CN115572961B - 一种微波辅助气压浸渗制备金刚石复合材料的方法 - Google Patents

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Abstract

一种微波辅助气压浸渗制备高热导率金刚石/金属基复合材料的方法，涉及一种高热导率金刚石/金属基复合材料的制备方法。为了解决现有气压浸渗方法制备金刚石金属基复合材料反应时间长、工艺繁琐、所制备样件表面质量差的问题。方法：在金刚石颗粒表面均匀镀覆金属镀层，利用微波发生装置产生的电磁场处理镀覆有金属镀层的金刚石颗粒，之后利用电加热体加热块状基体金属至熔点以上，通入惰性气体进行气压浸渗，气压浸渗结束后进行保压阶梯式冷却。本发明界面调控的时间0.1s～1s，真空中金刚石颗粒表面的金属镀层在电磁场中运动发生放电生成界面碳化物，实现了金刚石与基体金属的润湿性改变，实现不使用脱模剂即可脱模，反应程度容易控制。

Description

一种微波辅助气压浸渗制备金刚石复合材料的方法
技术领域
本发明涉及一种高热导率金刚石/金属基复合材料的制备方法。
背景技术
随着各种器件功率和集成度的不断提高，传统导散热材料已逐渐难以满足需求，高导热金刚石/金属基复合材料作为新一代的热管理材料，以其出色的导热性能和较低的热膨胀系数，广泛应用在集成散热片、激光二极管散热基板，固态激光器热沉，CPU热沉或者散热片，高功率电子器件基片(如IGBT基片)，LED和HB-LED散热片，射频和微波封装热沉，微电子封装热沉，高热载电子器件热管理材料等诸多领域，可升级替代传统导热材料，使得器件温升得到大幅下降。
目前制备高质量金刚石金属基复合材料的方法，主要有等离子放电烧结、高压熔渗、气压浸渗等方法。相比于高压熔渗方法，气压浸渗方法可以在MPa级的压力下制备高质量的金刚石金属基复合材料，而无需使用GPa级压力，等离子放电烧结方法制备金刚石增强金属基复合材料的致密度有待提高，气压浸渗方法是目前批量化生产的最佳方法。
现有的气压浸渗方法制备金刚石金属基复合材料的制备周期长，由于金刚石颗粒表面的碳化物的形成过程是靠炉温加热来调控的，因此反应速度慢、耗费的时间长。炉内温度场长时间在高温状态，不止金刚石颗粒表面镀层与金刚石反应形成碳化物，金刚石颗粒表面镀层与模具接触的部分也发生反应，形成碳化物，因此给后续脱模带来了困难。为了方便脱模，需要在模具表面喷涂或者刷涂脱模剂。脱模剂的薄厚及均匀程度直接影响金刚石/金属基复合材料样件的表面质量。
因此急需摸索出一套制备工艺，能够缩短金刚石金属基复合材料的制备周期，简化脱模过程，提高所制备样件的表面质量。
发明内容
本发明是为了解决现有气压浸渗方法制备金刚石金属基复合材料反应时间长、工艺繁琐、所制备样件表面质量差的问题。
本发明微波辅助气压浸渗制备高热导率金刚石/金属基复合材料的方法按照以下步骤进行：
一、筛选金刚石颗粒，依次进行酸洗、碱洗、无水乙醇清洗，并烘干；
二、在金刚石颗粒表面均匀镀覆厚度50～500纳米的金属镀层，得到带有金属镀层的金刚石颗粒，金属镀层表面粗糙度为1～10纳米；镀层导电率在(2～20)×106S/m；
三、将带有金属镀层的金刚石颗粒填装在透波陶瓷模具中得到预制体，将块状金属放置在预制体上方，块状金属和预制体共同放入微波辅助气压浸渗设备的坩埚内，抽真空；透波陶瓷模具中金刚石颗粒的密度为2.0～2.2g/cm3；
四、进行微波放电处理：
利用微波发生装置在微波输出功率为10～20kW的条件下对装有金刚石颗粒的预制体进行放电处理0.1s～1s；放电伴随明显的闪光现象；透波陶瓷模具在微波瞬时放电过程中不发生反应也不发生内部组织结构的变化。
经过微波放电处理之后，金刚石颗粒表面金属镀层的主要形貌特征为起伏较大的花朵状褶皱或者放射状排列的一系列球形颗粒，能够对金刚石颗粒表面的形貌和表面粗糙度进行调控，从而完成金刚石颗粒表面的润湿性的调控和界面层材料组织形态调控；
