CN105239026B - 一维金刚石增强铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一维金刚石线增强铝基复合材料及制备方法，所述复合材料，是在铝基体中分布由若干一维金刚石线组成的金刚石阵列，一维金刚石线为表面改性金刚石线并与铝基体冶金结合；其制备方法是按阵列排布表面改性金刚石线后，采用熔铸、熔渗、冷压烧结、热压烧结、等离子烧结中的一种工艺，将铝基体或含有表面改性金刚石颗粒的铝基体与金刚石线阵列复合，得到一维金刚石线与铝基体冶金结合的一维金刚石增强铝基复合材料；本发明通过一维金刚石线在铝基体中阵列排布，并通过添加金刚石颗粒形成串并联复合导热结构进一步提升导热效率，该复合材料可用作电子封装和热沉材料等，解决了高温、高频、大功率电子器件的封装问题。

Description

一维金刚石增强铝基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种金刚石复合材料，特别是涉及一种一维金刚石增强铝基复合材料，本发明还涉及该一维金刚石增强铝基复合材料的制备方法。

背景技术

电子封装是把构成电子器件或集成电路的各个部件按规定的要求实现合理布置、组装、键合、连接、与环境隔离的操作工艺，要求封装材料有高的热导率，低的热膨胀系数，良好的机械支撑、物理保护、电气连接、散热防潮、外场屏蔽、尺寸过渡以及稳定元件参数等作用。随着电子信息技术的迅猛发展，电子仪器正向高性能、低成本、小型化、便捷化、多功能集成化方向快速发展，电子元器件集成度和运行速度不断升高，导致集成电路产品发出的热量大幅增加，从而影响电子器件的稳定性。尽管目前电子封装材料已经经历了第1代铜合金，第2代钨铜和钼铜合金，到第3代Al/SiC、Al/Si等合金，这些材料在密度上有了很大的进步，但在导热性能上还难以满足集成电路和芯片技术高速发展的需求。

金刚石是自然界中导热性能最好的材料，常温下的热导率能达到2200W/(m·K)，是铝的10倍，而且其热膨胀系数(CTE)只有0.8×10^-6/K，不到铝的1/20。金属铝的热导率高、价格低、易加工，是传统的电子封装材料。通过对铝和金刚石进行特殊处理后制成复合材料，使其兼具铝和金刚石的特性，如高导电、高导热、高强度、可控的热膨胀系数、较低的密度等综合性能，克服铝本身固有的强度低、耐磨差等缺点，取代目前广泛应用的Cu、W-Cu、Al/SiC、AlN等电子封装材料，是当前解决现代电子器件散热问题的研究热点。

对于金刚石/金属(Cu、Al及各类合金)复合材料的研究国外起步较早，主要集中在美国、日本和欧洲等发达国家，研究成果也较多，且几乎绝大多数都集中在金刚石颗粒增强金属基复合材料。就金刚石/铝复合材料而言，美国的Johnson等利用无压熔渗金刚石颗粒骨架成功获得金刚石/铝复合材料，制备的复合材料热导率为259W/(m·K)；Natishan等将传统粉末冶金法应用于金刚石/铝复合材料制备，希望可以实现对复合材料的优化，但效果并不明显。2004年，O.Beffort等采用传统压力熔渗法制备金刚石颗粒增强铝基复合材料，但复合材料热导率只有130W/(m·K)。而对于金刚石/铜复合材料而言，1995年，美国SunMicrosystems公司与Lawrence Livermore国家实验室联合开发了金刚石颗粒/铜复合材料，作为多芯片模块的基板使用，热导率为420W/(m·K)，25～200℃时的CTE为(5.48～6.5)×10^-6K^-1，与GaAs的CTE相匹配，但制备工艺比较复杂、成本也很高。

理论上，金刚石/金属基复合材料的热导率应在金刚石与金属基体之间，这样将大大提高复合材料的导热性；但实际上，金刚石/铝的热导率往往不足300W/(m·K)，而金刚石/铜复合材料的热导率往往不足400W/(m·K)。这是因为金刚石和铝、铜的润湿性极差，两相结合不紧密会造成很多结构缺陷和空隙，致使复合材料界面处形成了很大的热阻。

