鍍w金剛石/鋁復合材料的制備方法
【專利摘要】鍍W金剛石/鋁復合材料的制備方法，它涉及一種金屬基復合材料的制備方法。本發(fā)明為了解決金剛石與鋁發(fā)生反應，生成Al4C3，所得復合材料界面結合差、熱導率低的技術問題。本方法如下：一、金剛石顆粒表面鍍W；二、預熱；三、加壓浸滲：用爐內壓力機施加10～15MPa壓力，使熔融鋁浸滲入鍍W金剛石顆粒中，然后以100℃/h的降溫速率降溫到300℃以下，卸載壓力，關閉真空爐，脫膜，得到鍍W金剛石/鋁復合材料；金剛石的體積分數(shù)為55～65％，致密度≧98％，熱導率高達622W/(m·K)，熱膨脹系數(shù)低至7.08×10?6/K，彎曲強度高達304MPa。本發(fā)明屬于復合材料的制備領域。
【專利說明】
鍍W金剛石/鋁復合材料的制備方法
技術領域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種金屬基復合材料的制備方法。
【背景技術】
[0002]信息時代到來，隨著電子技術的飛速發(fā)展，電子元器件的特征尺寸不斷減小，集成電路的集成化程度日益提高，其發(fā)熱量越來越大，由此導致集成電路的工作溫度不斷升高，嚴重影響其工作穩(wěn)定性和安全可靠性。如何有效的散熱，成為電子封裝技術發(fā)展的瓶頸。傳統(tǒng)電子封裝材料已經不能滿足高速發(fā)展中的電子封裝技術對于材料高導熱的需求，開發(fā)高導熱，低密度，熱膨脹系數(shù)匹配，足夠的強度和剛度的新型電子封裝材料迫在眉睫。金剛石具有優(yōu)異的綜合熱物理性能，其熱導率在室溫下為700?2200W/(m.K)，熱膨脹系數(shù)為0.8X 10—6/K，是理想的增強相。鋁的密度低，成本低，通常被選用為基體材料。金剛石顆粒與基體鋁的潤濕性差，無法實現(xiàn)良好界面結合，無法最大程度發(fā)揮金剛石優(yōu)異的熱物理性能。并且，金剛石與鋁發(fā)生反應，生成Al4C3,其性脆、易潮解，對復合材料性能的穩(wěn)定性產生不利影響。所以，改善界面結合，避免有害界面產物的生成，制備出綜合性能優(yōu)異的復合材料，是目前金剛石/鋁復合材料領域中的核心研究問題。
[0003]在金剛石/鋁復合材料制備工藝的改進與開發(fā)方面，傳統(tǒng)擠壓鑄造方法得到的復合材料熱導率過低，放電等離子燒結以及真空熱壓對金剛石的體積分數(shù)有很大限制，無法制備出高體積分數(shù)，高導熱，高致密度的復合材料。并且放電等離子燒結和真空熱壓的工藝流程復雜，成本較高。擠壓浸滲與無壓浸滲雖然成本相對較低，工藝流程相對簡單，但是制備得到的復合材料熱導率也不夠理想。在金剛石顆粒表面改性方面，溶膠凝膠無法無法得到純金屬薄膜，一般得到的是金屬氧化物薄膜，隨后需要在較高的溫度下還原。制備過程工藝復雜繁瑣，成膜率低，且制備的金屬薄膜均勻性較差。文獻8雖然采用磁控濺射方法在金剛石顆粒表面鍍W，但由于用真空熱壓方法制備了復合材料，所以復合材料的導熱性能仍然不夠理想。因此，選擇合適的金剛石顆粒鍍膜方法，并開發(fā)一種工藝流程簡單，成本低，效率高的金剛石/鋁復合材料制備方法十分重要。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明是為了解決金剛石與鋁發(fā)生反應，生成Al4C3，所得復合材料界面結合差，熱導率低的技術問題，提供了一種鍍W金剛石/鋁復合材料的制備方法。
[0005]鍍W金剛石/鋁復合材料的制備方法:
[0006]—、金剛石顆粒表面鍍W:
[0007]采用鎢靶，將經過預處理的金剛石顆粒在磁控濺射氣壓為5 X 10—3?9 X 10—3Pa、濺射電壓為600V、濺射電流為0.9A、濺射溫度為300°C的條件下，濺射90?360min，得到W涂層厚度為50?200nm的鍍W金剛石顆粒；
[0008]二、預熱:將鍍W金剛石顆粒填入模具內，純鋁錠置于坩禍中，將模具和裝有純鋁錠的坩禍置于真空爐中，抽真空，以25°C/min的速度升溫到500°C，保溫20min，然后在1min內升溫到700°C，坩禍中的純鋁錠融化后倒入填有鍍W金剛石顆粒的模具內；
[0009]三、加壓浸滲:用爐內壓力機施加10?15MPa壓力，使熔融鋁浸滲入鍍W金剛石顆粒中，然后以100°c/h的降溫速率降溫到300°C以下，卸載壓力，關閉真空爐，脫膜，得到鍍W金剛石/鋁復合材料；
[0010]所述鍍W金剛石/鋁復合材料中鍍W金剛石顆粒體積分數(shù)為55?65%。
[0011 ]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的主要優(yōu)點:
[0012](I)磁控濺射沉積法得到的W涂層與金剛石顆粒表面的結合力好，致密度高，孔隙少，膜層純度高，均勻性好。磁控濺射過程中的濺射時間可控，由此可以較為精準地控制膜層厚度。
[0013](2)基體鋁與金剛石之間的潤濕性差，往往選擇性粘附在金剛石的{100}晶面，導致復合材料的界面結合差，界面處有孔隙等缺陷，影響復合材料的導熱性能。且基體鋁與金剛石之間的界面產物Al4C3,性脆，易發(fā)生水解，影響復合材料性能的穩(wěn)定性。在金剛石顆粒表面鍍W，不僅改善了金剛石與基體鋁之間的界面結合，避免了鋁的選擇性粘附現(xiàn)象，同時也避免了有害界面產物Al4C3的生成，有利于復合材料性能的穩(wěn)定。且W涂層的厚度僅為50?200nm，改善復合材料界面結合的同時，最大限度減少引入的界面熱阻。
[0014](3)真空壓力浸滲制備復合材料過程中始終保持真空狀態(tài)，避免了氣孔和其他雜質的引入，有充分的保溫保壓時間，以及緩慢的冷卻速度，保證基體鋁的熔融時間足夠長，可以與金剛石達到充分的結合，制備所得的復合材料足夠致密。
[0015]本發(fā)明提供了一種有效改善金剛石/鋁復合材料界面結合，提高復合材料導熱性能的方法，以及一種簡單高效，周期短，成本低的復合材料制備工藝，可以制備出致密度高，導熱性能好的金剛石/鋁復合材料。用本發(fā)明中的方法制備出的復合材料，金剛石的體積分數(shù)為55?65%，致密度^98%，熱導率高達622W/(m.K)，熱膨脹系數(shù)低至7.08 X 10—6/K，彎曲強度高達304MPa。滿足新型電子封裝材料對于高導熱，熱膨脹系數(shù)匹配，足夠強度的需求。
【附圖說明】
[0016]圖1是實驗二步驟一中鍍W金剛石顆粒的SEM圖譜；
[0017]圖2是實驗二步驟一中鍍W金剛石顆粒的XRD圖譜，圖中□表示金剛石顆粒，Λ表示W；
[0018]圖3是實驗二所得鍍W金剛石/鋁復合材料斷裂后的截面SEM圖譜。
【具體實施方式】
[0019]本發(fā)明技術方案不局限于以下所列舉【具體實施方式】，還包括各【具體實施方式】間的任意組合。
[0020]【具體實施方式】一:本實施方式鍍W金剛石/鋁復合材料的制備方法:
[0021]一、金剛石顆粒表面鍍W:
[0022]采用鎢靶，將經過預處理的金剛石顆粒在磁控濺射氣壓為5 X 10—3?9 X 10—3Pa、濺射電壓為600V、濺射電流為0.9A、濺射溫度為300°C的條件下，濺射90?360min，得到W涂層厚度為50?200nm的鍍W金剛石顆粒；