五、关闭微波发生装置，在惰性气体保护下，利用微波辅助气压浸渗设备中的电加热体将块状基体金属加热至熔点以上100～250℃并保温1～3h；向微波辅助气压浸渗设备内通入惰性气体进行气压浸渗，气压浸渗结束后进行保压阶梯式冷却，最后卸压，即完成；所制备的金刚石/金属基复合材料的热导率在750～1000W/mK。所述惰性气体为氩气；
所述微波辅助气压浸渗设备由炉体、微波发生装置和设置在炉体内部的透波陶瓷坩埚、电加热体和支撑结构构成；支撑结构设置在透波陶瓷坩埚下方用于支撑透波陶瓷坩埚，电加热体设置在与透波陶瓷坩埚上部对应高度的炉体的内壁上；进行气压浸渗时预制体放置在透波陶瓷坩埚的底部，块状金属放置在预制体的上方，微波发生装置的高度与预制体一致；微波发生装置设置在炉体外部与预制体对应高度，微波发生装置包括微波源和波导管，微波源产生的微波能量通过波导管传输至炉体内部；支撑结构通过传动轴与设置在炉体外部的电机的输出轴连接，电机带动支撑结构在微波处理过程中以30～50r/min的速度旋转。
本发明有益效果为：
1、现有的利用电热体加热方法使金刚石与表面金属镀层发生反应的时间为1～5h，本发明将微波发生装置(包括微波源和波导管)集成于气压浸渗炉内部，通过微波放电过程极大地缩短了界面调控的时间，仅需要0.1s～1s，界面调控的时间缩短三至五个数量级；所制备的金刚石/金属基复合材料热导率在750～1000W/mK；
2、本发明利用真空中金属在电磁场中运动发生放电及产生瞬时热效应在金刚石颗粒表面生成界面碳化物，反应时间短、过程可控性好，既能在较短时间内生成均匀的界面碳化物，又避免了金刚石石墨化，实现了通过控制金刚石颗粒在电磁场中的放电来调控金刚石与基体金属的润湿性。
3、现有的金刚石金属基复合材料与模具粘连的原因是金刚石表面的金属镀层与模具发生反应而粘连，本发明由于金刚石颗粒与表面金属镀层在微波电磁场中放电生成碳化物层，金刚石颗粒表面的金属镀层与模具接触时间非常短，几乎不发生反应，因此后续所制备的金刚石金属基复合材料与模具不粘连，可以实现不使用脱模剂即可脱模，所获得的样件表面质量好，同时对模具的损伤也很小。
4、由于本发明采用高温透波陶瓷材料作为模具，因此可以将金刚石颗粒装填入模具之后进行微波处理；微波处理之后进行原位浸渗，避免了金刚石颗粒表面碳化物层在填装过程中发生损伤。
5、本发明反应程度容易控制，反应完成之后导电的金属变成不导电的碳化物，即不会继续放电，反应自动停止，不会出现因加热时间控制不准确而引起的反应过度的问题。
6、本申请与CN111500892B“大尺寸薄片状超高热导率金刚石/铜复合材料的制备方法”的主要区别如下：
界面调控的时间不同。本申请将微波发生装置(包括微波源和波导管)集成于气压浸渗炉内部，通过微波放电过程极大地缩短了界面调控的时间，达到与CN111500892B相近的热导率，本申请通过微波放电处理，使界面调控时间在0.1s～1s，时间缩短了数个数量级，CN111500892B利用电热体加热方法，界面调控的时间需要1～5h，并且通过使用高温透波陶瓷材料作为模具，避免了传统的石墨模具吸收微波的问题。
对脱模的影响不同，由于本申请界面调控步骤时间非常短，金刚石颗粒上的金属镀层与模具几乎不发生反应，因此可以实现不喷脱模剂也可以脱模的效果。CN111500892B界面调控的时间需要1～5h，在此过程中金属镀层会与模具发生反应。因此必须使用脱模剂。
界面调控的原理不同，本申请进行界面调控的原理是微波放电，因此反应程度容易控制，反应完成之后导电的金属变成不导电的碳化物，即不会继续放电，不会出现因加热时间控制不准确出现反应过度的问题。CN111500892B进行界面调控的原理是电阻加热，对界面反应程度的控制主要通过加热时间来控制。
模具高温加热的时间不同。本申请进行界面调控时金刚石颗粒表面金属镀层发生放电，炉内其他位置温度为室温。模具处于高温的时间短，模具损伤小。CN111500892B进行界面调控时，整个炉子内部都长时间处于界面调控的温度(1000～1050℃)。对模具的损伤比较大。
本申请将微波发生器集成于气压浸渗炉内部，使微波放电界面调控步骤与后续气压浸渗步骤可以连续进行，即微波放电界面调控步骤之后不需要降温到室温再进行气压浸渗。