根据导热理论，复合材料中基体与增强体之间存在串联和并联两种分布状态，金刚石颗粒增强铜基复合材料属于串联模式，金刚石粉在复合材料中的含量需要很高(通常在70％以上)才能获得较好的导热性能。例如：2008年，俄罗斯Ekimov等人在金刚石颗粒质量分数达90～95％的极限条件下，高温高压烧结制备了一种新型的金刚石粉/铜复合材料，该复合型材料的基体为金刚石粉(粒径范围为0～500μm)，铜作为粘结剂使金刚石在高温高压下形成的连续骨架结构，该复合材料的热导率最高可达920W/(m·K)。说明这种串联模式，即使金刚石含量高达90％以上，由于晶粒间存在铜粘结相，金刚石之间无法形成连续导热通道，使其热导率远低于金刚石。换言之，减少金刚石间界面数量，形成连续的金刚石导热通道，是提高金刚石/铜复合材料导热性能的最有效途径之一。

金刚石在电子封装领域的应用最早是通过CVD金刚石自支撑厚膜来实现的，由于要求较大的厚度，大大提升了使用成本。化学气相沉积技术可在复杂形状的衬底表面制备连续致密的高质量金刚石膜，可使金刚石晶粒间形成连续的导热通道，因此有部分学者一直在探索利用CVD法来制备金刚石膜/铜复合材料。

本发明人课题组前期的发明专利CN102244051A公开了一种高性能定向导热铜基金刚石复合材料及其制备方法：1)将金刚石棒***铜基体的柱状通孔中，并通过挤压使铜基体发生塑性变形，从而使铜与金刚石棒完全接触耦合；2)将金刚石棒***铜基体的柱状通孔中，再通过电沉积技术在铜片沿金刚石棒方向沉积铜，使铜完全包覆金刚石棒，与金刚石完全接触耦合。该法制备的铜基金刚石复合材料具有较好的定向导热性能，但由于其金刚石棒与基体金属之间润湿性极差，两相界面结合不紧密，在金刚石棒与基体金属之间的界面处形成了很大的热阻，其热导率还有待更进一步优化。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种能实现高性能定向导热的一维金刚石增强铝基复合材料。

本发明所要解决的第二个技术问题提供一种实现该高性能定向导热一维金刚石增强铝基复合材料的制备方法。

为解决上述第一个技术问题，本发明一维金刚石增强铝基复合材料，包括铝基体，其特征在于：在所述的铝基体中分布由若干一维金刚石线组成的金刚石阵列，所述一维金刚石线与铝基体冶金结合。

本发明一维金刚石增强铝基复合材料，所述的金刚石阵列中的一维金刚石线在金属基材中相互平行设置，相对位置均匀排布或随机排布。

本发明一维金刚石增强铝基复合材料，所述的一维金刚石线为自支撑金刚石线或中心设有线性芯的线支撑金刚石线，自支撑金刚石线的直径为0.015～2.0mm，线支撑金刚石线的直径为0.015～3.0mm；所述的线性芯选用钨、钼、铜、钛、银、金、碳纤维、碳化硅纤维中的一种细丝状的丝材；所述的线性芯的直径为0.014～2.0mm。

本发明一维金刚石增强铝基复合材料，所述一维金刚石线为表面改性金刚石线，表面改性金刚石线是在一维金刚石线表面设置有金属膜进行改性，金属膜的作用在于改善金刚石与基体金属之间的湿润性，因此，相邻膜层之间应该选择湿润性较好的膜层材料；所述金属膜选自钛膜、钨膜/铜膜、铬膜/铜膜中的一种,其中：钛膜膜层厚度为0.1～1.0μm,钨膜/铜膜膜层厚度为0.02～0.2μm/1.0～10.0μm,铬膜/铜膜膜层厚度为0.05～0.5μm/2～20μm。

本发明一维金刚石增强铝基复合材料，在所述的铝基体中还分布有表面经过钼膜/铜膜改性的金刚石颗粒，金刚石颗粒与铝基体为冶金结合，金刚石颗粒粒度为1～200μm，所述金刚石颗粒占复合材料总体积的百分含量为0～50％；所述钼膜/铜膜的膜层厚度为0.05～0.5μm/0.5～5.0μm，且钼膜内表面与金刚石表面结合，铜膜包覆在钼膜外表面。

