適用於寬溫度範圍的高導熱金剛石/銅複合材料及方法

2023-06-12 19:44:51

專利名稱：適用於寬溫度範圍的高導熱金剛石/銅複合材料及方法
技術領域：
本發明涉及一種適用於寬溫度範圍的高導熱金剛石/銅複合材料及方法，特別是適用於寬溫度範圍(40 350K)的高導熱低膨脹金剛石/銅複合材料及其製備方法，屬於熱管理材料製備技術領域。
背景技術：
熱管理材料作為一種重要的功能材料，在裝備製造，電子封裝等領域有著重要的地位。隨著技術的不斷進步，對材料的要求越來越高，不僅要求材料在常溫和日常環境條件下具有高的導熱率，低的熱膨脹係數等性能，而且要求材料在一些極端的環境條件下能滿足使用要求，發揮穩定的性能。在航空航天，低溫電子學，低溫醫學，高溫超導等領域，要求材料在超低溫下，或者在低溫到高溫的循環過程中能保持高的導熱率，有效傳遞熱量。傳統的散熱材料諸如純銅，鋁，以及合金等在常溫下有高的導熱率，但熱膨脹係數較高，不利於與熱沉組件良好接觸，在長期的服役過程中發生熱應力變形等失效行為。為了克服傳統散熱材料熱膨脹係數較高的缺陷，研究人員開發了低熱膨脹係數的W/Cu, Mo/Cu,以及銅基或鋁基的複合材料，這類材料的導熱率在200 300W/mK之間，熱膨脹係數小，能與熱沉組件良好匹配。但導熱率較低，在一些熱量集中的部位，散熱能力有限，無法達到滿意的效果。尤其在低溫等特殊的應用環境下，材料性能出現了一些特殊的變化，應用受到了限制，也影響整個系統的性能穩定性。同時，在航空航天等尖端應用領域，對材料的可靠性要求極高，需要材料在保證良好性能的前提下，服役期間不發生組織破壞，性能下降等失效行為。為了解決以上問題，急需要一種導熱率高，熱膨脹係數適中，密度低的新型熱管理材料，同時在保證以上性能的前提下，能夠實現近終成型，後續加工簡易方便的製備方法
發明內容


本發明為了解決目前所面臨的問題，特別提出了一種適用於寬溫度範圍下的高導熱金剛石/銅複合材料。本發明的適用於寬溫度範圍的高導熱金剛石/銅複合材料，其由增強體、粘結劑和銅基體組成，所述的增強體為一種或兩種不同的金剛石顆粒，所述的銅基體為純銅或銅合金，增強體與粘結劑的體積比為(50 75%): (50 25%)，增強體與銅基體的體積比為(50 75% ): (50 25% )。上述適用於寬溫度範圍的高導熱金剛石/銅複合材料由金剛石增強體和粘結劑製成預製件，將銅基體熔融後澆注在預製件上，經壓力浸滲工藝製成。該材料在較寬的溫度範圍內能保持較高的導熱率，所適用的溫度範圍為40 350K，導熱率能保持在500W/m.K以上。銅基體中，純銅可為電解銅，銅合金可為在純銅中加入鈦、鉻、硼、錳、鐵、鈷和鎳等中的一種或幾種元素的合金。
所述金剛石顆粒為未鍍覆金剛石顆粒，鍍鈦、鉻或銅金屬層金剛石顆粒，或表面粗化處理的金剛石顆粒。不同的金剛石顆粒包括在粒徑、晶型或品級三個方面不同。金剛石顆粒的粒徑尺寸優選為50 500 μ m，晶型有正八面體、六八面體和方形金剛石，品級有MBD6、MBD8、MBD10.MBD12 等。所述粘結劑可為石蠟基粘結劑，且增強體與粘結劑的體積比更優選地為(60 75% ): (40 25% )。本發明還提供了一種能適用於寬溫度範圍(40 350K)高導熱的金剛石/銅複合材料的製備方法。該銅基複合材料由金剛石增強體和粘結劑經預製件的注射成形工藝，製成增強體預製件，將熔融的銅液澆注在增強體預製件上，經壓力浸滲工藝製成。本發明適用於寬溫度範圍的高導熱金剛石/銅複合材料的製備方法，包括如下步驟:(I)預製件的成型工藝:a.