7、本申请与CN112974797B“一种利用微波在金刚石表面制备高结合强度碳化物涂层的方法”的主要区别如下：
所利用的微波的作用不同。本申请利用微波放电在金刚石颗粒表面的金属镀层产生具有花朵状褶皱或者放射状排列的球形颗粒的碳化物特征形貌，改变金刚石颗粒表面的粗糙度，从而实现对表面润湿性的改变。CN112974797B“利用金刚石颗粒表面金属镀层中产生涡流的热量来促进金属原子与碳原子之间的扩散与迁移，在短时间生成致密的碳化物涂层，实现在金刚石表面制备高结合强度碳化物涂层的目的”。
本申请微波放电主要改变的是粗糙度，最主要的物理现象是产生强烈的闪光及放电冲击力，热效应是伴生效应。本发明所得的碳化物与CN112974797B相比表面粗糙度更大，因此对后续的润湿性改善效果更好。本申请中由于金属镀层在金刚石颗粒表面，但金刚石颗粒与颗粒之间有空隙，空隙不导电，因此形成电势差，产生放电。
界面调控的原理不同。本申请利用微波电磁场中的放电对金刚石颗粒表面金属镀层进行润湿性调控，通过功率控制放电的强弱，改变金刚石颗粒表面的粗糙度，从而改变金刚石颗粒与基体金属的润湿性。CN112974797B“利用微波场中的涡流产生的焦耳热使原子迁移”。CN112974797B所述微波处理功率为500～3000W；所述微波处理时间为1～30min。本申请微波输出功率为10～20kW的条件下微波放电处理金刚石颗粒0.1s～1s。本申请与CN112974797B相比功率高且时间短，能够形成表面粗糙度大的碳化物形貌，与基体金属的润湿性更强。
微波场的环境气氛控制不同。本申请放电过程在10-3Pa以上的真空中进行，CN112974797B在保护气氛下进行微波处理。保护气氛或者真空度不够都会导致放电过程不可控，无法对金刚石颗粒表面的粗糙度进行调控，也无法对润湿性进行调控。
附图说明
图1是实施例1中微波放电处理之后金刚石颗粒表面形貌的扫描电镜照片；
图2是实施例1中微波放电处理之前金刚石颗粒表面形貌的扫描电镜照片；
图3是实施例1中微波辅助气压浸渗设备及制备复合材料的过程示意图；
图4是装有金刚石颗粒的预制体；图中a为带有金属镀层的金刚石颗粒；b为透波陶瓷模具；
图5是实施例2中微波放电处理之前金刚石颗粒表面形貌的扫描电镜照片；
图6是实施例2中微波放电处理之后金刚石颗粒表面形貌的扫描电镜照片。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：本实施方式微波辅助气压浸渗制备高热导率金刚石/金属基复合材料的方法按照以下步骤进行：
一、筛选金刚石颗粒，依次进行酸洗、碱洗、无水乙醇清洗，并烘干；
二、在金刚石颗粒表面均匀镀覆厚度50～500纳米的金属镀层，得到带有金属镀层的金刚石颗粒，金属镀层表面粗糙度为1～10纳米；
三、将带有金属镀层的金刚石颗粒填装在透波陶瓷模具中得到预制体，将块状金属放置在预制体上方，块状金属和预制体共同放入微波辅助气压浸渗设备的坩埚内，抽真空；透波陶瓷模具中金刚石颗粒的密度为2.0～2.2g/cm3；
四、进行微波放电处理：
利用微波发生装置在微波输出功率为10～20kW的条件下对装有金刚石颗粒的预制体进行放电处理0.1s～1s；
五、关闭微波发生装置，在惰性气体保护下，利用微波辅助气压浸渗设备中的电加热体将块状基体金属加热至熔点以上100～250℃并保温1～3h；向微波辅助气压浸渗设备内通入惰性气体进行气压浸渗，气压浸渗结束后进行保压阶梯式冷却，最后卸压，即完成；制备的金刚石/金属基复合材料的热导率为750～1000W/mK；
所述微波辅助气压浸渗设备由炉体(6)、微波发生装置(4)和设置在炉体(6)内部的透波陶瓷坩埚(3)、电加热体(5)和支撑结构(7)构成；支撑结构(7)设置在透波陶瓷坩埚(3)下方用于支撑透波陶瓷坩埚(3)，电加热体(5)设置在与透波陶瓷坩埚(3)上部对应高度的炉体(6)的内壁上；进行气压浸渗时预制体(1)放置在透波陶瓷坩埚(3)的底部，块状金属(2)放置在预制体(1)的上方，微波发生装置(4)的高度与预制体(1)一致；微波发生装置(4)设置在炉体(6)外部与预制体(1)对应高度，微波发生装置(4)包括微波源和波导管，微波源产生的微波能量通过波导管传输至炉体(6)内部；支撑结构(7)通过传动轴(8)与设置在炉体(6)外部的电机的输出轴连接，电机带动支撑结构(7)在微波处理过程中以30～50r/min的速度旋转。