为解决上述第二个技术问题，本发明一维金刚石增强铝基复合材料的制备方法，首先将表面改性的一维金刚石线排布为随机分布或均匀分布的金刚石线阵列；然后，采用熔铸、熔渗、冷压烧结、热压烧结、等离子烧结中的一种工艺，将铝或铝合金与金刚石线阵列复合，得到一维金刚石线与铝基体冶金结合的一维金刚石增强铝基复合材料；或

采用熔铸、熔渗、冷压烧结、热压烧结、等离子烧结中的一种工艺，将包含表面改性金刚石颗粒的铝或铝合金与金刚石线阵列复合，得到一维金刚石线与铝基体冶金结合的一维金刚石增强铝基复合材料。

本发明一维金刚石增强铝基复合材料的制备方法，表面改性一维金刚石线或表面改性金刚石颗粒采用磁控溅射、多弧离子镀、真空蒸发、化学镀、电镀中一种或多种镀覆方式实现表面改性。

本发明一维金刚石增强铝基复合材料的制备方法，所述的表面改性一维金刚石线为自支撑金刚石线或中心设有线性芯的线支撑金刚石线。

本发明一维金刚石增强铝基复合材料的制备方法，所述自支撑金刚石线制备工艺采用热丝辅助法、微波等离子增强法、火焰燃烧法、直流放电法、直流等离子体喷射法、低压射频法、常压射频法、电子回旋共振法中的一种化学气相沉积方法在线性芯材或片状基材表面沉积金刚石，刻蚀线性芯材或片状基材后，获得自支撑一维金刚石线或片状自支撑金刚石片，片状自支撑金刚石片经过激光切割获得自支撑一维金刚石线，自支撑一维金刚石线直径为0.015～2.0mm；

所述线支撑金刚石线制备工艺采用热丝辅助法、微波等离子增强法、火焰燃烧法、直流放电法、直流等离子体喷射法、低压射频法、常压射频法、电子回旋共振法中的一种化学气相沉积方法在线性芯材表面沉积金刚石，金刚石膜层厚度为0.001～1mm，线性芯材选用钨、钼、铜、钛、银、金、碳纤维、碳化硅纤维中的一种细丝状的丝材；所述的线性芯的直径为0.014～2.0mm。

本发明一维金刚石增强铝基复合材料的制备方法，所述线支撑金刚石线，在采用化学气相沉积方法在线性芯材表面沉积金刚石之前，对线性芯材表面进行预处理，预处理工艺是：

对于可形成强碳化物的线性芯材，将芯材依次进行除油、除垢、电化学抛光后，直接浸泡于微细金刚石粉悬浊液中进行超声波震荡种植籽晶预处理；可形成强碳化物的线性芯材选自W、Mo、Ti、Cr、Ta、Si、Nb中的一种；

或

对于不可形成强碳化物的线性芯材，将芯材依次进行除油、除垢、电化学抛光后，采用物理气相沉积或者化学气相沉积法在芯材表面制备可形成强碳化物的薄膜，薄膜为单层薄膜、多层薄膜、合金薄膜中的一种，然后，浸泡于微细金刚石粉悬浊液中进行超声波震荡种植籽晶预处理；不可形成强碳化物的线性芯材选自Cu、Ag、Au、Ni、Al、Co中的一种。

本发明一维金刚石增强铝基复合材料的制备方法，所述熔铸是将含改性金刚石颗粒或不含改性金刚石颗粒的铝或铝合金与一维金刚石阵列一并放入石墨模具中，然后将其放入真空熔炼炉或气氛保护熔炼炉中加热至600～1000℃熔炼，冷却脱模，得到一维金刚石增强铝基复合材料；或

先将铝或铝合金在坩埚中加热至600～800℃，获得熔融铝或铝合金，直接将呈阵列排布的一维金刚石线浸置于液态的铝或铝合金中，或向熔融铝或铝合金中添加改性金刚石颗粒、搅拌均匀后，将呈阵列排布的一维金刚石线浸置于液态的铝或铝合金中，冷却，得到一维金刚石增强铝基复合材料。

