一種高導(dǎo)熱金剛石-金屬復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種金剛石-金屬復(fù)合材料，具體地所述復(fù)合材料包含金屬基體和金剛石復(fù)合體，其中，所述金剛石復(fù)合體包含金剛石顆粒和復(fù)合于所述金剛石顆粒表面的表面鍍層。本發(fā)明還公開了所述復(fù)合材料的制備方法和用途。該方法簡單，有效可行，成本低，獲得的復(fù)合材料性能優(yōu)異，在電子封裝熱沉領(lǐng)域具有很大的市場前景。
【專利說明】
一種高導(dǎo)熱金剛石-金屬復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及金剛石復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種高導(dǎo)熱金剛石-金屬復(fù)合材料及其制備方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]隨著電子產(chǎn)品的不斷小型化以及高集成高功率發(fā)展，大功率器件運(yùn)行過程中熱損傷導(dǎo)致器件無法正常工作的事件占整個(gè)電子器件損失率的60%以上。因此具有導(dǎo)熱性高、 與電子器件熱膨脹系數(shù)匹配的熱沉材料受到廣泛地關(guān)注。
[0003]以高導(dǎo)熱系數(shù)碳納米管，金剛石為增強(qiáng)相，與Al、Cu、Ag等金屬作為基體的第三代導(dǎo)熱材料正不斷被開發(fā)，但也存在一些問題。對于金剛石-鋁復(fù)合材料而言，大多數(shù)研究者過于注重復(fù)合材料熱導(dǎo)率的提高，忽視了復(fù)合材料制備過程中，易水解相A14C3的生成導(dǎo)致復(fù)合材料在潮濕空氣中界面穩(wěn)定性差最終導(dǎo)致制備的復(fù)合材料無法在實(shí)際中獲得較好的應(yīng)用。對于兩相界面結(jié)合強(qiáng)度較差的金剛石-銅(銀)復(fù)合材料而言，現(xiàn)有制備工藝條件中，往往在二者界面處引入碳化物元素(如8、1、&、111〇、51等)來獲得較好的結(jié)合能力， 但是界面層一般熱導(dǎo)率較低，界面層厚度控制不當(dāng)在一定程度上會影響所制得復(fù)合材料基體的熱導(dǎo)率，從而導(dǎo)致復(fù)合材料熱導(dǎo)率下降。
[0004]綜上所述，本領(lǐng)域迫切需要開發(fā)一種同時(shí)具有高熱導(dǎo)率和高穩(wěn)定性的復(fù)合材料。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種同時(shí)具有尚熱導(dǎo)率和尚穩(wěn)定性的復(fù)合材料。
[0006] 本發(fā)明的第一方面，提供了一種金剛石_金屬復(fù)合材料，所述復(fù)合材料包含金屬基體和與所述金屬基體復(fù)合的金剛石復(fù)合體，其中，
[0007] 所述金剛石復(fù)合體包含金剛石顆粒和復(fù)合于所述金剛石顆粒表面的表面鍍層；
[0008] 所述表面鍍層包含復(fù)合于所述金剛石顆粒表面的碳化硼層和復(fù)合于所述碳化硼層表面的硼層。
[0009] 在另一優(yōu)選例中，所述復(fù)合為化學(xué)鍵結(jié)合。
[0010] 在另一優(yōu)選例中，所述金屬基體選自下組:銅、鋁、銀、或其合金、或其組合。
[0011] 在另一優(yōu)選例中，所述金屬基體的形狀為:顆粒狀、片層狀。
[0012] 在另一優(yōu)選例中，所述金屬基體的粒徑為1-400 ym，較佳地為10 — 100 ym，更佳地為 30 — 80 ym。
[0013] 在另一優(yōu)選例中，所述金剛石復(fù)合體的粒徑為80-520 ym。
[0014]在另一優(yōu)選例中，所述金剛石復(fù)合體的粒徑為100 — 500 ym，較佳地為 150-420 y m，更佳地為 200-400 y m。
[0015] 在另一優(yōu)選例中，所述金剛石復(fù)合體的形狀為顆粒狀。
[0016] 在另一優(yōu)選例中，按所述復(fù)合材料的總體積計(jì)，所述金剛石復(fù)合體的體積百分比為 15 — 85%。
[0017]在另一優(yōu)選例中，按所述復(fù)合材料的總體積計(jì)，所述金剛石復(fù)合體的體積百分比為40 % -85 %，較佳地為45 % -85 %，更佳地為50 % -80 %。
