CN112853144A - 一种金刚石/石墨烯/金属的复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属基复合材料的制备技术，公开了一种金刚石/石墨烯/金属的复合材料的制备方法，关键技术是采用微波等离子体技术将含碳高分子材料转化为石墨烯作为金刚石和金属基之间的界面。该方法首先将含碳高分子材料制备成溶液；将溶液分多次加入金属粉末中进行碾磨混合均匀后烘干；再将烘干后的粉末与金刚石在球磨机中混粉后，使金刚石与包裹含碳高分子材料的金属粉末混合均匀；将混粉后的混合粉末放入自制模具中，在微波等离子体炉中热处理，随后在氮气氛围下冷却；将微波处理好的混合粉块放到石墨模具中，在热压炉里面烧结。该方法操作简单，成本低，能够实现高导热复合材料的制备，为复合材料在制备高导热电子封装材料扩展了应用范围。

Description

一种金刚石/石墨烯/金属的复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及到一种以含碳高分子材料作为碳源制备金刚石/石墨烯/金属复合材料的方法，以制备高导热的电子封装材料。
背景技术
随着当今市场对高导热电子封装材料的需求越来越高，金刚石因其优越的物理性能被越来越多人关注起来，金属具有良好的导热性能，而且具有导热各向同性，因此，金刚石/金属基复合材料成为当前研究的热点。但是由于金刚石与部分金属之间的界面结合力较弱甚至无法形成价键结合，使得金刚石与金属之间存在较大的缝隙缺陷，阻碍了热、电的传导。目前，针对金刚石/金属的界面问题，很多研究通过对金刚石表面金属化或者通过金属表面合金化来改善金刚石与金属之间的界面结合力，但是无论是通过在金刚石表面金属化或者金属表面合金化(W/Ti/Cr/Mo)，形成的碳化层界面结构会对热量在传导过程中产生散射，导致复合材料的热导率增加不够突出。因此，本专利设计了一种制备金刚石/石墨烯/金属界面复合材料来解决金刚石和金属之间界面问题，通过在微波等离子的处理下，含碳高分子材料转化成石墨烯紧紧包覆在铜颗粒表面，形成了一个良好的铜粉/石墨烯界面结构。同时，金刚石和石墨烯是同素异形体，两者之间的浸润性较好。石墨烯与金刚石在高温高压下，紧密复合在一起，最终形成铜/石墨烯/金刚石复合材料。另外，石墨烯是一种高导热，具有优异性能二维纳米材料，作为金刚石与金属材料之间的界面材料，不仅改善了金刚石和金属之间的润湿性，而且提高了金刚石/金属复合材料的导热性能。
发明内容
本发明的目的是提供以石墨烯作为金刚石/金属的界面的复合材料来解决目前金属基金刚石复合材料的界面结构问题。该方法提供了一个很好的思路解决了导热导电复合材料的界面问题。具有较高的创新性，较高的探索价值。并且获得的复合材料可以作为高导热的电子封装材料。
本发明所提供的是一种金刚石/石墨烯/金属的复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备含碳高分子溶液，如丝蛋白溶液，葡萄糖溶液等；
(2)将金刚石在0.5mol/L的稀硫酸浸泡30min，烘干。然后在0.5mol/L的氢氧化钠溶液中浸泡30min，去除金刚石的杂质，烘干后在去离子水中超声30min，去除残留的酸碱溶液，烘干20min。以上烘干均是在真空中进行，干燥的温度为90℃；
(3)取步骤(1)制备好的溶液定量加入于铜粉中，用移液枪每次加0.5ml到金属粉末中，在研钵中充分研磨，在真空干燥箱中烘干；
(4)将步骤(3)中处理好的金属/高分子混合材料与步骤(2)处理过的金刚石加入球磨罐中，金刚石的粒径是100μm～300μm，金属/高分子混合材料的质量分数是40％～60％，在球磨机中进行干混粉，球磨速度为225r/min，球磨2h；
(5)将步骤(4)处理好的样品放入自制模具中，利用微波等离子体技术在氮气氛围下处理，随后在氮气的氛围中冷却后取出。
(6)将步骤(5)中制备好的样品放入石墨磨具中，在热压炉中进行热压烧结，热压温度是900～1100℃，压强为30～50MPa,在降温过程中保压至300℃得到金刚石/石墨烯/铜块状复合材料。
与现有的技术相比，本发明的技术效果如下：在金刚石和金属粉末之间形成一种由含碳高分子材料经过微波转化的石墨烯界面层。目前，改善金刚石与金属界面结合的方法主要是通过对金刚石表面金属化或者金属合金化，在金属和金刚石之间形成一种碳化物层来改善金刚石和金属之间的润湿性。本发明利用由一种含碳高分子溶液在一定的制备工艺下转化成石墨烯作为金属和金刚石之间的界面填充层，在微波等离子的处理下，含碳高分子材料转化成石墨烯紧紧包覆在铜颗粒表面，形成了一个良好的铜粉/石墨烯界面结构。同时，金刚石和石墨烯是同素异形体，两者之间的浸润性较好。石墨烯与金刚石在高温高压下，紧密复合在一起，最终形成铜/石墨烯/金刚石复合材料。另外，石墨烯是一种高导热，具有优异性能二维纳米材料，作为金刚石与金属材料之间的界面材料，不仅改善了金刚石和金属之间的润湿性，提高了金刚石/金属复合材料的导热性能。
本发明所使用的主要设备为：微波等离子体炉和热压炉。
附图说明
图1是样品制作过程中的流程图。
图2是热压后的样品的电镜图，从图中看到金刚石均匀分布在铜粉中。金刚石和铜粉紧密结合。
图3是热压后的样品的电镜图和拉曼图，从电镜图中可以看到金刚石、石墨烯、铜粉三种不同结构，石墨烯位于铜粉和金刚石之间，使得金刚石和铜粉紧密结合。从拉曼图中可以看到石墨烯的D峰，G峰和2D峰，以及金刚石的峰。可以看出含碳高分子材料转化成石墨烯后，表现出较好的结晶度。
图4是所测热导数据的示意图。
具体实施方式
下述实施列中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料，试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实例1：
(1)制备含碳高分子材料溶液
本实例采用的是丝素溶液，即将蚕丝放入配比好的碳酸钠溶液中煮沸脱胶，烘干；将烘干后的蚕丝按配比放入溴化锂溶液中进行熔丝；然后将熔丝后的溶液进行透析，最后进行离心得到丝素溶液。
(2)对金刚石的清洗
将金刚石放入0.5mol/L氢氧化钠溶液中超声30min，再在0.5mol/L稀硫酸溶液中超声30min，然后在去离子水中超声10min，最后在真空干燥箱中干燥，干燥温度设置为90℃。
(3)本实例采用的金属粉末为铜粉。取颗粒大小为5μm的铜粉5g放入研钵中，取步骤(1)中得到的丝素溶液4ml，以每次0.5ml加入至研钵中，充分混合均匀之后，放进真空干燥箱中干燥，干燥温度为60℃，干燥时间为10min。然后重复以上过程4次。
(4)将步骤(2)清洗过后的金刚石与步骤(3)中得到的混合粉末按照体积比0.45：0.55的比例放入球磨罐中，转速225r/min，球磨2h。
(5)将步骤(4)得到的金刚石/丝素/铜的混合粉末放入自制的直径为22mm的圆形石英模具中进行压盖。
(6)将步骤(5)中压盖好样品放入等离子体微波炉中。通入氮气，微波功率为1200W，维持1h。
(7)将步骤(6)得到的样品放入石墨模具中，然后将模具放入热压炉中，其中，热压炉的温度是1000℃，压强是50MPa。
由上述实例1可知，本发明设计一种石墨烯作为金刚石/铜之间的界面复合材料的制备，得到了一个直径为22mm，厚度为2mm的圆形薄片，该圆形薄片是一种具有高导热，性能优异的电子封装材料。所测的热导数据如图4所示，热导率达到468W/mk左右。本实例发明制备的氮掺杂的石墨烯作为金刚石/铜的界面填充材料为制备高导热的电子封装材料起到了关键作用。
以上实施例的说明只是帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，是本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是复合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (1)