將增強體和粘結劑按照體積比為(50 75% ): (50 25% )配製，混合均勻，所述的增強體為一種或兩種不同的金剛石顆粒；b.將混合均勻的粉末在壓機上製備出預製件坯體；c.將預製件坯體在1000 1200°C的氫氣氣氛下進行脫脂，得到預製件；(2)壓力浸滲工藝a.將預製件放入石墨模具中，裝入壓力浸滲爐中抽真空，同時升溫；b.當壓力浸滲爐中真空度達到0.01 IPa，溫度升至1000 1200°C時，將銅基體熔融，倒入石墨模具中，壓滲金屬；所述的銅基體為純銅或銅合金，增強體與銅基體的體積比為(50 75%): (50 25%);c.隨爐冷卻，脫模。銅基體中，純銅可為電解銅，銅合金可為在純銅中加入鈦、鉻、硼、錳、鐵、鈷和鎳等中的一種或幾種元素的合金。所述金剛石顆粒為未鍍覆金剛石顆粒，鍍鈦、鉻或銅金屬層金剛石顆粒，或表面粗化處理的金剛石顆粒。不同的金剛石顆粒包括在粒徑、晶型或品級三個方面不同。金剛石顆粒的粒徑尺寸優選為50 500 μ m，晶型有正八面體、六八面體和方形金剛石，品級有MBD6、MBD8、MBD10.MBD12 等。所述粘結劑可為石蠟基粘結劑，且增強體與粘結劑的體積比更優選地為(60 75% ): (40 25% )。
壓滲金屬時，加壓，壓力滲金屬液至金剛石預製件中；壓力為20MPa 5.5GPa，保壓時間為5 10分鐘。本發明的優點:(I)本發明中金剛石/銅複合材料的導熱率比現有鋁基複合材料，W/Cu, Mo/Cu等高，另外材料本身密度小，熱膨脹係數低，滿足了空天材料輕質的要求，降低了裝配過程中由於熱膨脹係數較大引起的熱應力變形失效，此類金剛石/銅基複合材料將廣泛地應用於低溫製冷，高溫超導等領域。
(2)本發明中所使用金剛石增強體具有不同的粒徑，晶型，品級搭配，可以根據具體需求，靈活選用搭配，製備不同性能需求的金剛石/銅複合材料，實現了材料不同性能要求的可設計。(3)本發明中採用壓力浸滲工藝，可以根據需求靈活選用模具，製備不同尺寸產品，也可以採用近終成型方法，直接獲得所需產品形狀，減少了後續加工工序。本發明的銅基複合材料由增強體和粘結劑經預製件的注射成形工藝，製成增強體預製件；將熔融的銅基體澆注在金剛石預製件上，經壓力浸滲工藝製成。採用壓力浸滲工藝製備的金剛石/銅複合材料可以適用於40 350K的較寬溫區。本發明的金剛石銅複合材料在40 350K溫度範圍具有比鑰銅、鎢銅高的熱導率，低的熱膨脹係數，密度較小，是空間製冷環境用散熱材料的良好選擇。


圖1為適用於寬溫度範圍的高導熱金剛石/銅複合材料的製備過程流程圖。
具體實施例方式下面通過具體實施方式
與附圖對本發明做進一步詳細描述，以期能更好的說明本發明的特點，但並不意味著 對本發明保護範圍的限制。如圖1所示，為本發明適用於寬溫度範圍的高導熱金剛石/銅複合材料的製備過程流程圖。包括如下步驟:將單一金剛石或混雜金剛石顆粒和粘結劑在混料機上混料，然後在壓機上壓制預製件坯體，將預製件坯體在1000 1200°C的氫氣氣氛下脫脂，裝入模具腔，抽真空，升溫，真空度達到0.01 IPa，溫度升至1000 1200°C時，澆注熔融銅基體，20MPa 5.5GPa下壓滲，然後脫模，取出樣品。金剛石顆粒和粘結劑的體積比為(50 75% ): (50 25% )，其中金剛石增強體粒徑尺寸為50 200 μ m,晶型有方形，正八面體，六八面體等，品級有MBD6，MBD8，MBD10，MBD12等；所述金剛石顆粒為未鍍覆顆粒；或鍍鈦，鉻，銅金屬層顆粒；或表面粗化處理金剛石顆粒。銅基體為電解銅或銅中加入鈦，鉻，錳，鐵，鈷，鎳等一種或幾種合金元素的合金，且增強體與銅基體的體積比為(50 75% ): (50 25%)實施例1:原料:金剛石粒徑200 μ m,晶型:六八面體,銅基體:CuCr (Crlwt % )。