本实施方式具备以下有益效果：
1、现有的利用电热体加热方法使金刚石与表面金属镀层发生反应的时间为1～5h，本实施方式仅需要0.1s～1s，界面调控的时间缩短三至五个数量级；所制备的金刚石/金属基复合材料热导率在750～1000W/mK；
2、本实施方式利用真空中非连续薄层金属在电磁场中运动发生放电在金刚石颗粒表面生成界面碳化物，反应时间短、过程可控性好，既能在较短时间内生成均匀的界面碳化物，又避免了金刚石石墨化，实现了通过控制金刚石颗粒在电磁场中的放电来调控金刚石与基体金属的润湿性。非连续薄层金属是指不同的金刚石颗粒表面的金属镀层不连续，因此不同金刚石颗粒表面有电势差。
3、现有的金刚石金属基复合材料与模具粘连的原因是金刚石表面的金属镀层与模具发生反应而粘连，本实施方式由于金刚石颗粒与表面金属镀层在微波电磁场中生成碳化物层，因此后续所制备的金刚石金属基复合材料与模具不粘连，可以实现不使用脱模剂即可脱模，所获得的样件表面质量好。
4、由于本实施方式采用高温透波陶瓷材料作为模具，因此可以将金刚石颗粒装填入模具之后进行微波处理；微波处理之后进行原位浸渗，避免了金刚石颗粒表面碳化物层在填粉过程中发生损伤。
5、本实施方式反应程度容易控制，反应完成之后导电的金属变成不导电的碳化物，即不会继续放电，反应自动停止，不会出现因加热时间控制不准确而引起的反应过度的问题。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述的金刚石颗粒粒径尺寸为100～500μm。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二所述的金属镀层的材质为W、Cr、Mo、Ti、Zr，金属镀层为多晶状态。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二在金刚石颗粒表面均匀镀覆金属镀层的方法为磁控溅射或盐浴镀。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤三抽真空至真空度低于1×10-3Pa。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤三所述透波陶瓷模具为高温透波陶瓷材料，由0～40wt.％的BN与余量的Si3N4组成；高温透波陶瓷材料的介电常数为3～6，孔隙率不超过4％。高温透波陶瓷在微波瞬时放电过程中不发生反应也不发生内部组织结构的变化。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤四所述保压阶梯式冷却的工艺为：在惰性气体保护条件下，当炉内温度高于500℃时以6℃/min的冷却速度冷却；当炉内温度为300～500℃时以5℃/min的冷却速度冷却；当炉内温度为100～300℃时以4℃/min的冷却速度冷却；当炉内温度达到100℃以下时自然冷却至室温。冷却速度通过电加热体加热的方式调节。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤四所述惰性气体压强为0.5～10MPa。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤四所述惰性气体为氩气。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤四所述块状基体金属为纯铜、纯银、纯铝、铜合金、银合金或铝合金。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1：本实施例微波辅助气压浸渗制备高热导率金刚石铜复合材料的方法按照以下步骤进行：