本发明一维金刚石增强铝基复合材料的制备方法，所述熔渗是将呈阵列排布的一维金刚石线置于熔渗模具中，进行预热，在真空或保护气氛环境下，将含改性金刚石颗粒或不含改性金刚石颗粒的熔融态的铝或铝合金加压熔渗至熔渗模具中，与金刚石棒进行复合，金刚石棒阵列的预热温度控制在500～700℃范围，熔融态铝的浇注温度为700～900℃，熔渗压力为5～30MPa，保温时间为0.5～3小时，得到一维金刚石增强铝基复合材料。

本发明一维金刚石增强铝基复合材料的制备方法，所述热压烧结是将铝粉或铝合金粉或含改性金刚石颗粒的铝粉或铝合金粉加入一维金刚石阵列后，放入真空或保护气氛热压炉中热压烧结，烧结温度为550～655℃，压力为5～200MPa，时间为30～240分钟，冷却脱模，得到一维金刚石增强铝基复合材料。

本发明一维金刚石增强铝基复合材料的制备方法，所述等离子烧结是将铝粉或铝合金粉或含改性金刚石颗粒的铝粉或铝合金粉加入一维金刚石阵列中，压制后，放入等离子烧结炉中进行烧结，压力5～70MPa，烧结工艺为：烧结温度500～700℃，升温速度10～300℃/min，保温5～10min，气氛为真空。

发明人根据自然界中“水泵”对水流的作用，巧妙地将“热泵”概念引入到金刚石/铜复合材料中，通过在金属中排布金刚石丝阵列，使金刚石丝与金属形成并联结构，像“水泵”一样将热流不断地抽出，把周围铜中热量不断吸入最近邻的金刚石丝中被迅速抽出。本发明利用表面改性技术先在一维金刚石线表面依次制备与金刚石润湿性好的薄膜、与基材铝具有良好润湿性的膜层，有效改善了金刚石薄膜与铝材之间的润湿性；对表面改性后的金刚石线进行预排布，然后再采用高真空熔渗或保护气氛熔渗、热压烧结、等离子烧结等方法制备金刚石线增强铝基复合材料，促进了金刚石线与基体金属之间的界面扩散，改善了界面结合条件，实现冶金结合，降低了界面热导，使“热泵”效应进一步得到有效发挥；复合材料中添加了经复合表面改性的金刚石颗粒，进一步提高了导热效率。克服了现有技术中专利CN102244051A存在热导率不够理想的缺陷。换言之，本发明无论在复合材料结构组成方面，还是在制备技术方面都做出了巨大的创新和改进。

与现有技术相比，本发明通过铝基体中同向装配若干具有高热导率的柱状金刚石线阵列使该复合材料沿该方向具有很好的定向导热性能，实现高性能定向导热。其中，所有金刚石线沿同一方向平行排列，每一根金刚石线成为一个快速导热通道，使热量不断地沿金刚石柱状方向迅速散发，所有金刚石线的联合效应，就使得该复合材料具有很好的定向导热性能；通过在金刚石线表面镀覆一层或多层与金刚石润湿性好的金属薄膜，然后再在其最表层制备与基材铝具有良好润湿性一层或多层薄膜，再通过不同烧结和致密化工艺，金刚石表面的金属或碳化物等向金刚石与Al基体发生界面扩散或反应，实现冶金结合，使复合界面结合得到明显强化，材料的热导率可获得到极大程度的改善；复合材料制备过程中，将经过表面改性处理后的金刚石颗粒加入到铝粉或铝合金粉中，通过烧结致密化工艺，使其弥散分布于铝基体中，能够进一步提升一维金刚石增强铝基复合材料的热导率；金刚石具有高的热导率(1300～2200W/(m·K))，低的热膨胀系数(0.8×10^-6～1.5×10^-6K^-1)和高的弹性模量等优良性能，铝具有密度低、热导率高、成本低、耐腐蚀和易机械加工等优点，因此，将金刚石作为增强体和铝制备成复合材料，可以将金刚石和铝的特性结合起来，获得具有高热导率、低热膨胀系数和低密度的封装材料，该复合材料可应用于军用便携计算机、高性能服务器、航空航天电子设备、光电子***及离子显示器等领域。

