专利名称：一种高体积分数金刚石/铝导热功能复合材料的制备方法
技术领域：
本发明属于复合材料制备技术领域，涉及一种高体积分数金刚石/铝导热功能复合材料的制备方法。
背景技术：
热控是空间遥感器设计中至关重要的技术环节，是直接影响系统精度、可靠性及其寿命的关键因素之一。若将高导热的热控材料用作空间遥感器的光机结构件或器件的载体将会显著减轻系统主动加热温控的负荷，从而降低航空航天光电信息系统的功耗并可提高热控的均勻性、改善热空间环境下的像质。金刚石/铝复合材料是一种高导热、低热膨胀系数的新型金属基热控复合材料。然而，目前我国有关新型轻质金属基热控复合材料的研究工作，金刚石/铝复合材料处于起步阶段。采用粉末冶金法制备的金刚石/铝复合材料普遍致密度较低，复合材料内部缺陷较多，热导率均低于200W/m. K。压力浸渗法制备金刚石/铝复合材料的方法，虽然有较好的致密度，但其导热性能普遍不足300W/m. K，而且该方法设备依赖性大，尺寸限制性大。同类无压浸渗方法中，少数关于金刚石/铝复合材料的报道，也仅是方法的介绍，并没有真正实现高导热金刚石/铝复合材料的可控界面结构制备。总之，金刚石/铝复合材料的制备工艺尚有待完善，界面结构尚需全面深入的研究以及有效的控制方法。
发明内容
本发明的目的是提出一种为了实现金刚石/铝导热功能复合材料的可控界面制备，以提高其综合性能的一种高体积分数金刚石/铝导热功能复合材料的制备方法。本发明的技术解决方案是，制备方法为如下步骤(1)对金刚石颗粒进行前期处理选取颗粒尺寸为63 175 μ m、具有立方八面体结构、品级为MBD4或SMD30的人造金刚石颗粒，并进行盐浴镀镀Ti或镀Cr处理，获得0. 1 0. 3 μ m厚度的表面金属镀层， 盐浴镀的方法采用lmol/L的稀盐酸清洗金刚石颗粒，使其表面粗化，然后将金刚石颗粒在丙酮中浸泡0. 5小时并反复清洗，放入烘箱内加热至180°C干燥池；将金刚石颗粒与250 400目的Ti粉或Cr粉按照堆积体积1 1的比例混合均勻后放入坩埚中，将NaCl和BaCl2 按照质量比1 1 4 1的比例配制成混合盐，覆盖在混有金属粉末的金刚石颗粒上，并保证覆盖完全且覆盖层有5 IOmm厚度；在电阻炉中加热至850 950°C，保温1小时；然后取出混合粉末，将混合粉末放入去离子水中加热煮沸除去混合盐，将余下的粉末烘干，放入180目的筛子中，用振筛机振筛30分钟，将筛上的金刚石粉末用丙酮清洗，干燥；(2)制备高体积分数的金刚石颗粒预制体称取某一重量镀层均勻的金刚石颗粒；根据所要求的体积分数，量取体积为金刚石松装体积0.7 1. 12倍的去离子水，在去离子水中加入占金刚石颗粒质量的1.0%的磷酸铝粉末，搅拌使磷酸铝粉末均勻悬浮后，加入与磷酸铝的摩尔比为0.5 1 2 1的磷酸，加热并搅拌至磷酸铝粉末完全溶解，然后边滴加氨水边搅拌，调节PH至8 10 ；在上述混合液中加入占金刚石颗粒质量0. 8 1. 0%的丙烯酰胺和N，N’ -亚甲基双丙烯酰胺混合物，混合物中丙烯酰胺和N，N’_亚甲基双丙烯酰胺的质量比为10 1 20 1，加入混合液体积0. 2% 0. 6%的25%的四甲基氢氧化铵作为分散剂，混合均勻；将金刚石粉末倒入混合液中，搅拌30分钟。往混合均勻的浆料中加入占浆料质量0. 03% 0. 08%的过硫酸铵和0. 01% 0. 05%的N，N，N’，N’ -四甲基乙二胺，迅速搅拌后，倒入模具，并把模具放入振动设备上振动排气，最后把浆料放入干燥箱中，在60°C下保温1小时，固化后去掉模具。 然后在80°C下继续干燥10小时，把干燥好的预制体放入氮气保护的加热炉中，在750 800°C下加热1小时；(3)采用无压浸渗工艺制备金刚石/铝复合材料将金刚石预制体放入石墨模具中，其上用体积为其1. 2 2. 0倍的Al-Si-Mg系铸造铝合金覆盖，铝合金表面应为光洁的金属表面，无腐蚀和吸附物，将其放入加热炉中，通入压力为0. 6 1. 5MPa的氮气保护，在800 880°C下保温2 10小时。