將金剛石顆粒和石蠟基粘結劑按照體積比為75: 25進行配製；混料機混合均勻，將混合均勻粉末在壓機上製備出預製件坯體；將預製件坯體風乾後在1000°C的氫氣氣氛下進行脫脂和與燒結；將燒結好的預製件放入石墨模具中，裝入壓力浸滲爐中抽真空，同時升溫；真空壓力浸滲爐中真空度達到0.05Pa，溫度升至1150°C時，將銅基體熔融，倒入石墨模具中，5GPa壓滲金屬，保持壓力的時間為5分鐘，增強體與銅基體的體積比為75: 25 ;隨爐冷卻，脫模。製得的複合材料的密度為5.0g/cm3 ;導熱率為:727W/mK(300K) 605W/mK(80K);熱膨脹係數為:4.3ppm/Ko實施例2:原料:金剛石I粒徑:50 μ m,晶型:7K八面體，金剛石2: 100 P m晶型:7K八面體；質量比為:金剛石1:金剛石2體積比:16: 2 ;銅基體:CuCr(Crlwt% )。將金剛石顆粒和石蠟基粘結劑按照體積比為65: 35進行配製；混料機混合均勻，將混合均勻粉末在壓機上製備出預製件坯體；將預製件坯體風乾後在900°C的氫氣氣氛下進行脫脂和與燒結；將燒結好的預製件放入石墨模具中，裝入壓力浸滲爐中抽真空，同時升溫；真空壓力浸滲爐中真空度達到0.0lPa，溫度升至1200°C時，將銅基體熔融，倒入石墨模具中，60MPa壓滲金屬，保持壓力的時間為8分鐘，增強體與銅基體的體積比為65: 35 ;隨爐冷卻，脫模。製得的複合材料的密度為5.2g/cm3 ;導熱率為:659W/mK (300K) 530W/mK (80K);熱膨脹係數為:4.8ppm/Ko實施例3:原料:金剛石粒徑:100μηι,晶型:方形,銅基體:CuCr (Crlwt% )。將金剛石顆粒和石蠟基粘結劑按照體積比為60: 40進行配製；混料機混合均勻，將混合均勻粉末在壓機上製備出預製件坯體；將預製件坯體風乾後在1100°c的氫氣氣氛下進行脫脂和與燒結；將燒結好的預製件放入石墨模具中，裝入壓力浸滲爐中抽真空，同時升溫；真空壓力浸滲爐中真空度達到0.1Pa，溫度升至1200°C時，將銅基體熔融，倒入石墨模具中，50MPa壓滲金屬，保持壓力的時間為10分鐘，增強體與銅基體的體積比為55: 45；隨爐冷卻，脫模。製得的複合材料的密度為5.3g/cm3 ;導熱率為:620W/mK (300K) 500W/mK (80K);熱膨脹係數為:5.2ppm/Ko實施例4:`
原料:金剛石I粒徑:100 U m,晶型:方形；金剛石2粒徑:100 U m晶型:7K八面體，金剛1:金剛石2體積比:2: 8 ;銅基體:CuCo(Co5 wt% )。將金剛石顆粒和石蠟基粘結劑按照體積比為70: 30進行配製；混料機混合均勻，將混合均勻粉末在壓機上製備出預製件坯體；將預製件坯體風乾後在900°C的氫氣氣氛下進行脫脂和與燒結；將燒結好的預製件放入石墨模具中，裝入壓力浸滲爐中抽真空，同時升溫；真空壓力浸滲爐中真空度達到0.5Pa，溫度升至100(TC時，將銅基體熔融，倒入石墨模具中，5.5GPa壓滲金屬，保持壓力的時間為5分鐘，增強體與銅基體的體積比為70: 30 ;隨爐冷卻，脫模。製得的複合材料的密度為5.lg/cm3 ;導熱率為:710W/mK (300K) 590W/mK (80K);熱膨脹係數為:4.4ppm/Ko實施例5:原料:金剛石粒徑:100 μ m,晶型:六八面體,銅基體:CuCr (Crlwt % )。