CN110117731B - 一种超高热导率金刚石颗粒增强铝基复合材料的制备方法 - Google Patents

一种超高热导率金刚石颗粒增强铝基复合材料的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110117731B
CN110117731B CN201910412310.7A CN201910412310A CN110117731B CN 110117731 B CN110117731 B CN 110117731B CN 201910412310 A CN201910412310 A CN 201910412310A CN 110117731 B CN110117731 B CN 110117731B
Authority
CN
China
Prior art keywords
diamond
diamond particles
composite material
filling
thermal conductivity
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910412310.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110117731A (zh
Inventor
张海龙
李宁
王西涛
戴景杰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Science and Technology Beijing USTB
Qingdao Binhai University
Original Assignee
University of Science and Technology Beijing USTB
Qingdao Binhai University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Science and Technology Beijing USTB, Qingdao Binhai University filed Critical University of Science and Technology Beijing USTB
Priority to CN201910412310.7A priority Critical patent/CN110117731B/zh
Publication of CN110117731A publication Critical patent/CN110117731A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110117731B publication Critical patent/CN110117731B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/10—Alloys containing non-metals
    • C22C1/1036—Alloys containing non-metals starting from a melt
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/10—Alloys containing non-metals
    • C22C1/1036—Alloys containing non-metals starting from a melt
    • C22C1/1047—Alloys containing non-metals starting from a melt by mixing and casting liquid metal matrix composites
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C26/00—Alloys containing diamond or cubic or wurtzitic boron nitride, fullerenes or carbon nanotubes

Abstract

本发明属于复合材料技术领域，提供了一种超高热导率金刚石颗粒增强铝基复合材料的制备方法。采用粒径为403～860μm单一粒径金刚石颗粒装填或者粒径为57～97μm较小金刚石颗粒与粒径为403～860μm较大金刚石颗粒的双粒径金刚石颗粒共同装填，利用气压浸渗法在750～800℃温度、0.5～2.0MPa压力和5～30min保压时间下制备金刚石/铝复合材料。本发明所制得的金刚石/铝复合材料具有优异的导热性能并且具有较小的密度，热导率高达1035W/mK，密度小于3.33g/cm3，可满足航空航天领域大功率器件散热对高导热及轻量化热管理材料的迫切需求。