[0018]在另一優(yōu)選例中，所述表面鍍層厚度為l_5000nm。
[0019]在另一優(yōu)選例中，所述表面鍍層厚度為10-3000nm，較佳地為100-2000nm，更佳地為 100-1000nm，最佳地為 100-200nm。
[0020]在另一優(yōu)選例中，所述表面鍍層均勻包覆在所述金剛石顆粒表面。
[0021]在另一優(yōu)選例中，所述表面鍍層中，所述碳化硼層和所述硼層的厚度比為1:200， 較佳地為1:100,更佳地為1:1。
[0022]在另一優(yōu)選例中，所述碳化硼層的厚度為1 一 500nm，較佳地為1 一 50nm，更佳地為 1 — 40nm。
[0023]在另一優(yōu)選例中，所述硼層的厚度為1 一 2000nm，較佳地為1 一 500nm，更佳地為 1 — 80nm〇
[0024]在另一優(yōu)選例中，所述復(fù)合材料具有選自下組的一個(gè)或多個(gè)特征:
[0025]1)當(dāng)金屬基體為鋁時(shí)，所得復(fù)合材料的導(dǎo)熱率彡480W/m ? k ;
[0026]2)當(dāng)金屬基體為鋁時(shí)，所得復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)彡8.3ppm/K ;
[0027]3)當(dāng)金屬基體為銅時(shí)，所得復(fù)合材料的導(dǎo)熱率多528W/m ? K ;
[0028]4)當(dāng)金屬基體為銅時(shí)，所得復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)彡8.8ppm/k ;
[0029]在另一優(yōu)選例中，所述復(fù)合材料中不含水解相。[〇〇3〇]本發(fā)明的第二方面，提供了一種本發(fā)明第一方面所述的復(fù)合材料的制備方法，所述方法包括如下步驟:
[0031]a-1)提供一種由金剛石顆粒，硼原料和有機(jī)溶液組成的均勻混合物A ;
[0032]a-2)在真空下，熱處理所述混合物A，得到金剛石復(fù)合體；
[0033]b-1)提供一種步驟a-2)所得的金剛石復(fù)合體和金屬原料的混合物B ;
[0034]b-2)熱壓燒結(jié)所述混合物B，得到本發(fā)明第一方面所述的復(fù)合材料。
[0035]在另一優(yōu)選例中，所述硼原料為粉末狀、液態(tài)。
[0036]在另一優(yōu)選例中，所述硼原料選自下組:硼粉、硼化物、或其組合。
[0037]在另一優(yōu)選例中，所述硼原料的粒徑為100-50000nm，較佳地為100-20000nm ;更佳地為 l〇〇-l〇〇〇〇nm。
[0038]在另一優(yōu)選例中，所述金剛石顆粒的粒徑為100-500 ym，較佳地為150-400 ym， 更佳地為200-400 ym。
[0039]在另一優(yōu)選例中，所述有機(jī)溶液選自下組:酒精、聚乙烯醇水溶液、聚乙二醇水溶液、或其組合。
[0040]在另一優(yōu)選例中，按所述混合物A的總重量計(jì)，金剛石顆粒的含量為80 — 99wt %; 和/或
[0041]硼原料的含量為l_15wt%。
[0042]在另一優(yōu)選例中，按所述混合物A的總重量計(jì)，金剛石顆粒的含量為85 — 99wt %， 較佳地為85 — 95wt%。
[0043]在另一優(yōu)選例中，按所述混合物A的總重量計(jì)，硼原料的含量為l_12wt%，較佳地為 l-10wt%。
[0044]在另一優(yōu)選例中，所述熱處理溫度為1000-1400°C，較佳地為1000-1350°C，更佳地為 1000-1300°C。
[0045]在另一優(yōu)選例中，在所述熱處理溫度的熱處理時(shí)間為30_300min，較佳地為 30-100min，更佳地為 30-60min。
[0046]在另一優(yōu)選例中，所述真空度彡10 ipa ;較佳地為10 2Pa。
[0047]在另一優(yōu)選例中，所述熱處理在真空碳管爐中進(jìn)行。
[0048]在另一優(yōu)選例中，所述真空碳管爐以加熱速率1_40°C /min加熱到熱處理溫度，較佳地為 5_10°C /min，更佳地為 8_10°C /min。
[0049]在另一優(yōu)選例中，所述混合物B的燒結(jié)溫度為600-2000°C，較佳地為700-1500°C， 更佳地為700-1200 °C。