一、筛选金刚石颗粒，酸洗，碱洗，无水乙醇清洗，并烘干；
所述的金刚石颗粒粒径尺寸为100μm；
二、用磁控溅射方法在金刚石颗粒表面均匀镀覆厚度200纳米的金属Ti，镀层导电率为2.5×106S/m；
三、将带有金属Ti镀层的金刚石颗粒填装在含有10wt.％的BN和含有90wt.％的Si3N4的高温透波陶瓷模具(介电常数为3.68，孔隙率为3％)中，将块状金属Cu放置在陶瓷模具上表面，二者共同放入微波辅助气压浸渗设备中，抽真空，真空度低于1×10-3Pa后打开设备中的射频发射器，在以10kW的输出功率下微波放电处理带有金属镀层的金刚石颗粒0.1s，完成金刚石颗粒表面的润湿性调控；
四、在惰性气体保护下将微波辅助气压浸渗设备升温至块状基体Cu金属熔点以上250℃并保温3h；向微波辅助气压浸渗设备内通入压强为7MPa的惰性气体并保压，保压结束后冷却；冷却时惰性气体压强为7MPa，当炉内温度高于500℃时以6℃/min的冷却速度冷却；当炉内温度为300～500℃时以5℃/min的冷却速度冷却；当炉内温度为100～300℃时以4℃/min的冷却速度冷却；当炉内温度达到100℃以下时自然冷却至室温，之后卸压。
所述微波辅助气压浸渗设备由炉体(6)、微波发生装置(4)和设置在炉体(6)内部的透波陶瓷坩埚(3)、电加热体(5)和支撑结构(7)构成；支撑结构(7)设置在透波陶瓷坩埚(3)下方用于支撑透波陶瓷坩埚(3)，电加热体(5)设置在与透波陶瓷坩埚(3)上部对应高度的炉体(6)的内壁上；进行气压浸渗时预制体(1)放置在透波陶瓷坩埚(3)的底部，块状金属(2)放置在预制体(1)的上方，微波发生装置(4)的高度与预制体(1)一致；微波发生装置(4)设置在炉体(6)外部与预制体(1)对应高度，微波发生装置(4)包括微波源和波导管，微波源产生的微波能量通过波导管传输至炉体(6)内部；支撑结构(7)通过传动轴(8)与设置在炉体(6)外部的电机的输出轴连接，电机带动支撑结构(7)在微波处理过程中以30～50r/min的速度旋转。
采用实施例1方法得到的金刚石铜复合材料热导率为850W/mK。通过控制金刚石颗粒在微波电磁场中放电的时间来调控金刚石颗粒表面碳化物的润湿性，以获得高热导率的金刚石金属基复合材料。
图1是实施例1中微波放电处理之后金刚石颗粒表面形貌的扫描电镜照片；图2是实施例1中微波放电处理之前金刚石颗粒表面形貌的扫描电镜照片；可见，100微米的表面镀钛的金刚石颗粒表面在电磁场中放电0.1s后在(111)晶面形成花朵状褶皱特征形貌的碳化钛。图3是实施例1中微波辅助气压浸渗设备及制备复合材料的过程示意图；图中1为装有金刚石颗粒的预制体；2为块状金属；3为透波陶瓷坩埚；4为微波发生装置；5为电加热体；6为炉体；7为支撑结构；步骤a为打开微波射频发射装置对金刚石颗粒进行表面改性的状态，步骤b为金刚石颗粒表面改性结束后电加热体加热气压浸渗炉内块状金属熔化时的状态，步骤c为浸渗完成后气压浸渗炉内块状金属凝固后的状态。图4是装有金刚石颗粒的预制体。
实施例2：本实施例微波辅助气压浸渗制备高热导率金刚石铝复合材料的方法按照以下步骤进行：
一、筛选金刚石颗粒，酸洗，碱洗，无水乙醇清洗，并烘干；
步骤一所述的金刚石颗粒粒径尺寸为100μm；
二、用磁控溅射方法在金刚石颗粒表面均匀镀覆厚度300纳米的金属W，镀层导电率为18.1×106S/m；
三、将带有金属W镀层的金刚石颗粒填装在含有20wt.％的BN和含有80wt.％的Si3N4的高温透波陶瓷模具中(介电常数为4.16，孔隙率为2％)，将块状金属Al放置在陶瓷模具上表面，二者共同放入微波辅助气压浸渗设备中，抽真空，真空度低于1×10-3Pa之后打开设备中的射频发射器，以12kW的输出功率下微波放电处理带有金属镀层的金刚石颗粒0.7s，完成金刚石颗粒表面的润湿性调控；