Description

一种超高热导率金刚石颗粒增强铝基复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，特别涉及一种超高热导率金刚石颗粒增强铝基复合材料的制备方法。
背景技术
随着电子技术的不断发展，电子元器件的集成度不断提高、功率密度不断增大，器件常因散热效率不高而导致失效。常用的电子封装材料如Al、Cu等金属虽然具有较高的热导率，但是热膨胀系数很大，与半导体芯片的热膨胀系数不匹配，在工作中由于温度变化产生热应力而导致器件失效；Kovar、Invar、W-Cu、SiCP/Al等电子封装材料具有低的热膨胀系数，但是热导率也较低，不能满足高功率电子器件的散热需求，因此急需发展新一代的高导热电子封装材料。金刚石的热导率高达2000W/mK，热膨胀系数仅为0.8×10-6/K，金刚石颗粒增强金属基复合材料具有较高的热导率、可调配的热膨胀系数以及可靠的机械性能，因此成为新一代电子封装材料的研究热点。
金刚石颗粒增强铝基(金刚石/铝)复合材料是研究热点之一。文献采用放电等离子烧结、真空热压烧结、压力浸渗、气压浸渗等不同方法制备金刚石/铝复合材料，其中放电等离子烧结和真空热压烧结技术难以制备出高致密度、高金刚石体积分数和复杂形状的复合材料部件，所制备的金刚石/铝复合材料热导率为321～599W/mK[1,2]；压力浸渗虽然工艺流程简单、成本较低，但是制备出的复合材料热导率较低[3,4]；气压浸渗制备的金刚石/铝复合材料热导率可达760W/mK[5]，为文献报道最高值。目前，用于制备金刚石/铝复合材料的金刚石颗粒粒径小于400μm，金刚石体积分数低于70％，复合材料热导率远低于金刚石热导率，因此金刚石/铝复合材料的热导率仍有很大的提升空间。本发明提出使用粒径超过400μm金刚石颗粒以及双粒径金刚石颗粒混合物作为增强相提高金刚石体积分数，并利用气压浸渗法制备复合材料，突破了金刚石/铝复合材料热导率的文献报道最高值，获得具有超高热导率和低密度的金刚石/铝复合材料，有力推动金刚石/铝复合材料在热管理材料领域的应用。
【参考文献】
[1]Z.Q.Tan,Z.Q.Li,G.L Fan,et al.Fabrication of diamond/aluminumcomposites by vacuum hot pressing:process optimization and thermalproperties,Composites Part B:Engineering,2013,47:173-180.
[2]Z.Q.Tan,Z.Q.Li,G.L Fan,et al.Enhanced thermal conductivity indiamond/aluminum composites with a tungsten interface nanolayer,Materials&Design,2013,47:160-166.
[3]P.W.Ruch,O.Beffort,S.Kleiner,et al.Selective interfacial bondingin Al(Si)-diamond composites and its effect on thermal conductivity,Composites Science and Technology,2006,66:2677-2685.
[4]W.S.Yang,G.Q.Chen,P.P Wang,et al.Enhanced thermal conductivity indiamond/aluminum composites with tungsten coatings on diamond particlesprepared by magnetron sputtering method,Journal of Alloys and Compounds,2017,726:623-631.
[5]Y.Zhang,J.W.Li,L.L.Zhao,et al.Optimisation of high thermalconductivity Al/diamond composites produced by gas pressure infiltration bycontrolling infiltration temperature and pressure,Journal of MaterialsScience,2015,50:688-696.
发明内容
本发明的目的就是克服现有技术的不足，提供一种超高热导率金刚石颗粒增强铝基复合材料的制备方法，通过将较大粒径金刚石颗粒或双粒径金刚石颗粒混合物作为增强相，利用气压浸渗法制备复合材料，获得具有超高热导率和低密度的金刚石/铝复合材料。
本发明的技术方案为：
一种超高热导率金刚石颗粒增强铝基复合材料的制备方法，通过将较大粒径金刚石颗粒或双粒径金刚石颗粒混合物作为增强相，利用气压浸渗法制备所述金刚石颗粒增强铝基复合材料。具体包括如下步骤：
1)采用粒径为57～860μm的金刚石颗粒作为增强相；
2)金刚石颗粒装填入型模中并振实，将装填好的型模放在石墨套筒中并将纯铝块放在型模上部，制成完整模具；
3)将模具放置在连接有真空***和增压充气***的炉体中，对炉体抽真空，在真空条件下对步骤2)制得的模具进行加热并保温；
4)进行熔渗处理，注入高纯氩气对炉内进行增压充气并保温保压，铝液在高压气体作用下渗入模具中的金刚石颗粒之间孔隙；
5)冷至室温后取出模具脱模，即得金刚石/铝复合材料。
进一步地，步骤2)所述金刚石颗粒装填要求为：粒径为403～860μm单一粒径金刚石颗粒装填或者粒径为57～97μm较小金刚石颗粒与粒径为403～860μm较大金刚石颗粒的双粒径金刚石颗粒共同装填；其中双粒径金刚石颗粒装填步骤为：先将较大金刚石颗粒装填入型模中并振实，然后将较小金刚石颗粒装填入已振实的型模中，得到装填有不同粒径金刚石颗粒的型模。