[0023]二、預熱:將W涂層的金剛石顆粒填入模具內，純鋁錠置于坩禍中，將模具和裝有純鋁錠的坩禍置于真空爐中，抽真空，以25°C/min的速度升溫到500°C，保溫20min，然后在1min內升溫到700°C，坩禍中的純鋁錠融化后倒入填有鍍W金剛石顆粒的模具內；
[0024]三、加壓浸滲:用爐內壓力機施加10?15MPa壓力，使熔融鋁浸滲入鍍W金剛石顆粒中，然后以100°c/h的降溫速率降溫到300°C以下，卸載壓力，關閉真空爐，脫膜，得到鍍W金剛石/鋁復合材料；
[0025]所述鍍W金剛石/鋁復合材料中鍍W金剛石顆粒體積分數(shù)為55?65%。
[0026]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是驟一所述鎢靶為純度99.99%的圓形媽革E材，直徑為100mm，厚度為50_。其它與【具體實施方式】一相同。
[0027]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二之一不同的是步驟一所述金剛石顆粒的型號為MBD4型，粒徑為100?200μπι。其它與【具體實施方式】一或二之一相同。
[0028]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一至三之一不同的是步驟一所述磁控濺射氣壓為7 X 10—3Pa。其它與【具體實施方式】一至三之一相同。
[0029]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一至四之一不同的是步驟一所述磁控濺射氣壓為8 X 1-3Pa。其它與【具體實施方式】一至四之一相同。
[0030]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】一至五之一不同的是步驟一所述濺射時間為180min。其它與【具體實施方式】一至五之一相同。
[0031]【具體實施方式】七:本實施方式與【具體實施方式】一至六之一不同的是步驟一所述濺射時間為270min。其它與【具體實施方式】一至六之一相同。
[0032]【具體實施方式】八:本實施方式與【具體實施方式】一至七之一不同的是步驟一所述經過預處理的金剛石顆粒的預處理過程如下:對金剛石顆粒進行清洗，干燥。其它與【具體實施方式】一至七之一相同。
[0033]【具體實施方式】九:本實施方式與【具體實施方式】一至八之一不同的是步驟三中用爐內壓力機施加IlMPa壓力。其它與【具體實施方式】一至八之一相同。
[0034]【具體實施方式】十:本實施方式與【具體實施方式】一至九之一不同的是步驟三中用爐內壓力機施加13MPa壓力。其它與【具體實施方式】一至九之一相同。
[0035]采用下述實驗驗證本發(fā)明效果:
[0036]實驗一:
[0037]鍍W金剛石/鋁復合材料的制備方法:
[0038]一、金剛石顆粒表面鍍W:
[0039]采用純度99.99%、直徑為100mm、厚度為50mm的圓形鎢靶，將粒徑100?200μπι的MBD4型金剛石顆粒進行清洗，干燥，然后在磁控濺射氣壓為5\10—3、濺射電壓為600￥、濺射電流為0.9Α、濺射溫度為300°C的條件下，濺射90?360min，得到W涂層厚度為50m的鍍W金剛石顆粒；
[0040]二、預熱:將鍍W金剛石顆粒填入模具內，純鋁錠置于坩禍中，將模具和裝有純鋁錠的坩禍置于真空爐中，抽真空，以25°C/min的速度升溫到500°C，保溫20min，然后在1min內升溫到700°C，坩禍中的純鋁錠融化后倒入填有鍍W金剛石顆粒的模具內；