將金剛石顆粒和石蠟基粘結劑按照體積比為50: 50進行配製；混料機混合均勻，將混合均勻粉末在壓機上製備出預製件坯體；將預製件坯體風乾後在1000°c的氫氣氣氛下進行脫脂和與燒結；將燒結好的預製件放入石墨模具中，裝入壓力浸滲爐中抽真空，同時升溫；真空壓力浸滲爐中真空度達到IPa，溫度升至1200°C時，將銅基體熔融，倒入石墨模具中，20MPa壓滲金屬，保持壓力的時間為10分鐘，增強體與銅基體的體積比為50: 50 ;隨爐冷卻，脫模。製得的複合材料的密度為5.5g/cm3 ;導熱率為:578W/mK(300K)420W/mK(80K);熱膨脹係數為 :6.2ppm/Ko
權利要求
1.一種適用於寬溫度範圍的高導熱金剛石/銅複合材料，其特徵在於:其由增強體、粘結劑和銅基體組成，所述的增強體為一種或兩種不同的金剛石顆粒，所述的銅基體為純銅或銅合金，增強體與粘結劑的體積比為50 75%: 50 25%，增強體與銅基體的體積比為 50 75%: 50 25%。
2.根據權利要求1所述的適用於寬溫度範圍的高導熱金剛石/銅複合材料，其特徵在於:所述的純銅為電解銅，所述的銅合金為在純銅中加入鈦、鉻、硼、錳、鐵、鈷和鎳中的一種或幾種元素的合金。
3.根據權利要求1所述的適用於寬溫度範圍的高導熱金剛石/銅複合材料，其特徵在於:所述的金剛石顆粒為未鍍覆金剛石顆粒，鍍鈦、鉻或銅金屬層金剛石顆粒，或表面粗化處理的金剛石顆粒。
4.根據權利要求3 所述的適用於寬溫度範圍的高導熱金剛石/銅複合材料，其特徵在於:所述的金剛石顆粒的粒徑為50 500 μ m,晶型為正八面體、六八面體和/或方形金剛石，品級為 MBD6、MBD8、MBDlO 和 / 或 MBD12。
5.根據權利要求1所述的適用於寬溫度範圍的高導熱金剛石/銅複合材料，其特徵在於:所述的粘結劑為石蠟基粘結劑，增強體與粘結劑的體積比為60 75%: 40 25%。
6.權利要求1-5中任一項所述的適用於寬溫度範圍的高導熱金剛石/銅複合材料的製備方法，包括如下步驟: (1)將增強體和粘結劑按比例配製，混合均勻； (2)將混合均勻的粉末在壓機上製備出預製件坯體； (3)將預製件坯體在1000 1200°C的氫氣氣氛下進行脫脂，得到預製件； (4)將預製件放入石墨模具中，裝入壓力浸滲爐中抽真空，同時升溫； (5)當壓力浸滲爐中真空度達到0.01 IPa，溫度升至1000 1200°C時，將銅基體熔融，倒入石墨模具中，壓滲金屬； (6)隨爐冷卻,脫模。
7.根據權利要求6所述的適用於寬溫度範圍的高導熱金剛石/銅複合材料的製備方法，其特徵在於:壓滲金屬時，壓力為20MPa 5.5GPa，保壓時間為5 10分鐘。
全文摘要
本發明涉及一種適用於寬溫度範圍的高導熱金剛石/銅複合材料及方法，屬於熱管理材料製備技術領域。該銅基複合材料由增強體和粘結劑經預製件的注射成形工藝，製成增強體預製件，其中增強體由一種或兩種不同金剛石顆粒混雜組成；將熔融的銅液澆注在金剛石預製件上，其中銅基體為純銅或銅合金，金剛石與銅基體的體積比為(50～75％)∶(50～25％)，經壓力浸滲工藝製成。採用壓力浸滲工藝製備的金剛石/銅複合材料可以適用於40～350K的較寬溫區。本發明的金剛石銅複合材料在40～350K溫度範圍具有比鉬銅、鎢銅高的熱導率，低的熱膨脹係數，密度較小，是空間製冷環境用散熱材料的良好選擇。
文檔編號C22C9/00GK103184363SQ201110448149
公開日2013年7月3日 申請日期2011年12月28日 優先權日2011年12月28日
發明者郭宏, 尹法章, 王光宗, 張習敏, 範葉明, 韓媛媛 申請人:北京有色金屬研究總院