附图说明

附图1为一维金刚石线增强铝基复合材料制备方法流程示意图。

附图2为带芯金刚石线表面改性后的横截面结构示意图。

附图3为图2的纵剖视结构示意图。

附图4a为表面改性后带芯金刚石线均匀布置的一种阵列排布的横断面图。

附图4b为表面改性后带芯金刚石线均匀布置的另一种阵列排布横断面图。

附图4c为表面改性后带芯金刚石线随机布置的一种阵列排布的横断面图。

附图4d为表面改性后带芯金刚石线随机布置的另一种阵列排布横断面图。

附图5为图4a的纵截面图。

附图2中：1—线性芯材 2—CVD金刚石膜 3—金属膜层

具体实施方式

下面通过具体的实施例进一步描述本发明的技术方案。

本发明实施例按以下工艺或步骤进行：

(1)对金属丝或碳化物丝材进行前期处理

按以下步骤进行处理：(1)使用800#金相砂纸进行打磨，然后在丙酮中进行超声震荡清洗；(2)然后，丝材浸泡于微细金刚石粉丙酮悬浊液超声震荡处理30min；

(2)采用热丝化学气相沉积在丝或片状基材表面沉积连续致密的金刚石膜

采用热丝法、微波等离子法、火焰法、直流放电法、直流等离子体喷射法、低压射频法、常压射频、电子回旋共振法等各种化学气相沉积方法在线性芯材或片状基材表面沉积金刚石，金刚石膜层厚度为0.001～1.0mm。刻蚀线性芯材或片状基材后，获得自支撑一维金刚石线或片状自支撑金刚石，片状自支撑金刚石经过激光切割获得自支撑一维金刚石线，即全金刚石线。

(3)带芯金刚石线或全金刚石线表面改性处理

采用磁控溅射、多弧离子镀、真空蒸发或化学镀等任意一种镀覆方式在一维金刚石线表面沉积单质或复合膜层。

(4)改性后的带芯金刚石线的定向排布

可以随机分布，亦可以均匀分布，均匀排布

(5)铝材填充及致密化工艺

热压烧结、熔渗或保护气氛熔炼等热处理或致密化工艺

实施例一:

分别选用直径为0.03mm和0.4mm的钨丝作为芯材，首先按照步骤(1)对芯材表面进行前期处理；然后按照步骤(2)采用热丝CVD沉积金刚石膜，沉积工艺参数：热丝距离6mm，基体温度800℃，热丝温度2200℃，沉积压强3KPa，沉积时间40小时，CH4/H2体积流量比1:99，得到金刚石膜厚度60μm，即得到带芯金刚石线丝；(3)采用磁控溅射方法在带芯金刚石线表面先溅射一层金属钨膜，溅射功率为150W，压强0.4Pa，基体温度400℃，氩气流量20sccm，W膜厚度为0.2μm；再溅射一层金属铜膜，溅射功率为100W，压强0.5Pa，基体温度300℃，氩气流量20sccm，膜层厚度5.0μm；(4)将表面镀W/Cu的带芯金刚石丝定向均匀排布于模具中，排布距离1mm；(4)将表面镀W/Cu的带芯金刚石丝定向均匀排布于模具中，排布距离1mm，即得到一维金刚石阵列骨架；(5)将一维金刚石阵列骨架固定放入模具中，同时将纯铝在坩埚中加热熔化至800℃，将纯铝熔体浇注到模具内，采用液压机施压60Mpa的压力，迫使铝或铝合金熔体浸渗进入骨架中金刚石线的间隙处，保持压力15秒，冷却脱模，取出复合材料。性能测试结果：热导率分别为630W/(m·K)(芯材为细钨丝)，528W/(m·K)(芯材为粗钨丝)。

实施例二：

分别选用直径为0.3μm铜丝、0.3μm钛丝作为芯材，首先按照步骤(1)对芯材表面进行前期处理；然后按照步骤(2)采用热丝CVD沉积金刚石膜，沉积工艺参数：热丝距离6mm，基体温度850℃，热丝温度2200℃，沉积压强3KPa，沉积时间50小时，CH4/H2体积流量比1:99，得到金刚石膜厚度100μm，即得到带芯金刚石丝；(3)采用真空蒸发法在带芯金刚石线表面一层金属铬膜，蒸发电流为36A，压强0.1Pa，基体温度400℃，铬膜厚度为0.5μm，再真空蒸发一层金属铜膜，蒸发电流为30A，压强0.1Pa，基体温度300℃，膜层厚度2.0μm；(4)将表面镀Cr/Cu的带芯金刚石丝定向均匀排布于模具中，排布距离2mm，即得到一维金刚石阵列骨架；(5)将一维金刚石阵列骨架固定放入模具中，将金刚石骨架体积的2倍Al-Si合金放置在骨架上方，其中Si的质量含量为15％，然后放入加热炉中，在高纯氮气保护下900℃保温30min，即可制得高定向导热一维金刚石增强铝基复合材料，复合材料热导率分别为725W/(m·K)(芯材为铜丝)，689W/(m·K)(芯材为钛丝)。