[0050]在另一優(yōu)選例中，所述混合物B的燒結(jié)時(shí)間為30-300min，較佳地為60-150min，更佳地為 60-120min。
[0051]在另一優(yōu)選例中，所述混合物B熱壓燒結(jié)的壓力為30_150MPa，較佳地為 40-80MPa〇
[0052]在另一優(yōu)選例中，所述模具以5_50°C /min的加熱速率升溫到燒結(jié)溫度，較佳地加熱速率為5-30°C /min，更佳地加熱速率為5-25°C /min。
[0053]本發(fā)明的第三方面，提供了一種制品，所述制品包含本發(fā)明第一方面所述的復(fù)合材料或由本發(fā)明第一方面所述的復(fù)合材料構(gòu)成。
[0054]本發(fā)明的第四方面，提供了一種本發(fā)明第一方面所述的復(fù)合材料的用途，用于制備機(jī)械制品、復(fù)合材料、電子元器件。
[0055]在另一優(yōu)選例中，所述機(jī)械制品選自下組:刀具、磨具、銼刀、砂輪、鋸片、鉆頭。
[0056]在另一優(yōu)選例中，所述電子元器件選自下組:封裝基材、散熱片。
[0057]應(yīng)理解，在本發(fā)明范圍內(nèi)中，本發(fā)明的上述各技術(shù)特征和在下文(如實(shí)施例)中具體描述的各技術(shù)特征之間都可以互相組合，從而構(gòu)成新的或優(yōu)選的技術(shù)方案。限于篇幅，在此不再一一累述?！靖綀D說明】
[0058]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1金剛石復(fù)合體1的SEM圖和EDS能譜圖，其中a)和b)為金剛石復(fù)合體1的SEM圖，c)為金剛石復(fù)合體1的EDS能譜圖。
[0059]圖2a)為本發(fā)明實(shí)施例1的復(fù)合材料1的SEM圖片，圖2b)為本發(fā)明實(shí)施例3的復(fù)合材料3的SEM圖片。
[0060]圖3a)為本發(fā)明實(shí)施例1的復(fù)合材料1的XRD圖片，圖3b)為本發(fā)明實(shí)施例3的復(fù)合材料3的XRD圖片。
[0061]圖4a)和b)為本發(fā)明對比例1的復(fù)合材料C1的SEM圖片，圖4c)為本發(fā)明對比例2的復(fù)合材料C2的SEM圖片。【具體實(shí)施方式】
[0062]本發(fā)明人經(jīng)過長期而深入的研究，意外地發(fā)現(xiàn)對金剛石進(jìn)行表面處理，在其表面鍍碳化硼層和硼層后，再將其與金屬復(fù)合，可制備同時(shí)具有高熱導(dǎo)率、高穩(wěn)定性和低熱膨脹系數(shù)的復(fù)合材料?；谏鲜霭l(fā)現(xiàn)，發(fā)明人完成了本發(fā)明。
[0063]術(shù)語
[0064]如本文所用，術(shù)語“本發(fā)明表面鍍層”、“表面鍍層”或者“碳化物層”可互換使用，均指復(fù)合于所述金剛石顆粒表面的碳化硼層和復(fù)合于所述碳化硼層表面的硼層形成的鍍層。
[0065]金剛石顆粒
[0066]在本發(fā)明中，所述金剛石顆粒沒有特別限制。
[0067]代表性地，所述金剛石的形狀包括(但并不限于):粉狀、塊狀、片狀或膜狀。
[0068]典型地，所述金剛石為天然的或?yàn)榻?jīng)高溫、高壓或化學(xué)氣相沉積生成的。
[0069]在本發(fā)明中，所述金剛石顆粒的粒徑?jīng)]有特別限制，可以是任意尺寸的顆粒。
[0070]具體地，所述金剛石顆粒的粒徑優(yōu)選為100-500 ym，較佳地為150-400 ym，更佳地為 200-400 ym。
[0071]本發(fā)明所用的金剛石顆粒是供本發(fā)明硼化物層生長的基底，同時(shí)也是擴(kuò)散硼原子的載體。在本發(fā)明中，金剛石是硼原子擴(kuò)散不可缺少的載體材料，金剛石由于其晶格參數(shù)的特點(diǎn)，使得硼原子在金剛石表面形成均勻的硼化物層。
[0072]硼原料
[0073]在本發(fā)明中，所述硼原料沒有特別限制。
[0074]代表性地，所述硼原料的形狀包括(但并不限于):粉末狀、液態(tài)。
[0075]代表性地，所述硼原料包括(但并不限于):硼粉、硼化物、或其組合。
[0076]典型地，所述硼原料的粒徑為100-50000nm，較佳地為100-20000nm ;更佳地為 100-10000nm〇
