一种片状金刚石增强金属基复合材料及制备方法技术

一种片状金刚石增强金属基复合材料及制备方法，所述的复合材料是在基体金属中设置有金刚石薄片，金刚石薄片与基体金属为冶金结合；其制备方法，是采用熔铸、熔渗、冷压烧结、热压烧结、等离子烧结中的一种工艺，将基体金属或包含表面改性金刚石颗粒的基体金属与金刚石薄片复合，得到金刚石薄片与基体金属冶金结合的片状金刚石增强金属基复合材料。本发明专利技术通过金属基体中分布片状金刚石骨架，并在金属基体中添加一定量的金刚石颗粒，金刚石薄片采用底层金属膜与面层金属膜之间夹装石墨烯层的三明治构成进行表面改性，使该复合材料具有优异的导热性能，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。

【技术实现步骤摘要】
一种片状金刚石增强金属基复合材料及制备方法
本专利技术公开了一种片状金刚石增强金属基复合材料的制备方法，属于复合金刚石材料制备

技术介绍
随着现代电子信息技术的迅速发展，电子元器件的集成度与功耗不断提高，散热问题成为影响电子产品可靠性的关键因素之一。传统的电子封装材料的导热率已经很难满足现代电子器件散热任务的需要。同时，电子产品向小型化、轻量化、复杂化的发展也对电子封装材料提出了更高的要求。近年来，以金刚石为增强相的金属基复合材料，凭借其超高的热导率，可调的热膨胀系数，被誉为是第四代新型电子封装材料。但从目前市场状况来看，并没有得到大规模应用。金刚石颗粒增强金属基复合材料遇到的最大问题是有效的导热网络的形成的困难，并且局限于金刚石颗粒间高的界面热阻，因此往往需要填充大量的金刚石颗粒，才能够使材料导热性有小幅度地提高，且最后的导热性远远低于金刚石的导热性能。例如：金刚石粉/铜复合材料的热导率多为200～600W/(m·K)，要远低于金刚石。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)才能获得较高的导热性能。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。德国科学家ThomasHutsch在文献中阐述了通过粉末冶金法将石墨鳞片与铜进行混合，使用等离子体放电烧结制备石墨鳞片/铜复合材料的方法。所制备的复合材料呈各向异性，在垂直压力方向的平面内展现出了较高的热导率。当石墨鳞片的体积分数为50％时，所制备的复合材料在垂直压力方向的平面上的热导率为550W/(m·K)。WeidenfellerB等研究热导填料填充聚丙烯时发现，复合材料的热导率与填料的分布状态有关。层状云母易定向，当其含量为30％时，复合材料的热导率可由0.27W/mk快速增加到2.7W/mk。掺杂石墨烯的复合材料导热率只有0.4W/mk，而利用拉曼光谱仪测得的连续的石墨烯片层导热率可达5000W/mk。研究表明，高质量金刚石薄膜在其片层方向上的热导率可达1000～2000W/(m·K)，较低的热膨胀系数(1.0～2.0)×10-6K。因此使用金刚石薄片作为增强相与高热导的金属基体进行复合所制备的复合材料有希望获得超高的热导率。化学气相沉积金刚石膜是由含碳活性基团连续生长而成，金刚石晶粒间结合紧密。如能采用CVD金刚石薄片与高导热金属复合制备金刚石/金属基复合材料，CVD金刚石薄片将构成连续的导热通道，产生并联式导热。这种并联结构的复合材料能大量消除传统金刚石/金属基复合材料传热时的热阻界面，有望大幅提高其热导性能。本专利技术人课题组前期的专利技术专利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)将金刚石棒插入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)将金刚石棒插入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。
技术实现思路
本专利技术所要解决的第一个技术问题是提供一种能实现超高导热的片状金刚石增强金属基复合材料。本专利技术所要解决的第二个技术问题提供一种实现该超高导热片状金刚石增强金属基复合材料的制备方法。为解决上述第一个技术问题，本专利技术一种片状金刚石增强金属基复合材料，所述的复合材料是在基体金属中设置有金刚石薄片，金刚石薄片与基体金属为冶金结合。本专利技术一种片状金刚石增强金属基复合材料，所述的金刚石薄片在基体金属中相互平行设置，相对位置均匀排布或随机排布。本专利技术一种片状金刚石增强金属基复合材料，所述的金刚石薄片选自平板状、波浪板状、卷筒状中的任意一种；所述的金刚石薄片为无孔薄片或多孔网板。本专利技术一种片状金刚石增强金属基复合材料，所述的金刚石薄片为自支撑金刚石薄片或包含衬底的衬支撑金刚石薄片；所述衬支撑金刚石薄片的衬底单面或双面覆盖有连续致密的金刚石膜，衬底为金属，金属衬底横断面厚度为0.005～1mm，片状金属衬底材料选自金属钨、钼、铜、钛、银、金中的一种或选自钨合金、钼合金、铜合金、钛合金、银合金、金合金中的一种。本专利技术一种片状金刚石增强金属基复合材料，所述金刚石薄片为表面改性金刚石薄片；所述的表面改性金刚石薄片是在金刚石薄片表面设置有复合膜，复合膜的作用在于改善金刚石与基体金属的湿润性；所述复合膜是在底层金属膜与面层金属膜之间夹装有石墨烯层构成；所述石墨烯膜采用化学气相沉积方法制备，所述底层金属膜或面层金属膜选自Ni膜、Cu膜、NiCu合金膜中的一种，其中：底层金属膜厚度为30～100nm，面层金属膜厚度为3～10μm，石墨烯层厚度为0～10nm。本专利技术一种片状金刚石增强金属基复合材料，所述的基体金属为高导热轻质金属材料，具体是指金属铝、铜、银中的一种或铝合金、铜合金、银合金中的一种。本专利技术一种片状金刚石增强金属基复合材料，在所述的金属基体中还分布有金刚石颗粒，金刚石颗粒粒度为1～200μm；所述的金刚石颗粒与金属基体为冶金结合；所述金刚石颗粒为表面改性金刚石，所述金刚石颗粒占复合材料总体积的百分含量为0～50％；所述的表面改性金刚石是在金刚石颗粒表面镀覆金属膜层；所述金属膜层为与金刚石润湿性好的金属薄膜，具体选自金属铬、钨、钼、镍、钛中的一种金属薄膜；或所述金属膜层为复合膜，所述复合膜由底层与面层组成，所述底层为与金刚石润湿性好的金属薄膜，具体选自金属铬、钨、钼、镍、钛中的一种金属薄膜；所述面层为金属膜，根据金属基体和底层金属特性，构成面层的金属膜选择单层膜或多层膜；金属膜的材料选自与基体金属和/或底层金属润湿性好的金属钒、钨、铜、钛、钼、镍、钴、铝、银中的至少一种金属的单层膜或多层膜。为解决上述第二个技术问题，本专利技术一种片状金刚石增强金属基复合材料的制备方法，首先将表面改性金刚石薄片排布为相互平行的随机分布或均匀分布的金刚石骨架；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，将基体金属与金刚石骨架复合，得到金刚石薄片与基体金属冶金结合的片状金刚石增强金属基复合材料；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基体金属与金刚石骨架复合，得到金刚石薄片与基体金属冶金结合的片状金刚石增强金属基复合材料。本专利技术一种片状金刚石增强金属基复合材料的制备方法，表面改性金刚石薄片为自支撑金刚石片或包含衬底的衬支撑金刚石片；所述自支撑金刚石片采用化学气相沉积方法在片状金属衬底的一个侧面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种片状金刚石增强金属基复合材料，其特征在于：所述的复合材料是在基体金属中设置有金刚石薄片，金刚石薄片与基体金属为冶金结合。

【技术特征摘要】
1.一种片状金刚石增强金属基复合材料，其特征在于：所述的复合材料是在基体金属中设置有金刚石薄片，金刚石薄片与基体金属为冶金结合；所述金刚石薄片为表面改性金刚石薄片；所述的表面改性金刚石薄片是在金刚石薄片表面设置有复合膜；所述复合膜是在底层金属膜与面层金属膜之间夹装有石墨烯层构成。2.根据权利要求1所述的一种片状金刚石增强金属基复合材料，其特征在于：所述的金刚石薄片在基体金属中相互平行设置，相对位置均匀排布或随机排布。3.根据权利要求2所述的一种片状金刚石增强金属基复合材料，其特征在于：所述的金刚石薄片选自平板状、波浪板状、卷筒状中的任意一种；所述的金刚石薄片为无孔薄片或多孔网板。4.根据权利要求3所述的一种片状金刚石增强金属基复合材料，其特征在于：所述的金刚石薄片为自支撑金刚石薄片或包含衬底的衬支撑金刚石薄片；所述衬支撑金刚石薄片的衬底单面或双面覆盖有连续致密的金刚石膜，衬底为金属，金属衬底横断面厚度为0.005~1mm，片状金属衬底材料选自金属钨、钼、铜、钛、银、金中的一种或选自钨合金、钼合金、铜合金、钛合金、银合金、金合金中的一种。5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种片状金刚石增强金属基复合材料，其特征在于：所述石墨烯层采用化学气相沉积方法制备，所述底层金属膜或面层金属膜选自Ni膜、Cu膜、NiCu合金膜中的一种，其中：底层金属膜厚度为30~100nm，面层金属膜厚度为3~10μm，石墨烯层厚度为0.34~10nm。6.根据权利要求5所述的一种片状金刚石增强金属基复合材料，其特征在于：所述的基体金属选自高导热轻质金属材料中的铝、铜、银中的一种或铝合金、铜合金、银合金中的一种。7.根据权利要求6所述的一种片状金刚石增强金属基复合材料，其特征在于：在所述的金属基体中还分布有金刚石颗粒，金刚石颗粒粒度为1~200μm；所述的金刚石颗粒与金属基体为冶金结合；所述金刚石颗粒为表面改性金刚石，所述金刚石颗粒占复合材料总体积的百分含量为0~50%；所述的表面改性金刚石是在金刚石颗粒表面镀覆金属膜层；所述金属膜层选自与金刚石润湿性好的金属薄膜中的铬、钨、钼、镍、钛中的一种金属薄膜；或所述金属膜层为复合膜，所述复合膜由底层与面层组成，所述底层选自与金刚石润湿性好的金属薄膜中金属铬、钨、钼、镍、钛中的一种金属薄膜；所述面层为金属膜，根据金属基体和底层金属特性，构成面层的金属膜选择单层膜或多层膜；金属膜的材料选自与基体金属和/或底层金属润湿性好的金属钒、钨、铜...

【专利技术属性】
技术研发人员：马莉，魏秋平，周科朝，余志明，李志友，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43