具体实施例方式下面通过具体的实施例进一步描述本发明的技术方案。(1)对金刚石颗粒进行前期处理选取颗粒尺寸为63 175 μ m(80目-230目)、具有立方八面体结构、品级为MBD4 或SMD30的人造金刚石颗粒，并进行盐浴镀镀Ti或镀Cr处理，获得0. 1 0. 3 μ m厚度的表面金属镀层，盐浴镀的方法采用lmol/L的稀盐酸清洗金刚石颗粒，使其表面粗化，然后将金刚石颗粒在丙酮中浸泡0. 5小时并反复清洗，放入烘箱内加热至180°C干燥池；将金刚石颗粒与250 400目的Ti粉或Cr粉按照堆积体积1 1的比例混合均勻后放入坩埚中，将NaCl和BaCl2按照质量比1 1 4 1的比例配制成混合盐，覆盖在混有金属粉末的金刚石颗粒上，并保证覆盖完全且覆盖层有5 IOmm厚度；在电阻炉中加热至850 950°C，保温1小时；然后取出混合粉末，将混合粉末放入去离子水中加热煮沸除去混合盐， 将余下的粉末烘干，放入180目的筛子中，用振筛机振筛30分钟，将筛上的金刚石粉末用丙酮清洗，干燥；(2)制备高体积分数的金刚石颗粒预制体称取某一重量镀层均勻的金刚石颗粒；根据所要求的体积分数，量取体积为金刚石松装体积0.7 1. 12倍的去离子水，在去离子水中加入占金刚石颗粒质量的1.0%的磷酸铝粉末，搅拌使磷酸铝粉末均勻悬浮后，加入与磷酸铝的摩尔比为0.5 1 2 1的磷酸，加热并搅拌至磷酸铝粉末完全溶解，然后边滴加氨水边搅拌，调节PH至8 10 ；在上述混合液中加入占金刚石颗粒质量0. 8 1. 0%的丙烯酰胺和N，N’ -亚甲基双丙烯酰胺混合物，混合物中丙烯酰胺和N，N’_亚甲基双丙烯酰胺的质量比为10 1 20 1，加入混合液体积0. 2% 0.6%的25%的四甲基氢氧化铵作为分散剂，混合均勻；将金刚石粉末倒入混合液中，搅拌30分钟。往混合均勻的浆料中加入占浆料质量0. 03% 0. 08%的过硫酸铵和0. 01% 0. 05%的N，N，N’，N’ -四甲基乙二胺，迅速搅拌后，倒入模具，并把模具放入振动设备上振动排气。最后把浆料放入干燥箱中，在60°C下保温1小时，固化后去掉模具。然后在80°C下继续干燥10小时。把干燥好的预制体放入氮气保护的加热炉中，在750 800°C下加热1小时；(3)采用无压浸渗工艺制备金刚石/铝复合材料将金刚石预制体放入石墨模具中，其上用体积为其1. 2 2. 0倍的Al-Si-Mg系铸造铝合金覆盖，铝合金表面应为光洁的金属表面，无腐蚀和吸附物，将其放入加热炉中，通入压力为0. 6 1. 5MPa的氮气保护，在800 880°C下保温2 10小时。实施例1 (1)称取 300g 颗粒尺寸为 91-106μπι(140/170 目)或 106-125 μ m(120/140 目)、 具有立方八面体结构、品级为SMD30或MBD4的人造金刚石颗粒，用lmol/L的稀盐酸清洗。 将金刚石颗粒在丙酮中浸泡0. 5小时并反复清洗，放入烘箱内加热至180°C干燥池。然后将金刚石粉末与400目的Ti粉按照堆积体积1 1的比例混合均勻后放入100X 100 X 60mm 的坩埚中，将160gNaCl和85gBaCl2混合均勻配制成混合盐，覆盖在混有金属粉末的金刚石颗粒上。