[0077]有機(jī)溶液
[0078]在本發(fā)明中，所述有機(jī)溶液沒有特別限制，可以選用本領(lǐng)域常規(guī)的材料，或者用常規(guī)方法制備，或從市場購買得到。
[0079]代表性地，所述有機(jī)溶液包括(但并不限于):酒精、聚乙烯醇水溶液、聚乙二醇水溶液、或其組合。
[0080]復(fù)合材料
[0081]本發(fā)明提供了一種金剛石-金屬復(fù)合材料，所述復(fù)合材料包含金屬基體和與所述金屬基體復(fù)合的金剛石復(fù)合體，其中，
[0082]所述金剛石復(fù)合體包含金剛石顆粒和復(fù)合于所述金剛石顆粒表面的表面鍍層；
[0083]所述表面鍍層包含復(fù)合于所述金剛石顆粒表面的碳化硼層和復(fù)合于所述碳化硼層表面的硼層。
[0084]在另一優(yōu)選例中，所述復(fù)合為化學(xué)鍵結(jié)合。
[0085]本發(fā)明的金屬基體包括散熱領(lǐng)域可用的金屬(包括純金屬和合金)，沒有特別限制。
[0086]代表性地，所述金屬基體包括(但并不限于):銅、鋁、銀、或其合金、或其組合。
[0087]代表性地，所述金屬基體的形狀包括(但并不限于):顆粒狀、片層狀。
[0088]典型地，所述金屬基體的粒徑優(yōu)選為1-400 y m，較佳地為10 — 100 y m，更佳地為 30 — 80 u m〇
[0089]在本發(fā)明中，所述金剛石復(fù)合體的粒徑?jīng)]有特別限制，優(yōu)選為80-520 ym。
[0090]典型地，所述金剛石復(fù)合體的粒徑為100 — 500 y m，較佳地為150-420 y m，更佳地為 200-400 ym。
[0091]代表性地，所述金剛石復(fù)合體的形狀包括(但并不限于):顆粒狀。
[0092]典型地，按所述復(fù)合材料的總體積計(jì)，所述金剛石復(fù)合體的體積百分比為15 — 85%〇
[0093]具體地，按所述復(fù)合材料的總體積計(jì)，所述金剛石復(fù)合體的體積百分比為 40 % -85 %，較佳地為45 % -85 %，更佳地為50 % -80 %。
[0094]在本發(fā)明中，所述表面鍍層厚度為l_5000nm。
[0095]典型地，所述表面鍍層厚度為10_3000nm，較佳地為100-2000nm，更佳地為 100-1000nm，最佳地為 100-200nm。
[0096]應(yīng)理解，在本發(fā)明中，所述表面鍍層均勻包覆在所述金剛石顆粒表面。
[0097]在另一優(yōu)選例中，所述表面鍍層中，所述碳化硼層和所述硼層的厚度比為1:200， 較佳地為1:100,更佳地為1:1。
[0098]在另一優(yōu)選例中，所述碳化硼層的厚度為1 一 500nm，較佳地為1 一 50nm，更佳地為 1 — 40nm。
[0099]在另一優(yōu)選例中，所述硼層的厚度為1 一 2000nm，較佳地為1 一 500nm，更佳地為 1 — 80nm〇
[0100]應(yīng)理解，在本發(fā)明中，所述硼層的厚度和粗糙度可以通過調(diào)節(jié)參數(shù)控制。
[0101]在另一優(yōu)選例中，所述復(fù)合材料具有選自下組的一個(gè)或多個(gè)特征:
[0102]1)當(dāng)金屬基體為鋁時(shí)，所得復(fù)合材料的導(dǎo)熱率彡480W/m ? k ;[〇1〇3]2)當(dāng)金屬基體為鋁時(shí)，所得復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)彡8.3ppm/K ;
[0104]3)當(dāng)金屬基體為銅時(shí)，所得復(fù)合材料的導(dǎo)熱率多528W/m ? K ;
[0105]4)當(dāng)金屬基體為銅時(shí)，所得復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)< 8.8ppm/k ;
[0106]在另一優(yōu)選例中，所述復(fù)合材料中不含水解相。
[0107]制備方法
[0108]本發(fā)明提供了一種所述的復(fù)合材料的制備方法，所述方法包括如下步驟:
[0109]a-1)提供一種由金剛石顆粒，硼原料和有機(jī)溶液組成的均勻混合物A ;
[0110]a-2)在真空下，熱處理所述混合物A，得到金剛石復(fù)合體；
