[发明专利]一种高导热金刚石/铝复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高导热金属基复合材料，具体地说，涉及的是一种高导热金刚石/铝复合材料的粉末冶金制备方法。

背景技术

随着电子技术的不断发展，电子元器件的功率密度不断增大，产生的热量越来越多，同时其对于材料轻量化的要求也日益迫切，常用的导热材料已经不能满足当前电子技术快速发展的需要。开发具有更高热导率的新型高导热材料，将半导体产生的热量及时散掉，保证功率元件的正常工作温度，已经成为电子产业发展的关键。金刚石/铝复合材料不但具有高热导、低膨胀的特点，而且其密度(2.9-3.2g/cm³)也远低于其他常用的高导热材料。因此，金刚石/铝复合材料是未来最具潜力的新型热管理材料。

然而，在高温下金刚石与铝，尤其是液相铝，易于发生化学反应生成Al₄C₃界面相。一方面，微量Al₄C₃界面相生成时所形成的界面扩散层能有效提高金刚石与铝的界面结合，提高复合材料的热导率；另一方面，由于Al₄C₃呈脆性、与基体结合差、热导率低、易潮解，过量Al₄C₃界面相的生成会恶化界面结合、降低复合材料的导热性能。因此如何控制Al₄C₃界面相的生成，是制备高热导金刚石/铝复合材料的关键。相比于压力浸渗、挤压铸造等液态成型方法，粉末冶金制备过程所需的温度比较低，可避免有害的界面反应，且工艺灵活，可根据应用需求对增强体的含量进行调整，因此在高导热金刚石/铝复合材料的生产和科研中得到了广泛应用。但是，在现有的粉末冶金技术中，人们出于对高制备效率的追求，常采用放电等离子体烧结(Spark Plasma Sintering，SPS)等快速烧结技术对金刚石/铝复合粉末进行致密化，由于烧结时间太短、真空度较低(4-10Pa)，无法形成有效的界面结合，导致界面热阻很高，因而不利于获得具有较高热导率的复合材料。此外，SPS等快速烧结专用设备价格昂贵，不但增加了制备成本，而且由于该设备工作区域较小，严重制约了所能制备的产品尺寸。

对现有技术的文献检索发现，文献“Effect of particle size on the microstructure and thermal conductivity of Al/diamond composites prepared by spark plasma sintering”(颗粒尺寸对放电等离子体烧结制备金刚石/铝复合材料显微结构和热导率的影响)(Rare Metals.28(2009)646-650)采用放电等离子体制备了体积分数为50％的金刚石/铝复合材料，烧结温度为550℃，升温与降温速率分别为100℃/分钟和70℃/分钟，外加压力30MPa，保压时间5分钟，所用真空压力低于4Pa，制备的材料热导率仅有325W/mK，远远低于预期的理论值。文献“Thermal conductivity and microstructure of Al/diamond composites with Ti-coated diamond particles consolidated by spark plasma sintering”(Journal of Composite Materials，2011，DOI：10.1177/0021998311413689)(放电等离子体烧结镀钛金刚石/铝复合材料的显微结构和热导率)采用放电等离子体烧结制备了体积分数为40-60％金刚石/铝复合材料，烧结温度为550-620℃，升温速率为100℃/分钟，外加压力50MPa，保压时间5分钟，所用真空压力低于10Pa，制备材料的热导率也仅有124-325W/mK，虽然对金刚石进行表面镀钛处理可使热导率提高到433-491W/mK，仍然与预期值相差较大。因此，SPS等快速烧结技术的主要问题在于：(1)升温速度快，烧结时间短，真空度低，金刚石与铝之间的互扩散与界面反应不充分，导致界面结合差，材料的热导率低；(2)快速烧结设备昂贵，材料制备成本较高；(3)快速烧结设备的工作区尺寸较小，所制备材料的尺寸受限。

发明内容