[0041]三、加壓浸滲:用爐內壓力機施加1MPa壓力，使熔融鋁浸滲入鍍W金剛石顆粒中，然后以100°c/h的降溫速率降溫到300°C以下，卸載壓力，關閉真空爐，脫膜，得到鍍W金剛石/鋁復合材料；
[0042]所述鍍W金剛石/鋁復合材料中鍍W金剛石顆粒體積分數(shù)為62%，致密度98%，熱導率569W/(m.K)，彎曲強度267Mpa，熱膨脹系數(shù)7.52Χ10—6/Κ。
[0043]實驗二:
[0044]鍍W金剛石/鋁復合材料的制備方法:
[0045]一、金剛石顆粒表面鍍W:
[0046]采用純度99.99%、直徑為100mm、厚度為50mm的圓形鎢靶，將粒徑100?200μπι的MBD4型金剛石顆粒進行清洗，干燥，然后在磁控濺射氣壓為6\10—中&、濺射電壓為60(^、濺射電流為0.9Α、濺射溫度為300°C的條件下，濺射90?360min，得到W涂層厚度為10nm的鍍W金剛石顆粒；
[0047]二、預熱:將鍍W金剛石顆粒填入模具內，純鋁錠置于坩禍中，將模具和裝有純鋁錠的坩禍置于真空爐中，抽真空，以25°C/min的速度升溫到500°C，保溫20min，然后在1min內升溫到700°C，坩禍中的純鋁錠融化后倒入填有鍍W金剛石顆粒的模具內；
[0048]三、加壓浸滲:用爐內壓力機施加12MPa壓力，使熔融鋁浸滲入鍍W金剛石顆粒中，然后以100°c/h的降溫速率降溫到300°C以下，卸載壓力，關閉真空爐，脫膜，得到鍍W金剛石/鋁復合材料；
[0049]所述鍍W金剛石/鋁復合材料中鍍W金剛石顆粒體積分數(shù)為65%，致密度99%，熱導率622W/(m.K)，彎曲強度304Mpa，熱膨脹系數(shù)7.08Χ10—6/Κ。
[0050]實驗三:
[0051 ]鍍W金剛石/鋁復合材料的制備方法:
[0052]一、金剛石顆粒表面鍍W:
[0053]采用純度99.99%、直徑為100mm、厚度為50mm的圓形鎢靶，將粒徑100?200μπι的MBD4型金剛石顆粒進行清洗，干燥，然后在磁控濺射氣壓為7\10—中&、濺射電壓為60(^、濺射電流為0.9Α、濺射溫度為300°C的條件下，濺射90?360min，得到W涂層厚度為150nm的鍍W金剛石顆粒；
[0054]二、預熱:將W涂層的金剛石顆粒填入模具內，純鋁錠置于坩禍中，將模具和裝有純鋁錠的坩禍置于真空爐中，抽真空，以25°C/min的速度升溫到500°C，保溫20min，然后在1min內升溫到700°C，坩禍中的純鋁錠融化后倒入填有鍍W金剛石顆粒的模具內；
[0055]三、加壓浸滲:用爐內壓力機施加14MPa壓力，使熔融鋁浸滲入鍍W金剛石顆粒中，然后以100°c/h的降溫速率降溫到300°C以下，卸載壓力，關閉真空爐，脫膜，得到鍍W金剛石/鋁復合材料；
[0056]所述鍍W金剛石/鋁復合材料中鍍W金剛石顆粒體積分數(shù)為61%，致密度98%，熱導率595W/(m.K)，彎曲強度286Mpa，熱膨脹系數(shù)7.11Χ10—6/Κ。
[0057]實驗四:
[0058]鍍W金剛石/鋁復合材料的制備方法:
[0059]一、金剛石顆粒表面鍍W:
[0060]采用純度99.99%、直徑為100mm、厚度為50mm的圓形鎢靶，將粒徑100?200μπι的MBD4型金剛石顆粒進行清洗，干燥，然后在磁控濺射氣壓為9\10—中&、濺射電壓為60(^、濺射電流為0.9Α、濺射溫度為300°C的條件下，濺射90?360min，得到W涂層厚度為200nm的鍍W金剛石顆粒；