[0111]b-1)提供一種步驟a-2)所得的金剛石復(fù)合體和金屬原料的混合物B ;
[0112]b-2)熱壓燒結(jié)所述混合物B，得到權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料。
[0113]具體地，按所述混合物A的總重量計(jì)，金剛石顆粒的含量為80 — 99wt % ;和/或
[0114]硼原料的含量為l_15wt%。
[0115]典型地，按所述混合物A的總重量計(jì)，金剛石顆粒的含量為85 — 99wt%，較佳地為 85 — 95wt%。
[0116]典型地，按所述混合物A的總重量計(jì)，硼原料的含量為l_12wt%，較佳地為 l-10wt% 〇
[0117]在本發(fā)明中，所述熱處理時(shí)間、真空度、加熱速率沒有特別限制。
[0118]在另一優(yōu)選例中，所述熱處理溫度為1000-1400°C，較佳地為1000-1350°C，更佳地為 1000-1300°C。
[0119]在另一優(yōu)選例中，在所述熱處理溫度的熱處理時(shí)間為30-300min，較佳地為 30-100min，更佳地為 30-60min。
[0120]在另一優(yōu)選例中，所述真空度< 10 ’a ;較佳地為10 2Pa。[0121 ]在另一優(yōu)選例中，所述熱處理在真空碳管爐中進(jìn)行。
[0122]在另一優(yōu)選例中，所述真空碳管爐以加熱速率1_40°C /min加熱到熱處理溫度，較佳地為 5_10°C /min，更佳地為 8_10°C /min。
[0123]在另一優(yōu)選例中，所述混合物B的燒結(jié)溫度為600-2000°C，較佳地為700-1500°C， 更佳地為700-1200 °C。
[0124]在另一優(yōu)選例中，所述混合物B的燒結(jié)時(shí)間沒有特別限制，優(yōu)選為30-300min，較佳地為60-150min，更佳地為60-120min。
[0125]在另一優(yōu)選例中，所述混合物B熱壓燒結(jié)的壓力沒有特別限制，優(yōu)選為 30-150MPa，較佳地為 40-80MPa。
[0126]在另一優(yōu)選例中，所述模具以5-50°C /min的加熱速率升溫到燒結(jié)溫度，較佳地加熱速率為5-30°C /min，更佳地加熱速率為5-25°C /min。
[0127]應(yīng)用
[0128]本發(fā)明還提供了一種制品，所述制品包含所述的復(fù)合材料或由所述的復(fù)合材料構(gòu)成。
[0129]本發(fā)明還提供了一種所述的復(fù)合材料的用途，用于制備機(jī)械制品、復(fù)合材料、電子元器件。
[0130]代表性地，所述機(jī)械制品包括(但并不限于):刀具、磨具、銼刀、砂輪、鋸片、鉆頭。
[0131]代表性地，所述電子元器件包括(但并不限于):封裝基材、散熱片。
[0132]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下主要優(yōu)點(diǎn):
[0133](1)本發(fā)明所制備的復(fù)合材料界面強(qiáng)度優(yōu)異，穩(wěn)定性好，導(dǎo)熱性能良好。
[0134](2)本發(fā)明所制備的復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)低且可控；
[0135](3)本發(fā)明制備方法簡單易行，工序簡單，設(shè)備要求簡單，成本低，適合工業(yè)化生產(chǎn)操作；
[0136](4)可制備大尺寸復(fù)合材料。
[0137]下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。下列實(shí)施例中未注明具體條件的實(shí)驗(yàn)方法，通常按照常規(guī)條件或按照制造廠商所建議的條件。除非另外說明，否則百分比和份數(shù)按重量計(jì)算。除非特別說明，按常規(guī)方法測試本發(fā)明的復(fù)合材料的密度、導(dǎo)熱率、熱膨脹系數(shù)等性能。
[0138]除非另行定義，文中所使用的所有專業(yè)與科學(xué)用語與本領(lǐng)域熟練人員所熟悉的意義相同。此外，任何與所記載內(nèi)容相似或均等的方法及材料皆可應(yīng)用于本發(fā)明方法中。文中所述的較佳實(shí)施方法與材料僅作示范之用。
[0139]實(shí)施例1