实施例三：

分别选用直径为0.1mm细钼丝、0.8mm粗钼丝作为芯材，首先按照步骤(1)对芯材表面进行前期处理；然后按照步骤(2)采用热丝CVD沉积金刚石膜，沉积工艺参数：热丝距离8mm，基体温度900℃，热丝温度2200℃，沉积压强3KPa，沉积时间50小时，CH4/H2体积流量比2:98，得到金刚石膜厚度100μm，即得到带芯金刚石线丝；(3)采用磁控溅射方法在带芯金刚石线表面先溅射一层金属钛膜，溅射功率为92W，压强0.5Pa，基体温度300℃，氩气流量20sccm，膜层厚度500nm；(4)将表面镀Ti的带芯金刚石丝定向均匀排布于模具中，排布距离3mm，即得到一维金刚石阵列骨架；(5)金刚石丝的间隙处填充纯铝粉和金刚石粉混合粉末(Al粉纯度为99.9％，金刚石颗粒形貌规则，颗粒尺寸：80～100μm)，金刚石颗粒采用真空蒸发技术在表面制备了Mo/Cu复合膜层，钼蒸发电流为32A，压强0.1Pa，基体温度400℃，铬膜厚度为0.3μm，再真空蒸发一层金属铜膜，蒸发电流为30A，压强0.1Pa，基体温度300℃，膜层厚度1.0μm；(6)沿径向方向进行压制成型，压力为120MPa，然后将压制成型的试样进行热压烧结，制得一维金刚石增强铝基复合材料：烧结温度为550℃，烧结压力30MPa，升温速率为，保温时间5min，气氛为真空。采用此工艺制得的高定向导热一维金刚石增强铝基复合材料热导率分别为802W/(m·K)(芯材为细钼丝)，873W/(m·K)(芯材为粗钼丝)。

实施例四：

分别选用直径为0.014μm金丝、0.03μm银丝作为芯材，首先按照步骤(1)对芯材表面进行前期处理；然后按照步骤(2)采用热丝CVD沉积金刚石膜，沉积工艺参数：热丝距离6mm，基体温度850℃，热丝温度2300℃，沉积压强3KPa，沉积时间80小时，CH₄/H₂体积流量比1:99，得到金刚石膜厚度100μm；(3)采用磁控溅射方法在带芯金刚石线表面先溅射一层金属铬膜，溅射功率为200W，压强0.3Pa，基体温度350℃，氩气流量50sccm，Cr膜厚度为0.5μm；再溅射一层金属铜膜，溅射功率为150W，压强0.4Pa，基体温度300℃，氩气流量20sccm，膜层厚度10.0μm；(4)将表面镀Cr/Cu的带芯金刚石丝定向均匀排布于模具中，排布间距2mm；(5)金刚石丝的间隙处填充纯铝粉和金刚石粉混合粉末(Al粉纯度为99.9％，金刚石颗粒形貌规则，颗粒尺寸：80～100μm，金刚石颗粒表面经过与实施例三相似的Mo/Cu表面改性处理)，沿径向方向进行压制成型，压力为120MPa，然后将压制成型的试样进行放电等离子体烧结(SPS)，制得一维金刚石增强铝基复合材料：烧结温度为550℃，烧结压力30MPa，升温速率为，保温时间5min，气氛为真空。采用此工艺制得的高定向导热一维金刚石增强铝基复合材料最高热导率分别为856W/(m·K)(芯材为金丝)、928W/(m·K)(芯材为银丝)。