[0061]二、預熱:將鍍W金剛石顆粒填入模具內，純鋁錠置于坩禍中，將模具和裝有純鋁錠的坩禍置于真空爐中，抽真空，以25°C/min的速度升溫到500°C，保溫20min，然后在1min內升溫到700°C，坩禍中的純鋁錠融化后倒入填有鍍W金剛石顆粒的模具內；
[0062]三、加壓浸滲:用爐內壓力機施加15MPa壓力，使熔融鋁浸滲入鍍W金剛石顆粒中，然后以100°c/h的降溫速率降溫到300°C以下，卸載壓力，關閉真空爐，脫膜，得到鍍W金剛石/鋁復合材料；
[0063]所述鍍W金剛石/鋁復合材料中鍍W金剛石顆粒體積分數(shù)為59%，致密度98%，熱導率588W/(m.K)，彎曲強度279Mpa，熱膨脹系數(shù)7.45Χ10—6/Κ。
【主權項】
1.鍍W金剛石/鋁復合材料的制備方法，其特征在于制備方法如下: 一、金剛石顆粒表面鍍W: 采用鎢靶，將經過預處理的金剛石顆粒在磁控濺射氣壓為5 X 10—3?9 X 10—3Pa、濺射電壓為600V、濺射電流為0.9A、濺射溫度為300°C的條件下，濺射90?360min，得到W涂層厚度為50?200nm的鍍W金剛石顆粒； 二、預熱:將鍍W金剛石顆粒填入模具內，純鋁錠置于坩禍中，將模具和裝有純鋁錠的坩禍置于真空爐中，抽真空，以25°C/min的速度升溫到500°C，保溫20min，然后在1min內升溫至|J700°C，坩禍中的純鋁錠融化后倒入填有鍍W金剛石顆粒的模具內； 三、加壓浸滲:用爐內壓力機施加1?15MPa壓力，使熔融鋁浸滲入鍍W金剛石顆粒中，然后以100°C/h的降溫速率降溫到300°C以下，卸載壓力，關閉真空爐，脫膜，得到鍍W金剛石/鋁復合材料； 所述鍍W金剛石/鋁復合材料中鍍W金剛石顆粒體積分數(shù)為55?65%。2.根據(jù)權利要求1所述鍍W金剛石/鋁復合材料的制備方法，其特征在于步驟一所述鎢靶為純度99.99 %的圓形鎢靶材，直徑為I OOmm，厚度為50mm。3.根據(jù)權利要求1所述鍍W金剛石/鋁復合材料的制備方法，其特征在于步驟一所述金剛石顆粒的型號為MBD4型，粒徑為100?200μπι。4.根據(jù)權利要求1所述鍍W金剛石/鋁復合材料的制備方法，其特征在于步驟一所述磁控濺射氣壓為7 X 10—3Pa。5.根據(jù)權利要求1所述鍍W金剛石/鋁復合材料的制備方法，其特征在于步驟一所述磁控濺射氣壓為8 X 10—3Pa。6.根據(jù)權利要求1所述鍍W金剛石/鋁復合材料的制備方法，其特征在于步驟一所述濺射時間為180min。7.根據(jù)權利要求1所述鍍W金剛石/鋁復合材料的制備方法，其特征在于步驟一所述濺射時間為270min。8.根據(jù)權利要求1所述鍍W金剛石/鋁復合材料的制備方法，其特征在于步驟一所述經過預處理的金剛石顆粒的預處理過程如下:對金剛石顆粒進行清洗，干燥。9.根據(jù)權利要求1所述鍍W金剛石/鋁復合材料的制備方法，其特征在于步驟三中用爐內壓力機施加I IMPa壓力。10.根據(jù)權利要求1所述鍍W金剛石/鋁復合材料的制備方法，其特征在于步驟三中用爐內壓力機施加13MPa壓力。
【文檔編號】C22C26/00GK105886849SQ201610457841
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月22日
【發(fā)明人】陳國欽, 代晨, 王平平, 武高輝, 張強, 姜龍濤, 修子揚, 康鵬超, 茍華松
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學