进一步地，步骤3)所述真空度低于0.1Pa。
进一步地，步骤3)所述模具加热温度为750～800℃，保温时间为5～30min。
进一步地，步骤4)所述炉内气体压力为0.5～2.0MPa，在750～800℃下保压5～30min。
与其他技术相比，本发明的突出优势为：
1)在气压浸渗制备条件下，较高真空度能够有效抑制金属铝液氧化，并使金刚石颗粒与铝液直接接触；高压气体可以提供各向均匀的成型压力，使得金刚石颗粒在铝基体中均匀分布；控制保温时间可以促进金刚石与铝基体的界面反应，实现两相紧密结合，提高复合材料致密度，并有效提高复合材料热导率。
2)将粒径超过400μm的金刚石颗粒作为增强相并利用气压浸渗法制备复合材料，所制备金刚石/铝复合材料由于金刚石粒径较大从而显著减少单位体积复合材料中的界面面积，降低复合材料界面热阻，使复合材料热导率达到780～854W/mK，金刚石体积分数达到69％，密度小于3.28g/cm3，满足航空航天领域大功率器件散热对高导热及轻量化热管理材料的迫切需求。
3)将较大粒径金刚石颗粒与较小粒径金刚石颗粒的混合物作为增强相并利用气压浸渗法制备复合材料，可以显著提高金刚石体积分数至74～76％，所制备金刚石/铝复合材料的热导率高达1035W/mK，密度小于3.33g/cm3，满足航空航天领域大功率器件散热对高导热及轻量化管理材料的迫切需求。
具体实施方式
下文将详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。
实施例1
将直径为403μm的金刚石颗粒装填入型模中并振实，再将装填好的型模放在石墨套筒中并将纯铝块放在型模上部，将装填好的整个模具放置在炉内的感应加热区，连接真空***和增压充气***。开启真空***，对炉体抽气直至真空度优于0.1Pa。开启循环水，启动感应加热器，将模具加热至800℃并保温30min。开启增压充气***向炉内注入高纯氩气，当炉内气体压力达到l.0MPa后，关闭增压充气***并在800℃下保压20min。停止加热，当炉温降至室温时关闭循环水，取出模具脱模，获得直径为20mm、厚度为4mm的圆片状金刚石/铝复合材料产品。所制备的金刚石/铝复合材料热导率为846W/mK，金刚石体积分数为69％，密度为3.27g/cm3。
实施例2
将直径为630μm的金刚石颗粒装填入型模中并振实，再将装填好的型模放在石墨套筒中并将纯铝块放在型模上部，将装填好的整个模具放置在炉内的感应加热区，连接真空***和增压充气***。开启真空***，对炉体抽气直至真空度优于0.1Pa。开启循环水，启动感应加热器，将模具加热至800℃并保温30min。开启增压充气***向炉内注入高纯氩气，当炉内气体压力达到l.0MPa后，关闭增压充气***并在800℃下保压20min。停止加热，当炉温降至室温时关闭循环水，取出模具脱模，获得直径为20mm、厚度为4mm的圆片状金刚石/铝复合材料产品。所制备的金刚石/铝复合材料热导率为854W/mK，金刚石体积分数为69％，密度为3.27g/cm3。
实施例3
将直径为860μm的金刚石颗粒装填入型模中并振实，再将装填好的型模放在石墨套筒中并将纯铝块放在型模上部，将装填好的整个模具放置在炉内的感应加热区，连接真空***和增压充气***。开启真空***，对炉体抽气直至真空度优于0.1Pa。开启循环水，启动感应加热器，将模具加热至800℃并保温30min。开启增压充气***向炉内注入高纯氩气，当炉内气体压力达到l.0MPa后，关闭增压充气***并在800℃下保压20min。停止加热，当炉温降至室温时关闭循环水，取出模具脱模，获得直径为20mm、厚度为4mm的圆片状金刚石/铝复合材料产品。所制备的金刚石/铝复合材料热导率为780W/mK，金刚石体积分数为69％，密度为3.27g/cm3。
实施例4
将直径为630μm的金刚石颗粒装填入型模中并振实，然后将直径为57μm的金刚石颗粒装填入已振实的型模中，得到装填有不同粒径金刚石颗粒的型模，将装填好的型模放在石墨套筒中并将纯铝块放在型模上部，再将装填好的整个模具放置在炉内的感应加热区，连接真空***和增压充气***。开启真空***，对炉体抽气直至真空度优于0.1Pa。开启循环水，启动感应加热器，将模具加热至800℃并保温30min。开启增压充气***向炉内注入高纯氩气，当炉内气体压力达到l.0MPa后，关闭增压充气***并在800℃下保压20min。停止加热，当炉温降至室温时关闭循环水，取出模具脱模，获得直径为20mm、厚度为4mm的圆片状金刚石/铝复合材料产品。所制备的金刚石/铝复合材料热导率为969W/mK，金刚石体积分数为74％，密度为3.31g/cm3。
实施例5
将直径为860μm的金刚石颗粒装填入型模中并振实，然后将直径为97μm的金刚石颗粒装填入已振实的型模中，得到装填有不同粒径金刚石颗粒的型模，将装填好的型模放在石墨套筒中并将纯铝块放在型模上部，再将装填好的整个模具放置在炉内的感应加热区，连接真空***和增压充气***。开启真空***，对炉体抽气直至真空度优于0.1Pa。开启循环水，启动感应加热器，将模具加热至800℃并保温30min。开启增压充气***向炉内注入高纯氩气，当炉内气体压力达到l.0MPa后，关闭增压充气***并在800℃下保压20min。停止加热，当炉温降至室温时关闭循环水，取出模具脱模，获得直径为20mm、厚度为4mm的圆片状金刚石/铝复合材料产品。所制备的金刚石/铝复合材料热导率为1035W/mK，金刚石体积分数为76％，密度为3.32g/cm3。
本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (4)