[0140]1.1制備金剛石復(fù)合體1
[0141]將平均粒徑分別為約200 ym的金剛石顆粒，少量硼粉和濃度為5%的聚乙烯醇水溶液混合均勻，形成混合體。其中，按混合體的總重量計(jì)算，B粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，金剛石顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85 %。將混合體放入真空碳管爐中，抽真空至真空度為10 2Pa，以升溫速率為10°C /min升溫至1300°C，保溫60min，然后隨爐冷卻至室溫。將高溫處理過的混合體取出，分別過30目、60目、80目、100目、150目篩，去除過剩的硼粉，獲得表面生長有硼化物層的金剛石復(fù)合體1。
[0142]結(jié)果
[0143]對金剛石復(fù)合體1進(jìn)行表面形貌和成分測試。
[0144]圖1為金剛石復(fù)合體1的SEM圖和EDS能譜圖，從圖1中可以看出，碳化物層均勻包覆在金剛石顆粒表面。
[0145]1.2制備金剛石-鋁復(fù)合材料1
[0146]將經(jīng)前述步驟處理的金剛石復(fù)合體1與高純鋁粉共同混合均勻，按混合后的粉料總重量計(jì)算，鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%。將混合后的粉料在高精密模具中，以升溫速率10°C / min加熱至700°C進(jìn)行燒結(jié)，保溫時(shí)間為60min，壓力為50MPa ;然后隨爐冷卻至室溫，得到金剛石-鋁復(fù)合材料1，其密度為3.2g/cm3,導(dǎo)熱率為560W/m ? K，熱膨脹系數(shù)為8.22ppm/K。
[0147]結(jié)果
[0148]對所得復(fù)合材料1進(jìn)行表面形貌和成分測試。
[0149]圖2a)為復(fù)合材料1的SEM圖片，從圖2a)可以看出，金剛石復(fù)合體1與金屬鋁之間結(jié)合致密，這表明金剛石復(fù)合體1與金屬鋁具有高的致密度和結(jié)合強(qiáng)度。
[0150]圖3a)為復(fù)合材料1的XRD圖片，從圖3a)中可以看出，在復(fù)合材料1中不存在 A14C3水解相，這表明復(fù)合材料1在潮濕空氣中不會發(fā)生水解，可以穩(wěn)定存在。
[0151]實(shí)施例2
[0152]2.1制備金剛石復(fù)合體2
[0153]將平均粒徑分別為約300 ym的金剛石顆粒，少量硼粉和濃度為5%的聚乙二醇水溶液混合均勻，形成混合體。其中，按混合體的總重量計(jì)算，B粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，金剛石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80 %。將上述混合體放入真空碳管爐中，抽真空至真空度為10 2Pa，以升溫速率為10°C /min升溫至1250°C，保溫60min，然后隨爐冷卻至室溫。將高溫處理過的混合體取出，分別過30目、60目、80目、100目、150目篩，去除過剩的硼粉，獲得表面生長有硼化物層的金剛石復(fù)合體2。
[0154]2.2制備金剛石-鋁復(fù)合材料2
[0155]將此前步驟處理得到的金剛石復(fù)合體2放入壓鑄模具中，以25°C /min的速率高頻加熱使模具預(yù)熱到700度后，然后將加熱熔化后的鋁水迅速倒入壓鑄模具中進(jìn)行熱壓，壓力為50MPa，然后隨爐冷卻至室溫，得到金剛石-鋁復(fù)合材料2。按混合后物質(zhì)的總重量計(jì)算，鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%。所得復(fù)合材料2的密度為3.0lg/cm3,導(dǎo)熱率為480W/m ?!(，熱膨脹系數(shù)為8.04ppm/K。
[0156]實(shí)施例3
[0157]3.1制備金剛石復(fù)合體3
[0158]將平均粒徑分別為約300 ym的金剛石顆粒，少量硼粉和濃度為5%的聚乙烯醇水溶液混合均勻，形成混合體。其中，按混合體的總重量計(jì)算，B粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%，金剛石顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80 %。將上述混合體放入真空碳管爐中，抽真空至真空度為10 2Pa，以升溫速率為8°C /min升溫至1300°C，保溫60min，然后隨爐冷卻至室溫。將高溫處理過的混合體取出，分別過30目、60目、80目、100目、150目篩，去除過剩的硼粉，獲得表面生長有硼化物層的金剛石復(fù)合體3。