四、在惰性气体保护下将微波辅助气压浸渗设备升温至块状基体金属Al熔点以上100℃并保温1h；向微波辅助气压浸渗设备内通入5MPa的惰性气体并保压，保压结束后冷却，冷却时惰性气体压强为7MPa，当炉内温度高于500℃时以6℃/min的冷却速度冷却；当炉内温度为300～500℃时以5℃/min的冷却速度冷却；当炉内温度为100～300℃时以4℃/min的冷却速度冷却；当炉内温度达到100℃以下时自然冷却至室温，之后卸压。
所述微波辅助气压浸渗设备与实施例1相同。
采用实施例2方法得到的金刚石铝复合材料热导率为810W/mK。
图5是实施例2中微波放电处理之前金刚石颗粒表面形貌的扫描电镜照片；图6是实施例2中微波放电处理之后金刚石颗粒表面形貌的扫描电镜照片；由图可见，100微米的镀钨的金刚石颗粒表面在电磁场中放电0.7s后在(111)晶面生成颗粒状形貌的碳化钨。
分别对实施例1和2制备的金刚石/铜和金刚石/铝复合材料利用阿基米德排水法测试样品的密度，以及使用水平推杆式热膨胀仪、散射法导热仪分析样品的性能，见表1。
表1
密度(g/cm3) 热膨胀系数(10-6/K) 热导率(W/mK)
实施例1 5.38 6.09 850
实施例2 3.24 7.5 810

Claims (10)

1.一种微波辅助气压浸渗制备高热导率金刚石/金属基复合材料的方法，其特征在于：微波辅助气压浸渗制备高热导率金刚石/金属基复合材料的方法按照以下步骤进行：
一、筛选金刚石颗粒，依次进行酸洗、碱洗、无水乙醇清洗，并烘干；
二、在金刚石颗粒表面均匀镀覆厚度50～500纳米的金属镀层，得到带有金属镀层的金刚石颗粒，金属镀层表面粗糙度为1～10纳米；
三、将带有金属镀层的金刚石颗粒填装在透波陶瓷模具中得到预制体，将块状金属放置在预制体上方，块状金属和预制体共同放入微波辅助气压浸渗设备的坩埚内，抽真空；透波陶瓷模具中金刚石颗粒的密度为2.0～2.2g/cm3；
四、进行微波放电处理：
利用微波发生装置在微波输出功率为10～20kW的条件下对装有金刚石颗粒的预制体进行放电处理0.1s～1s；
五、关闭微波发生装置，在惰性气体保护下，利用微波辅助气压浸渗设备中的电加热体将块状基体金属加热至熔点以上100～250℃并保温1～3h；向微波辅助气压浸渗设备内通入惰性气体进行气压浸渗，气压浸渗结束后进行保压阶梯式冷却，最后卸压，即完成；制备的金刚石/金属基复合材料的热导率为750～1000W/mK；
所述微波辅助气压浸渗设备由炉体(6)、微波发生装置(4)和设置在炉体(6)内部的透波陶瓷坩埚(3)、电加热体(5)和支撑结构(7)构成；支撑结构(7)设置在透波陶瓷坩埚(3)下方用于支撑透波陶瓷坩埚(3)，电加热体(5)设置在与透波陶瓷坩埚(3)上部对应高度的炉体(6)的内壁上；进行气压浸渗时预制体(1)放置在透波陶瓷坩埚(3)的底部，块状金属(2)放置在预制体(1)的上方，微波发生装置(4)的高度与预制体(1)一致；微波发生装置(4)设置在炉体(6)外部与预制体(1)对应高度，微波发生装置(4)包括微波源和波导管，微波源产生的微波能量通过波导管传输至炉体(6)内部；支撑结构(7)通过传动轴(8)与设置在炉体(6)外部的电机的输出轴连接，电机带动支撑结构(7)在微波处理过程中以30～50r/min的速度旋转。
2.根据权利要求1所述的微波辅助气压浸渗制备高热导率金刚石/金属基复合材料的方法，其特征在于：步骤一所述的金刚石颗粒粒径尺寸为100～500μm。
3.根据权利要求1所述的微波辅助气压浸渗制备高热导率金刚石/金属基复合材料的方法，其特征在于：步骤二所述的金属镀层的材质为W、Cr、Mo、Ti、Zr，金属镀层为多晶状态。
4.根据权利要求1所述的微波辅助气压浸渗制备高热导率金刚石/金属基复合材料的方法，其特征在于：步骤二在金刚石颗粒表面均匀镀覆金属镀层的方法为磁控溅射或盐浴镀。
5.根据权利要求1所述的微波辅助气压浸渗制备高热导率金刚石/金属基复合材料的方法，其特征在于：步骤三抽真空至真空度低于1×10-3Pa。
6.根据权利要求1所述的微波辅助气压浸渗制备高热导率金刚石/金属基复合材料的方法，其特征在于：步骤三所述透波陶瓷模具为高温透波陶瓷材料，由0～40wt.％的BN与余量的Si3N4组成；高温透波陶瓷材料的介电常数为3～6，孔隙率不超过4％。