1.一种超高热导率金刚石颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)采用粒径为57～860μm的金刚石颗粒作为增强相；
2)金刚石颗粒装填入型模中并振实，将装填好的型模放在石墨套筒中并将纯铝块放在型模上部，制成完整模具；
3)将模具放置在连接有真空***和增压充气***的炉体中，对炉体抽真空，在真空条件下对步骤2)制得的模具进行加热并保温；
4)进行熔渗处理，注入高纯氩气对炉内进行增压充气并保温保压，铝液在高压气体作用下渗入模具中的金刚石颗粒之间孔隙；
5)冷至室温后取出模具脱模，即得金刚石/铝复合材料；
所制备的复合材料中金刚石体积分数为69～76％；
步骤2)所述金刚石颗粒装填要求为：粒径为403～860μm单一粒径金刚石颗粒装填或者粒径为57～97μm较小金刚石颗粒与粒径为403～860μm较大金刚石颗粒的双粒径金刚石颗粒共同装填；其中双粒径金刚石颗粒装填步骤为：先将较大金刚石颗粒装填入型模中并振实，然后将较小金刚石颗粒装填入已振实的型模中，得到装填有不同粒径金刚石颗粒的型模；
所制得的金刚石颗粒增强铝基复合材料热导率为780～1035W/mK，密度小于3.33g/cm3。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)所述真空度低于0.1Pa。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)所述模具加热温度为750～800℃，保温时间为5～30min。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4)所述炉内气体压力为0.5～2.0MPa，在750～800℃下保压5～30min。
CN201910412310.7A 2019-05-17 2019-05-17 一种超高热导率金刚石颗粒增强铝基复合材料的制备方法 Active CN110117731B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910412310.7A CN110117731B (zh) 2019-05-17 2019-05-17 一种超高热导率金刚石颗粒增强铝基复合材料的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910412310.7A CN110117731B (zh) 2019-05-17 2019-05-17 一种超高热导率金刚石颗粒增强铝基复合材料的制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110117731A CN110117731A (zh) 2019-08-13
CN110117731B true CN110117731B (zh) 2020-11-20