[0159]3.2制備金剛石-銅復(fù)合材料3
[0160]將經(jīng)前述步驟處理的金剛石復(fù)合體3與高純銅粉共同混合均勻，按混合后的粉料的總重量計(jì)算，銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%。將混合后的粉料在真空熱壓爐模具中以升溫速率 8°C /min加熱至1100°C進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)壓力為45MPa，制得金剛石-銅復(fù)合材料3,其密度為 6.22g/cm3,導(dǎo)熱率為528W/m ? K，熱膨脹系數(shù)為8.794ppm/K。
[0161]結(jié)果
[0162]圖2b)為金剛石-銅復(fù)合材料的SHM圖片，圖中金剛石與銅結(jié)合良好；圖3b)為復(fù)合材料3的XRD圖片，從圖3b)中可以看出，在復(fù)合材料3中不存在其他合金相物質(zhì)。
[0163]實(shí)施例4
[0164]4.1制備金剛石復(fù)合體4
[0165]將平均粒徑分別為約300 ym的金剛石顆粒，少量硼粉和濃度為5%的聚乙二醇水溶液混合均勻，形成混合體。其中，按混合體的總重量計(jì)算，B粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%，金剛石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80 %。將上述混合體放入真空碳管爐中，抽真空至真空度為10 2Pa，以升溫速率為8°C /min升溫至1250°C，保溫60min，然后隨爐冷卻至室溫。將高溫處理過的混合體取出，分別過30目、60目、80目篩，去除過剩的硼粉，獲得表面生長有硼化物層的金剛石復(fù)合體4。
[0166]4.2制備金剛石-銅復(fù)合材料4
[0167]將經(jīng)前述步驟處理的金剛石復(fù)合體4均勻鋪在銅片上，然后再在均勻鋪好的金剛石復(fù)合體4表面放置銅片一層。將所得物放入放電等離子體燒結(jié)爐模具中，以升溫速率 10°C /min加熱至1000°C進(jìn)行燒結(jié)，保溫時(shí)間為60min，燒結(jié)壓力為50MPa，然后隨爐冷卻至室溫，得到金剛石-銅復(fù)合材料4,其密度為6.258g/cm3,導(dǎo)熱率為590W/m ? K，熱膨脹系數(shù)為 8.llppm/K。
[0168]對比例1
[0169]金剛石-鋁復(fù)合材料C1
[0170]將未經(jīng)處理的金剛石粉體與鋁粉在與實(shí)施例1中1.2相同的燒結(jié)條件下燒結(jié)處理得到復(fù)合材料C1。
[0171]圖4a)和b)為原始金剛石粉體與金屬鋁粉復(fù)合所得的復(fù)合材料C1的SEM圖片， 從圖4a)和b)中可以看出鋁粉選擇性地黏附在金剛石表面，導(dǎo)致鋁粉和金剛石顆粒的結(jié)合強(qiáng)度較小。此外，在高溫制備復(fù)合材料過程，復(fù)合材料界面結(jié)合處會有易水解脆性相A14C3 的產(chǎn)生，導(dǎo)致復(fù)合材料Cl在潮濕空氣中界面穩(wěn)定性差。
[0172]對比例2
[0173]金剛石-銅復(fù)合材料C2
[0174]將未經(jīng)處理的金剛石粉體與銅粉在與實(shí)施例3中3.2相同的燒結(jié)條件下燒結(jié)處理得到復(fù)合材料C2。
[0175]圖4 c)為原始的金剛石粉體與金屬銅粉復(fù)合所得的復(fù)合材料C2,從圖4c)中可以看出銅粉與金剛石顆粒之間結(jié)合較差。這是由于金剛石顆粒與金屬銅界面之間幾乎沒有浸潤性，導(dǎo)致所得復(fù)合材料C2結(jié)合性能較差，熱導(dǎo)率較低(248W/m ? K)。
[0176]相比于對比例1和2,經(jīng)本發(fā)明所述方法處理后的金剛石與金屬基體燒結(jié)所得的復(fù)合材料的穩(wěn)定性、結(jié)合強(qiáng)度、熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)均得到明顯的改善和提升，其中熱導(dǎo)率從248W/m ? K升高為528W/m ? K，提升率高達(dá)113 %。