1.一种金刚石/石墨烯/金属的复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
(1)将含碳高分子材料制成溶液；
(2)取步骤(1)中制备好的溶液分多次加入金属粉末，进行碾磨然后在真空中烘干，烘干后的混合粉末中铜粉的质量分数为80％～99％，含碳高分子材料的质量分数为1％～20％；步骤(1)制备好的溶液分多次均匀加入金属粉末中，在碾钵中充分碾磨5min后在真空干燥箱中烘干10min；
(3)将金刚石与步骤(2)得到的混合粉末放入球磨罐中在球磨机中进行干混粉，金刚石的粒径为100μm～300μm，球磨速度为225r/min，球磨时间2h；
(4)将步骤(3)得到的混合粉末放入自制模具中，利用微波等离子体技术在氮气氛围中微波处理，微波功率为800～1200W，加热时间为30～60min，最后在氮气氛围下冷却，得到金刚石/石墨烯/铜混合粉块；
(5)将步骤(4)中得到的混合粉块放入石墨模具中，在热压炉中进行热压；温度900～1100℃，烧结1h，压力为40～50MPa，随后冷却至室温取出；其中在降温过程中要保压至300℃；混合粉块通过高温高压成型，形成一种以石墨烯为界面的金刚石/石墨烯/铜紧密结合的结构，最后得到金刚石/石墨烯/铜块状。
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