实施例五：

选用厚度为1mm硅片作为片状基材，首先按照步骤(1)对硅基体表面进行前期处理；然后按照步骤(2)采用热丝CVD沉积金刚石膜，沉积工艺参数：热丝距离6mm，基体温度900℃，热丝温度2300℃，沉积压强3KPa，沉积时间300小时，CH₄/H₂体积流量比3:97，得到金刚石膜厚度600μm，刻蚀片状硅基材后，获得片状自支撑金刚石，再经过激光切割获得自支撑一维金刚石线，即全金刚石线，直径为0.5mm；(3)采用磁控溅射方法在全金刚石线表面先溅射一层金属铬膜，溅射功率为200W，压强0.3Pa，基体温度350℃，氩气流量50sccm，Cr膜厚度为0.5μm；再溅射一层金属铜膜，溅射功率为150W，压强0.4Pa，基体温度300℃，氩气流量20sccm，膜层厚度10.0μm；(4)将表面镀Cr/Cu的全金刚石线定向均匀排布于模具中，排布间距2mm；(5)金刚石丝的间隙处填充纯铝粉和金刚石粉混合粉末(Al粉纯度为99.9％，金刚石颗粒形貌规则，颗粒尺寸：80～100μm，金刚石颗粒表面经过与实施例三相似的Mo/Cu表面改性处理)，然后将试样进行热压烧结，制得一维金刚石增强铝基复合材料：烧结温度为650℃，烧结压力60MPa，保温时间90min，气氛为真空。采用此工艺制得的高定向导热一维金刚石增强铝基复合材料最高热导率为980W/(m·K)。

由上可见，本专利中制得的高定向导热一维金刚石增强铝基复合材料的热导率可达980W/(m·K)，明显高于传统的金刚石颗粒增强铝基复合材料的热导率(100～600W/(m·K))。

Claims (9)

1.一种一维金刚石增强铝基复合材料，其特征在于：在所述的铝基体中分布由若干一维金刚石线组成的金刚石阵列，所述一维金刚石线与铝基体冶金结合；所述一维金刚石线为表面改性金刚石线；

一维金刚石增强铝基复合材料的制备方法，首先将表面改性的一维金刚石线排布为随机分布或均匀分布的金刚石线阵列；然后，采用熔铸、熔渗、冷压烧结、热压烧结、等离子烧结中的一种工艺，将铝或铝合金与金刚石线阵列复合，得到一维金刚石线与铝基体冶金结合的一维金刚石增强铝基复合材料；或

采用熔铸、熔渗、冷压烧结、热压烧结、等离子烧结中的一种工艺，将包含表面改性金刚石颗粒的铝或铝合金与金刚石线阵列复合，得到一维金刚石线与铝基体冶金结合的一维金刚石增强铝基复合材料；

所述熔铸是将含改性金刚石颗粒或不含改性金刚石颗粒的铝或铝合金与一维金刚石阵列一并放入石墨模具中，然后将其放入真空熔炼炉或气氛保护熔炼炉中加热至600~1000℃熔炼，冷却脱模，得到一维金刚石增强铝基复合材料；或

先将铝或铝合金在坩埚中加热至600~800℃，获得熔融铝或铝合金，直接将呈阵列排布的一维金刚石线浸置于液态的铝或铝合金中，或向熔融铝或铝合金中添加改性金刚石颗粒、搅拌均匀后，将呈阵列排布的一维金刚石线浸置于液态的铝或铝合金中，冷却，得到一维金刚石增强铝基复合材料；

所述熔渗是将呈阵列排布的一维金刚石线置于熔渗模具中，进行预热，在真空或保护气氛环境下，将含改性金刚石颗粒或不含改性金刚石颗粒的熔融态的铝或铝合金加压熔渗至熔渗模具中，与金刚石棒进行复合，金刚石棒阵列的预热温度控制在500~700℃范围，熔融态铝的浇注温度为700~900℃，熔渗压力为5~30MPa，保温时间为0.5~3小时，得到一维金刚石增强铝基复合材料；

所述热压烧结是将铝粉或铝合金粉或含改性金刚石颗粒的铝粉或铝合金粉加入一维金刚石阵列后，放入真空或保护气氛热压炉中热压烧结，烧结温度为550~655℃，压力为5~200 MPa，时间为30~240分钟，冷却脱模，得到一维金刚石增强铝基复合材料；

所述等离子烧结是将铝粉或铝合金粉或含改性金刚石颗粒的铝粉或铝合金粉加入一维金刚石阵列中，压制后，放入等离子烧结炉中进行烧结，压力5~70MPa，烧结工艺为：烧结温度500~700℃，升温速度10~300℃/min，保温5~10min，气氛为真空。

