一種泡沫金剛石骨架增強鋁基復合材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明公開了一種泡沫金剛石骨架增強鋁基復合材料及其制備方法，屬于金屬復合材料技術領域。
【背景技術】
[0002]隨著信息技術的飛速發(fā)展，電子及半導體器件的集成度不斷增加(如Intel四核處理器i7在270mm2的芯片上集成了約3.71億個晶體管)，使得器件的功率密度越來越大，發(fā)熱量迅速攀升，熱量不及時散出導致的溫升將嚴重影響器件的工作效率和使用壽命。倘若電子封裝材料與半導體芯片之間熱膨脹系數不匹配，器件循環(huán)工作時產生的熱應力易導致器件熱疲勞失效。此外，航空航天及交通運輸業(yè)的快速發(fā)展對材料輕量化的要求也日益迫切。因此，高熱導率、低熱膨脹系數和輕量化是發(fā)展現(xiàn)代電子封裝材料必須考慮的三大核心要素，在國家“十三五”規(guī)劃中被列為國家重點支持的新材料。
[0003]金剛石是自然界中熱導率最高的材料之一(室溫可達2200W/mK)，同時其熱膨脹系數和密度僅為0.8 X 10—6/K和3.52g/cm3，將金剛石作為增強相與高導熱金屬復合，在保證擁有理想熱膨脹系數和低密度的同時，可獲得更為優(yōu)異的導熱性能。在常見的高導熱金屬中，鋁具有低密度(2.7g/cm3)、高熱導率(237W/mK)、低成本、耐腐蝕和易加工等優(yōu)點，是電子封裝領域廣泛使用的一種散熱材料。因此，將金剛石與鋁復合使其兼具高熱導、低熱膨脹和低密度等優(yōu)異的綜合性能，現(xiàn)已成為新一代電子封裝材料的研究熱點。
[0004]金剛石/鋁基復合材料是新一代電子封裝材料的研究熱點，核心是如何提高材料的導熱性能，目前國內外主要研究思路是增加金剛石顆粒含量和改善金剛石顆粒/鋁的復合界面，均取得了較好的效果。然而，此種復合結構中的金剛石顆粒(熱導率1800-2200W/mK)猶如一座座由金屬鋁(Al:237W/mK)連接的導熱孤島，既增加了兩相界面數量，又難產生協(xié)同作用，使金剛石優(yōu)異的導熱性能難以充分發(fā)揮。本發(fā)明的創(chuàng)新思路是在復合材料中構建連續(xù)的金剛石網絡骨架，變高導熱孤島為高導熱通道。然而，對于傳統(tǒng)的顆粒增強型復合材料，網絡互穿結構的制備難度很大，尤其是金剛石網絡結構的制備，高的脆性、高的模量和硬度導致其很難加工成型。
[0005]中國發(fā)明專利CN105112754A提出了一種三維網絡金剛石骨架增強金屬基復合材料及制備方法，其中金屬三維網絡骨架襯底采用機械加工方法制備或采用金屬線編織而成。然而，傳統(tǒng)的機械加工方法屬于多維加工，加工工序多，成本較高。此外，機械加工受制于傳統(tǒng)機械加工手段和設備的束縛，對三維多孔骨架內部孔徑、聯(lián)通性的精細控制難度較大。采用金屬線編織的方法，存在三維孔隙間含有縫隙，且工藝流程復雜等問題。
[0006]本專利選用易于制備且無縫連接的泡沫金屬或泡沫陶瓷或泡沫碳骨架作為襯底，利用化學氣相沉積技術在其表面制備高導熱金剛石膜層，構建出高導熱金剛石三維網絡骨架，再將其與金屬基體復合，使高導熱金剛石與金屬形成雙連通三維網絡互穿結構，使增強相與基體相在空間都保持連續(xù)分布，構成連續(xù)的導熱通道，產生并聯(lián)式導熱，從而弱化復合界面對材料熱學性能的負面影響，既能使增強相作為一個整體充分發(fā)揮導熱效率，又不降低金屬基體在復合材料中的良好塑韌性。同時還可以添加高導熱金剛石粉、石墨烯、碳納米管或降低熱膨脹系數的高導熱陶瓷顆粒如SiC、AlN等中的一種或多種，實現(xiàn)熱學和力學性能的進一步提升。
[0007]通過該方法制得的復合材料可以完整地復制了泡沫金屬的結構，高導熱材料以無縫連接的方式構成一個全連通的整體，以三維網絡的形式均勻低分布于復合材料中，具有優(yōu)異的連續(xù)導熱能力、電荷傳導能力和極低密度，使得復合材料的熱導率、導電率及機械強度相比較傳統(tǒng)復合材料有極大提高，將會是一種很有潛力的新型多功能復合材料，可以廣泛應用于在熱管理、電子、能源、交通等國民經濟領域。