7.根据权利要求1所述的微波辅助气压浸渗制备高热导率金刚石/金属基复合材料的方法，其特征在于：步骤三所述块状基体金属为纯铜、纯银、纯铝、铜合金、银合金或铝合金。
8.根据权利要求1所述的微波辅助气压浸渗制备高热导率金刚石/金属基复合材料的方法，其特征在于：步骤五所述惰性气体为氩气。
9.根据权利要求1所述的微波辅助气压浸渗制备高热导率金刚石/金属基复合材料的方法，其特征在于：步骤五所述保压阶梯式冷却的工艺为：在惰性气体保护条件下，当炉内温度高于500℃时以6℃/min的冷却速度冷却；当炉内温度为300～500℃时以5℃/min的冷却速度冷却；当炉内温度为100～300℃时以4℃/min的冷却速度冷却；当炉内温度达到100℃以下时自然冷却至室温。
10.根据权利要求1所述的微波辅助气压浸渗制备高热导率金刚石/金属基复合材料的方法，其特征在于：步骤五所述惰性气体压强为0.5～10MPa。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116516197B (zh) * 2023-03-23 2024-02-27 哈尔滨工业大学 一种高热导率金刚石/金属复合材料的制备方法
CN116408435B (zh) * 2023-04-12 2023-11-03 哈尔滨工业大学 一种高通量制备金刚石/金属复合材料的方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1053871A (ja) * 1996-08-06 1998-02-24 Toyo Tanso Kk ダイヤモンド被覆炭素部材
CN104313385A (zh) * 2014-11-21 2015-01-28 哈尔滨工业大学 超高导热金刚石/铝复合材料及其制备方法
CN111455205A (zh) * 2020-03-26 2020-07-28 陕西斯瑞新材料股份有限公司 一种具有夹层结构的高导热低膨胀Diamond-Cu复合材料的制备方法
CN112981163A (zh) * 2021-02-05 2021-06-18 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
CN113802180A (zh) * 2021-09-15 2021-12-17 中南大学 一种金刚石/金属基复合材料及其制备方法和应用

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1053871A (ja) * 1996-08-06 1998-02-24 Toyo Tanso Kk ダイヤモンド被覆炭素部材
CN104313385A (zh) * 2014-11-21 2015-01-28 哈尔滨工业大学 超高导热金刚石/铝复合材料及其制备方法
CN111455205A (zh) * 2020-03-26 2020-07-28 陕西斯瑞新材料股份有限公司 一种具有夹层结构的高导热低膨胀Diamond-Cu复合材料的制备方法
CN112981163A (zh) * 2021-02-05 2021-06-18 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
CN113802180A (zh) * 2021-09-15 2021-12-17 中南大学 一种金刚石/金属基复合材料及其制备方法和应用

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
卫陈龙 ; 许磊 ; 张利波 ; 夏仡 ; 顾全超.微波烧结镀铬金刚石/铜复合材料的致密度研究.矿冶.2016,第25卷(第1期),全文. *

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