量的热累积将导致芯片损坏。因此，高导热电子封装材料对于保证电子元器件的可靠性和寿命十分重要。其中，金刚石/铝复合材料作为新一代热管理材料具有十分广阔的发展前景。

由于金刚石化学惰性强、表面能大，其与铝的润湿角即使在高温下仍大于90°，金刚石与铝具有界面不相容性。此外，制备过程中金刚石极易与铝反应形成Al₄C₃，该界面产物与水蒸气、酸、碱均能够反应，造成材料性能大幅下降。因此，从界面着手，改善金刚石与铝的界面不相容性及抑制Al₄C₃的形成对于提高复合材料综合性能至关重要。金刚石表面处理是一种有效的界面改性手段，在金刚石表面镀覆一定厚度碳化物形成元素如Ti、Cr、Mo、W等，通过在金刚石与铝之间形成碳化物改善金刚石与铝的界面结合。然而，镀层引入带来了额外的界面热阻，且随着界面层厚度的增加显著增大，镀层厚度的控制十分关键。同时，镀层元素可能同时与金刚石和铝发生反应，界面相的组成及比例也将影响复合材料的热性能。

现有的改性研究中主要研究了镀层种类及厚度对于金刚石/铝复合材料热导率的影响，但由于镀覆方式及制备工艺不同，最终金刚石/铝复合材料中微纳尺度的界面相对于材料热导率也具有十分重要的影响。因此，需要一种调控复合材料界面相组成制备高导热金刚石/铝复合材料的方法。

发明内容

本发明为了解决金刚石/铝复合材料中金刚石与铝基体润湿性差，界面结合不良导致热导率低的问题，提供一种多相界面高导热金刚石/铝复合材料的制备方法。

本发明多相界面高导热金刚石/铝复合材料的制备方法按照以下步骤进行：

一、称料：按体积分数称取50～75％的金刚石颗粒及25～50％的铝块；

所述金刚石为人造单晶金刚石，金刚石颗粒的粒径平均为50～500μm；

二、金刚石颗粒表面刻蚀处理：将硝酸盐和金刚石颗粒混合，利用熔融硝酸盐对金刚石颗粒表面进行刻蚀处理；

所述硝酸盐为硝酸钾或硝酸钠；

所述刻蚀处理的温度为550～750℃；

三、多物相镀层金刚石颗粒制备：

在步骤二所得金刚石表面镀覆金属镀层，然后置于石墨模具中并振实，利用放电等离子烧结法进行高温短时烧结，得到金属/碳化物的多物相镀层金刚石颗粒；

金刚石表面金属镀层的镀覆采用磁控溅射法，镀层金属为Ti、W、Zr中的一种，镀层厚度为50～200nm；

四、利用气压浸渗法制备多相界面高导热金刚石/铝复合材料；

所述气压浸渗的工艺为：在保护气氛下，将炉体升温至预热温度并保温0.5～2h，随后升温至浸渗温度并保温0.5～1h；炉体内保护气体压力为5～10bar，使铝块熔融并充分浸渗到金刚石颗粒间，浸渗结束后，冷却脱模。