【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明的目的通過化學氣相沉積技術復制泡沫金屬的結構，使高導熱材料以無縫連接的方式構成一個全連通的整體，與鋁基形成網絡互穿結構，使復合材料具有優(yōu)異的連續(xù)導熱能力、電荷傳導能力和極低的密度。
[0009]本發(fā)明泡沫金剛石骨架增強鋁基復合材料，所述復合材料包括增強體、基體材料，所述增強體包括泡沫骨架襯底、金剛石強化層，所述泡沫骨架襯底表面設有金剛石強化層；所述泡沫骨架襯底選自泡沫金屬骨架、泡沫陶瓷骨架、泡沫碳骨架中的至少一種，所述基體材料選自鋁及其合金。
[0010]本發(fā)明泡沫金剛石骨架增強鋁基復合材料，所述泡沫金屬骨架選自泡沫鎳、泡沫銅、泡沫鈦、泡沫鈷、泡沫鎢、泡沫鉬、泡沫鉻、泡沫鐵鎳、泡沫鋁中的一種;所述泡沫陶瓷骨架選自泡沫Al 203、泡沫ZrO2、泡沫Si C、泡沫Si3N4、泡沫BN、泡沫B4C、泡沫A1N、泡沫WC、泡沫Cr7C3中的一種。
[0011]本發(fā)明泡沫金剛石骨架增強鋁基復合材料，所述泡沫骨架襯底中，泡沫孔徑為
0.0l-lOmm，開孔率40-99.9%，泡沫孔洞均勻分布或隨機分布;泡沫骨架為平面結構或三維立體結構。
[0012]本發(fā)明泡沫金剛石骨架增強鋁基復合材料，所述金剛石強化層選自金剛石膜、石墨烯包覆金剛石、碳納米管包覆金剛石、石墨烯/碳納米管包覆金剛石中的一種。
[0013]本發(fā)明泡沫金剛石骨架增強鋁基復合材料，金剛石強化層中，石墨烯包覆金剛石是指在金剛石表面原位生長石墨烯，且石墨烯垂直于金剛石表面形成石墨烯墻；
[0014]碳納米管包覆金剛石是指在金剛石表面原位生長碳納米管，且碳納米管垂直于金剛石表面形成碳納米管林；
[0015]石墨烯/碳納米管包覆金剛石是指在金剛石表面生長石墨烯膜后在催化生長碳納米管林，且石墨烯在金剛石表面鋪展成膜，碳納米管垂直于金剛石和石墨烯表面形成碳納米管林。
[0016]本發(fā)明泡沫金剛石骨架增強鋁基復合材料，基體材料中還添加有強化顆粒，強化顆粒選自高導熱顆粒、超硬耐磨顆粒、導電顆粒中的至少一種;所述高導熱顆粒選自金剛石粉、石墨烯、碳納米管、石墨烯包覆金剛石微球、碳納米管包覆金剛石微球、碳納米管包覆石墨烯中的至少一種;超硬耐磨顆粒選自金剛石粉、SiC、TiC、TiN、AlN、Si3N4、Al203、BN、WC、MoC、Cr7C3中的至少一種;導電顆粒選自石墨、碳納米管、石墨稀中的至少一種。
[0017]本發(fā)明泡沫金剛石骨架增強鋁基復合材料，復合材料中，各組分的體積百分含量為:基體材料10-95%，增強體5-80%，強化顆粒體積分數為0-30%。
[0018]本發(fā)明泡沫金剛石骨架增強鋁基復合材料，增強體中，金剛石強化層體積分數為1-80%，泡沫骨架體積分數為0.1-20%。
[0019]本發(fā)明泡沫金剛石骨架增強鋁基復合材料，在基體中，增強體以單體增強或多體陣列增強，所述多體陣列增強是指增強體以層片狀平行分布或以柱狀平行分布于基體中。
[0020]一種泡沫金剛石骨架增強鋁基復合材料的制備方法，包括下述步驟:
[0021]第一步:增強體的制備
[0022]將泡沫骨架襯底清洗、烘干后，采用化學氣相沉積在泡沫骨架表面原位生長金剛石，得到增強體;沉積參數為:
[0023]沉積金剛石膜:含碳氣體質量流量百分比為0.5-10%;生長溫度為600-1000°(:，生長氣壓為13-1O4Pa;或
[0024]將泡沫骨架襯底清洗、烘干后，采用化學氣相沉積在泡沫骨架表面原位生長石墨烯包覆金剛石、碳納米管包覆金剛石、碳納米管/石墨烯包覆金剛石，沉積過程中在泡沫骨架襯底上施加等離子輔助生長，并通過在襯底底部添加磁場把等離子體約束在泡沫骨架近表面，強化等離子對泡沫骨架表面的轟擊，使石墨烯垂直于泡沫骨架表面生長，形成石墨烯墻，得到增強體;沉積工藝為:
[0025]沉積石墨烯墻:含碳氣體質量流量百分比為0.5-80% ;生長溫度為400-1200°C，生長氣壓為5_105Pa;等離子電流密度為0-50mA/cm2;沉積區(qū)域中磁場強度為100高斯至30特斯拉；
[0026]沉積石墨烯包覆金剛石:首先，采用化學氣相沉積技術在襯底表面沉積金剛石，沉積參數為:含碳氣體質量流量百分比為0.5-10% ;生長溫度為600-1000°C，生長氣壓為13-1O4Pa;然后，再在金剛石表面沉積