[0177] 在本發(fā)明提及的所有文獻(xiàn)都在本申請中引用作為參考，就如同每一篇文獻(xiàn)被單獨(dú)引用作為參考那樣。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明的上述講授內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種金剛石-金屬復(fù)合材料，其特征在于，所述復(fù)合材料包含金屬基體和與所述金 屬基體復(fù)合的金剛石復(fù)合體，其中，所述金剛石復(fù)合體包含金剛石顆粒和復(fù)合于所述金剛石顆粒表面的表面鍍層；所述表面鍍層包含復(fù)合于所述金剛石顆粒表面的碳化硼層和復(fù)合于所述碳化硼層表 面的硼層。2.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述金屬基體選自下組:銅、鋁、銀、或 其合金、或其組合。3.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述金剛石復(fù)合體的粒徑為 80-520 u m〇4.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，按所述復(fù)合材料的總體積計(jì)，所述金剛 石復(fù)合體的體積百分比為15 — 85%。5.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述表面鍍層厚度為l-5000nm。6.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述復(fù)合材料具有選自下組的一個(gè)或 多個(gè)特征:1)當(dāng)金屬基體為鋁時(shí)，所得復(fù)合材料的導(dǎo)熱率多480W/m ? k ;2)當(dāng)金屬基體為鋁時(shí)，所得復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)彡8.3ppm/K ;3)當(dāng)金屬基體為銅時(shí)，所得復(fù)合材料的導(dǎo)熱率多528W/m ? K ;4)當(dāng)金屬基體為銅時(shí)，所得復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)< 8.8ppm/k。7.—種權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟:a_l)提供一種由金剛石顆粒，硼原料和有機(jī)溶液組成的均勻混合物A ;a-2)在真空下，熱處理所述混合物A，得到金剛石復(fù)合體；b_l)提供一種步驟a-2)所得的金剛石復(fù)合體和金屬原料的混合物B;b-2)熱壓燒結(jié)所述混合物B，得到權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料。8.如權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，按所述混合物A的總重量計(jì)，金剛石顆 粒的含量為80 — 99wt% ;和/或硼原料的含量為l_15wt%。9.一種制品，其特征在于，所述制品包含權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料或由權(quán)利要求1所 述的復(fù)合材料構(gòu)成。10.—種權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料的用途，其特征在于，用于制備機(jī)械制品、復(fù)合材 料、電子元器件。
【文檔編號】C22C26/00GK105986158SQ201510075147
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月12日
【發(fā)明人】馬洪兵, 白華, 江南, 張軍安, 西村仁, 西村一仁, 鄒煌輝
【申請人】中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所, 寧波晶鉆工業(yè)科技有限公司