Family

ID=67522590

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910412310.7A Active CN110117731B (zh) 2019-05-17 2019-05-17 一种超高热导率金刚石颗粒增强铝基复合材料的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110117731B (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112981163B (zh) * 2021-02-05 2021-11-26 哈尔滨工业大学 一种高表面精度高可靠性金刚石增强金属基复合材料的制备方法
CN113528881A (zh) * 2021-06-22 2021-10-22 河南飞孟金刚石工业有限公司 铝金刚石热沉片的制造方法
CN113547101B (zh) * 2021-07-21 2022-10-21 长飞光纤光缆股份有限公司 一种高导热金刚石-铝基复合材料的制备方法及产品
CN114086047B (zh) * 2021-11-22 2022-05-31 合肥哈瑞克机电科技有限公司 一种高导热复合材料及其制备方法
CN114934221B (zh) * 2022-05-24 2023-04-07 江苏大学 一种石墨片增强铝基复合材料及其制备方法
CN115852197B (zh) * 2022-12-23 2024-05-03 北京科技大学 一种超高热导率的铜/金刚石复合材料及其制备方法

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2639672B2 (ja) * 1988-02-01 1997-08-13 株式会社半導体エネルギー研究所 炭素膜の形成された半導体装置の作製方法
JP3197305B2 (ja) * 1991-10-08 2001-08-13 ティーディーケイ株式会社 電界発光素子の保護
US6946096B2 (en) * 2002-05-03 2005-09-20 Honeywell International, Inc. Use of powder metal sintering/diffusion bonding to enable applying silicon carbide or rhenium alloys to face seal rotors
TWI403576B (zh) * 2008-12-31 2013-08-01 Ind Tech Res Inst 含碳金屬複合材料及其製作方法
DE102009025023A1 (de) * 2009-06-10 2010-12-16 Neumayer Tekfor Holding Gmbh Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle und entsprechende Nockenwelle
CN102179502B (zh) * 2011-04-26 2013-02-27 北京科技大学 高压气体辅助熔渗制备金属基复合材料的装置及方法
CN105695831B (zh) * 2016-03-21 2017-10-31 中南大学 一种超高导热连续金刚石骨架增强复合材料及制备方法
CN107345283B (zh) * 2017-01-20 2020-03-17 机械科学研究总院先进制造技术研究中心 一种金刚石颗粒增强铝基制动耐磨复合材料及制备方法
CN107760951B (zh) * 2017-10-31 2019-05-17 哈尔滨工业大学 一种金刚石/铝复合材料及其低成本制备方法
CN107739948B (zh) * 2017-10-31 2019-05-17 哈尔滨工业大学 一种金刚石/铝复合材料及其高效率制备方法
CN108257880B (zh) * 2018-01-03 2020-09-11 北京科技大学 一种真空熔渗法制备金刚石/Si(Al)复合材料的工艺方法
CN108707770B (zh) * 2018-05-04 2019-12-13 北京科技大学 一种镀锆金刚石颗粒增强铝基复合材料的制备方法
CN109732092B (zh) * 2019-03-15 2020-04-10 西安交通大学 一种铝基电子封装材料的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110117731A (zh) 2019-08-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110117731B (zh) 一种超高热导率金刚石颗粒增强铝基复合材料的制备方法
CN109553419B (zh) 一种气压固相烧结碳化硼复相陶瓷及其制备方法
CN108746637B (zh) 铝硅/铝碳化硅梯度复合材料及其制备方法
CN107649688B (zh) 一种易加工的金刚石导热复合材料及其制备方法和应用
CN112981164B (zh) 一种高可靠性高导热金刚石增强金属基复合材料的制备方法
CN108707770B (zh) 一种镀锆金刚石颗粒增强铝基复合材料的制备方法
CN1944698A (zh) 一种超高导热、低热膨胀系数的复合材料及其制备方法
CN104313385A (zh) 超高导热金刚石/铝复合材料及其制备方法
CN113480319B (zh) 一种低介电常数碳化硅、高性能氮化硅陶瓷基板及其制备方法
CN110343897B (zh) 一种鳞片石墨增强铝基复合材料的制备方法及其应用
CN112935249B (zh) 一种金刚石/金属基复合材料的高效制备方法
CN114309596B (zh) 一种高导热表面金属化金刚石/铜复合基板制备方法
CN112981163B (zh) 一种高表面精度高可靠性金刚石增强金属基复合材料的制备方法
CN113755712A (zh) 一种宏量化颗粒增强铝基复合材料坯锭及其基于粉末冶金的制备方法
CN113354418B (zh) 一种真空热压烧结法制备的高性能氮化铝陶瓷基板及制备方法
CN111515404A (zh) 一种cBN/Al复合材料的制备方法
CN113957298B (zh) 一种低残余应力金刚石颗粒增强铝基复合材料的制备方法
CN102709258A (zh) 一种金刚石-硅复合材料
CN113957283A (zh) 一种内嵌结构高导热率复合材料及其制备方法
CN115852197B (zh) 一种超高热导率的铜/金刚石复合材料及其制备方法
CN115213409B (zh) 一种利用微波等离子体快速成型金刚石/金属基复合材料构件的方法
CN114635051A (zh) 一种高硅含量的铝基梯度电子封装复合材料的制备方法
CN115261659B (zh) 一种两步法快速成型致密金刚石金属基复合材料构件的方法
CN116987924B (zh) 一种SiC/Al复合材料的制备方法
CN110643860A (zh) 一种陶瓷膜修饰的金刚石/铝复合材料及其无压浸渗制备工艺

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant