气压浸渗金刚石颗粒增强镁基复合材料及其制备方法技术

一种气压浸渗金刚石颗粒增强镁基复合材料及其制备方法，所述复合材料包括增强体、镁基体，所述增强体为金刚石颗粒，所述镁基体填充在金刚石颗粒的间隙中，所述复合材料具有碳化铬或碳化锆梯度结构的界面层，所述金刚石的平均粒径为200μm～350μm，所述界面层的厚度为50nm～300nm，沿金刚石到镁基体方向所述梯度结构界面层成分为Cr3C2‑

【技术实现步骤摘要】
气压浸渗金刚石颗粒增强镁基复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于金属基复合材料制备领域，具体涉及气压浸渗金刚石颗粒增强镁基复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着现代电子元器件向小型化、集成化、高频化、高功率化极速发展，传统电子封装材料的导热性能已经不能满足其长时间高效稳定的运行。镁基复合材料是以镁或镁合金为基体，向其中添加增强体，用一定方法制备得到的金属基复合材料。在现有的碳增强镁基(C/Mg)复合材料导热性能的研究中，主要的增强体为石墨烯(Graphene)、碳纳米管、碳纤维，但采用上述增强体成本高。
[0003]由于镁的固有导热性较低，金刚石与金属基体之间的浸润性差，现有的金刚石颗粒增强镁基复合材料存在导热性差的问题，无法满足汽车制造、芯片制造、航空航天制造等领域对集成电路系统的导热性能需求。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的解决金刚石与金属基体之间的浸润性差，复合材料导热性能不佳等问题，提出一种气压浸渗金刚石颗粒增强镁基复合材料及其制备方法。
[0005]第一方面，本专利技术提供一种气压浸渗金刚石颗粒增强镁基复合材料，所述复合材料包括增强体、镁基体，所述增强体为金刚石颗粒，所述镁基体填充在金刚石颗粒的间隙中，所述复合材料具有碳化铬梯度结构的界面层，所述金刚石的平均粒径为200μm～350μm，所述界面层的厚度为50nm～300nm，沿金刚石到镁基体方向所述梯度结构界面层成分为Cr3C2‑
Cr7C3，或Cr3C2，或Cr
‑
>Cr3C2，优选为Cr
‑
Cr3C2。
[0006]本专利技术提供一种气压浸渗金刚石颗粒增强镁基复合材料，所述复合材料包括增强体、镁基体，所述增强体为金刚石颗粒，所述镁基体填充在金刚石颗粒的间隙中，所述复合材料具有碳化锆梯度结构的界面层，所述金刚石的平均粒径为200μm～350μm，所述界面层的厚度为50nm～300nm，沿金刚石到镁基体方向所述梯度结构界面层成分为ZrC或Zr
‑
ZrC，优选为Zr
‑
ZrC。
[0007]可选的，所述界面层的厚度为50nm～200nm。
[0008]第二方面，本专利技术提供一种气压浸渗金刚石颗粒增强镁基复合材料的制备方法，其包括如下步骤：
[0009](1)制备镀Cr金刚石增强体颗粒：将金属Cr作为磁控溅射的靶材，以金刚石作为基底，在真空条件下，将带有电荷的离子在电场中加速后去轰击靶材表面，使靶材发生溅射，沉积在金刚石的表面形成镀层，控制溅射的速率和时间来调节Cr镀层的厚度，得到镀层厚度为50nm～300nm镀Cr金刚石增强体颗粒；
[0010](2)制备表面镀覆有Cr的碳化物的金刚石颗粒：将镀Cr金刚石颗粒放入坩埚中，用尺寸与坩埚内径基本一致的高导热高熔点片状分割体将镀Cr金刚石颗粒均匀分成若干层，
然后在保护气的氛围中或真空条件下，将上述坩埚加热并保温，保温后降温得到表面镀覆有Cr的碳化物的金刚石颗粒；
[0011](3)制备复合材料：去除表面镀覆有Cr的碳化物的金刚石颗粒内部的高导热高熔点片状分割体，然后将上述金刚石颗粒填满模具并震实得到增强体预制件，然后将增强体预制件和打磨后的纯镁块依次放入另一坩埚内，然后将该坩埚置于气压浸渗反应釜中加热、加压，得到金刚石颗粒增强镁基复合材料。
[0012]本专利技术提供一种气压浸渗金刚石颗粒增强镁基复合材料的制备方法，其包括如下步骤：
[0013](1)制备镀Zr金刚石增强体颗粒：将金属Zr作为磁控溅射的靶材，以金刚石作为基底，在真空条件下，将带有电荷的离子在电场中加速后去轰击靶材表面，使靶材发生溅射，沉积在金刚石的表面形成镀层，控制溅射的速率和时间来调节Zr镀层的厚度，得到镀层厚度为50nm～300nm镀Zr金刚石增强体颗粒；
[0014](2)制备表面镀覆有Zr的碳化物的金刚石颗粒：将镀Zr金刚石颗粒放入坩埚中，用尺寸与坩埚内径基本一致的高导热高熔点片状分割体将镀Zr金刚石颗粒均匀分成若干层，然后在保护气的氛围中或真空条件下，将上述坩埚加热并保温，保温后降温得到表面镀覆有Zr的碳化物的金刚石颗粒；
[0015](3)制备复合材料：去除表面镀覆有Zr的碳化物的金刚石颗粒内部的高导热高熔点片状分割体，然后将上述金刚石颗粒填满模具并震实得到增强体预制件，然后将增强体预制件和打磨后的纯镁块依次放入另一坩埚内，然后将该坩埚置于气压浸渗反应釜中加热、加压，得到金刚石颗粒增强镁基复合材料。
[0016]本专利技术的有益效果：将磁控溅射镀覆技术与气压浸渗技术相结合，通过磁控溅射镀覆在金刚石表面镀覆金属Cr或Zr，并借助热处理方式制备表面镀覆有Cr或Zr的碳化物的金刚石颗粒作为增强体，结合气压浸渗的方式制备的金刚石颗粒增强镁基复合材料，所得的复合材料导热率高，可控的与半导体相匹配的热膨胀系数。采用上述方法制备的复合材料具备导热性好、形状可控、杂质少、纯度高等特点，解决了金刚石与金属润湿性差、导热性能差等问题，能够显著提高集成电路系统的导热性能，且操作便捷、成本低廉，可行性高。
[0017]在制备表面镀覆有Cr或Zr的碳化物的金刚石颗粒阶段，采用尺寸与坩埚内径基本一致的高导热高熔点片状分割体将镀Cr或Zr金刚石颗粒均匀分成若干层，使金刚石受热的温度场更加均匀。
[0018]可选的，步骤(1)中金刚石颗粒的平均粒径200μm～350μm。
[0019]采用上述可选方案的有益技术效果：采用该粒径的金刚石颗粒，所制备的复合材料导热性好。
[0020]可选的，步骤(1)中磁控溅射设备的电流为0.8～1.5A，电压为400～600V，靶材尺寸为φ200
×
5mm，真空度为3
×
10
‑1MPa，温度为480℃～520℃，磁控溅射时间为100min～400min，所述磁控溅射速率为0.2～0.8nm/min。
[0021]采用上述可选方案的有益技术效果：在磁控溅射镀阶段通过合理设置溅射的速率及时间来获得控制Cr或Zr镀层的厚度，最终使金刚石的表面形成50nm～200nm厚度的镀层。
[0022]可选的，步骤(2)中在坩埚中加热的温度为950℃～1200℃，保温时间为15min～40min。
[0023]采用上述可选方案的有益技术效果：采用尺寸与坩埚内径基本一致的高导热高熔点片状分割体将镀Cr金刚石颗粒均匀分成若干层，同时对不同镀层厚度的镀Cr金刚石颗粒调控热处理温度和时间，采用上述热处理温度和保温时间，可在金刚石表面形成单一的铬的碳化物层，进而提高金刚石与镁基体的界面结合，以及所制备的复合材料的导热率。高于1200℃容易导致镀层开裂，削弱金刚石与镁基体间的界面结合，进而影响镁基复合材料的导热性能。
[0024]可选的，步骤(2)中在坩埚中加热的温度为950℃～1150℃，保温时间为20min～30min。
[0025]采用上述可选方案的有益技术效果：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气压浸渗金刚石颗粒增强镁基复合材料，其特征在于，所述复合材料包括增强体、镁基体，所述增强体为金刚石颗粒，所述镁基体填充在金刚石颗粒的间隙中，所述复合材料具有碳化铬梯度结构的界面层，所述金刚石的平均粒径为200μm～350μm，所述界面层的厚度为50nm～300nm，沿金刚石到镁基体方向所述梯度结构界面层成分为Cr3C2‑
Cr7C3，或Cr3C2，或Cr
‑
Cr3C2，优选为Cr
‑
Cr3C2。2.一种气压浸渗金刚石颗粒增强镁基复合材料，其特征在于，所述复合材料包括增强体、镁基体，所述增强体为金刚石颗粒，所述镁基体填充在金刚石颗粒的间隙中，所述复合材料具有碳化锆梯度结构的界面层，所述金刚石的平均粒径为200μm～350μm，所述界面层的厚度为50nm～300nm，沿金刚石到镁基体方向所述梯度结构界面层成分为ZrC或Zr
‑
ZrC，优选为Zr
‑
ZrC。3.根据权利要求1或2所述的气压浸渗金刚石颗粒增强镁基复合材料，其特征在于，所述界面层的厚度为50nm～200nm。4.一种根据权利要求1、3中任一项所述的气压浸渗金刚石颗粒增强镁基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)制备镀Cr金刚石增强体颗粒：将金属Cr作为磁控溅射的靶材，以金刚石作为基底，在真空条件下，将带有电荷的离子在电场中加速后去轰击靶材表面，使靶材发生溅射，沉积在金刚石的表面形成镀层，控制溅射的速率和时间来调节Cr镀层的厚度，得到镀层厚度为50nm～300nm镀Cr金刚石增强体颗粒；(2)制备表面镀覆有Cr的碳化物的金刚石颗粒：将镀Cr金刚石颗粒放入坩埚中，用尺寸与坩埚内径基本一致的高导热高熔点片状分割体将镀Cr金刚石颗粒均匀分成若干层，然后在保护气的氛围中或真空条件下，将上述坩埚加热并保温，保温后降温得到表面镀覆有Cr的碳化物的金刚石颗粒；(3)制备复合材料：去除表面镀覆有Cr的碳化物的金刚石颗粒内部的高导热高熔点片状分割体，然后将上述金刚石颗粒填满模具并震实得到增强体预制件，然后将增强体预制件和打磨后的纯镁块依次放入另一坩埚内，然后将该坩埚置于气压浸渗反应釜中加热、加压，得到金刚石颗粒增强镁基复合材料。5.一种根据权利要求2

【专利技术属性】
技术研发人员：李建伟，严永鑫，唐石，彭仁，周玉华，许晓静，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：