2.根据权利要求1所述的一维金刚石增强铝基复合材料，其特征在于：所述的金刚石阵列中的一维金刚石线在金属基材中相互平行设置，相对位置均匀排布或随机排布。

3.根据权利要求2所述的一维金刚石增强铝基复合材料，其特征在于：所述的一维金刚石线为自支撑金刚石线或中心设有线性芯的线支撑金刚石线，自支撑金刚石线的直径为0.015~2.0mm，线支撑金刚石线的直径为0.015~3.0mm；所述的线性芯选用钨、钼、铜、钛、银、金、碳纤维、碳化硅纤维中的一种细丝状的丝材；所述的线性芯的直径为0.014~2.0mm。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的一维金刚石增强铝基复合材料，其特征在于：表面改性金刚石线是在一维金刚石线表面设置有金属膜进行改性；所述金属膜选自钛膜、钨膜/铜膜、铬膜/铜膜中的一种,其中：钛膜膜层厚度为0.1~1.0μm,钨膜/铜膜膜层厚度为0.02~0.2μm/1.0~10.0μm,铬膜/铜膜膜层厚度为0.05~0.5μm/2~20μm。

5.根据权利要求4所述的一维金刚石增强铝基复合材料，其特征在于：在所述的铝基体中还分布有表面经过钼膜/铜膜改性的金刚石颗粒，金刚石颗粒与铝基体为冶金结合，金刚石颗粒粒度为1~200μm，所述金刚石颗粒占复合材料总体积的百分含量为0~50%；所述钼膜/铜膜的膜层厚度为0.05~0.5μm/0.5~5.0μm，且钼膜内表面与金刚石表面结合，铜膜包覆在钼膜外表面。

6.根据权利要求1所述的一维金刚石增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：表面改性一维金刚石线或表面改性金刚石颗粒采用磁控溅射、多弧离子镀、真空蒸发、化学镀、电镀中一种或多种镀覆方式实现表面改性。

7.根据权利要求6所述的一维金刚石增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述的表面改性一维金刚石线为自支撑金刚石线或中心设有线性芯的线支撑金刚石线。

8.根据权利要求7所述的一维金刚石增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述自支撑金刚石线制备工艺采用热丝辅助法、微波等离子增强法、火焰燃烧法、直流放电法、直流等离子体喷射法、低压射频法、常压射频法、电子回旋共振法中的一种化学气相沉积方法在线性芯材或片状基材表面沉积金刚石，刻蚀线性芯材或片状基材后，获得自支撑一维金刚石线或片状自支撑金刚石片，片状自支撑金刚石片经过激光切割获得自支撑一维金刚石线，自支撑一维金刚石线直径为0.015~2.0mm；

所述线支撑金刚石线制备工艺采用热丝辅助法、微波等离子增强法、火焰燃烧法、直流放电法、直流等离子体喷射法、低压射频法、常压射频法、电子回旋共振法中的一种化学气相沉积方法在线性芯材表面沉积金刚石，金刚石膜层厚度为0.001~1mm，线性芯材选用钨、钼、铜、钛、银、金、碳纤维、碳化硅纤维中的一种细丝状的丝材；所述的线性芯的直径为0.014~2.0mm。

9.根据权利要求7所述的一维金刚石增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述线支撑金刚石线，在采用化学气相沉积方法在线性芯材表面沉积金刚石之前，对线性芯材表面进行预处理，预处理工艺是：

对于可形成强碳化物的线性芯材，将芯材依次进行除油、除垢、电化学抛光后，直接浸泡于微细金刚石粉悬浊液中进行超声波震荡种植籽晶预处理；可形成强碳化物的线性芯材选自W、Mo、Ti、Cr、Ta、Si、Nb中的一种；

或

对于不可形成强碳化物的线性芯材，将芯材依次进行除油、除垢、电化学抛光后，采用物理气相沉积或者化学气相沉积法在芯材表面制备可形成强碳化物的薄膜，薄膜为单层薄膜、多层薄膜、合金薄膜中的一种，然后，浸泡于微细金刚石粉悬浊液中进行超声波震荡种植籽晶预处理；不可形成强碳化物的线性芯材选自Cu、Ag、Au、Ni、Al、Co中的一种。