在电阻炉中加热至950°C，保温1小时。然后取出粉末，将粉末放入去离子水中加热煮沸，除去混合盐后，将余下的粉末烘干，放入180目的筛子中，用振筛机振筛30分钟，将筛上的金刚石粉末用丙酮清洗，干燥；(2)称取270g镀层均勻的金刚石颗粒，量取体积为SOmL去离子水，在去离子水中加入1. 3mL85%的浓磷酸，搅拌均勻后，再加入3g磷酸铝粉末，加热并搅拌至磷酸铝粉末完全溶解。然后边滴加氨水边搅拌，调节PH至8 10。在此混合液中加入4. 7g丙烯酰胺和 0. 5gN，N’ -亚甲基双丙烯酰胺，加入2mL的25%的四甲基氢氧化铵作为分散剂，混合均勻。 将金刚石粉末倒入混合液中，搅拌30分钟。往混合均勻的浆料中加入0. 3g的过硫酸铵和 ImL的N，N, N’，N’ -四甲基乙二胺，迅速搅拌后，倒入Φ 120X40的模具中，并把模具放入振动设备上振动排气。最后把浆料放入干燥箱中，在60°C下保温1小时，固化后去掉模具。 然后在80°C下继续干燥10小时。把干燥好的预制体放入氮气保护的加热炉中，在800°C下加热1小时；(3)将金刚石预制体放入Φ 120X40石墨模具中，用同样尺寸的坩埚熔炼并浇注 450g铝合金铸锭，将铸锭放在金刚石预制体之上，放入加热炉中，通入压力为1. 5MPa的氮气保护，在880°C下保温4小时，通常根据坩埚的深度增加延长保温时间。实施例2 (1)称取 300g 颗粒尺寸为 150-175 μ m(80/100 目)或 125-150 μ m(100/120 目)、 具有立方八面体结构、品级为SMD30或MBD4的人造金刚石颗粒，用lmol/L的稀盐酸清洗。 将金刚石颗粒在丙酮中浸泡0. 5小时并反复清洗，放入烘箱内加热至180°C干燥池。然后将金刚石粉末与400目的Cr粉按照堆积体积1 1的比例混合均勻后放入100X 100 X 60mm 的坩埚中，将160gNaCl和85gBaC12混合均勻配制成混合盐，覆盖在混有金属粉末的金刚石颗粒上。在电阻炉中加热至950°C，保温1小时。然后取出粉末，将粉末放入去离子水中加热煮沸，除去混合盐后，将余下的粉末烘干，放入180目的筛子中，用振筛机振筛30分钟，将筛上的金刚石粉末用丙酮清洗，干燥。(2)称取270g镀层均勻的金刚石颗粒，量取体积为SOmL去离子水，在去离子水中加入1. 3mL85%的浓磷酸，搅拌均勻后，再加入3g磷酸铝粉末，加热并搅拌至磷酸铝粉末完全溶解。然后边滴加氨水边搅拌，调节PH至8 10。在此混合液中加入4. 7g丙烯酰胺和0.5gN，N’ -亚甲基双丙烯酰胺，加入2mL的25%的四甲基氢氧化铵作为分散剂，混合均勻。 将金刚石粉末倒入混合液中，搅拌30分钟。往混合均勻的浆料中加入0. 4g的过硫酸铵和
1.5mL的N，N，N’，N’-四甲基乙二胺，迅速搅拌后，倒入60 X 60 X 40的模具中，并把模具放入振动设备上振动排气。最后把浆料放入干燥箱中，在60°C下保温1小时，固化后去掉模具。 然后在80°C下继续干燥10小时。把干燥好的预制体放入氮气保护的加热炉中，在800°C下加热1小时。(3)将金刚石预制体放入60 X 60 X 40石墨模具中，用同样尺寸的坩埚熔炼并浇注 450g铝合金铸锭，将铸锭放在金刚石预制体之上，放入加热炉中，通入压力为1. 5MPa的氮气保护，在860°C下保温4小时。实施例3 (1)称取 300g 颗粒尺寸为 63/75 μ m(200/230 目)或 75-91 μ m(170/200 目)、具有立方八面体结构、品级为SMD30的人造金刚石颗粒，用lmol/L的稀盐酸清洗。将金刚石颗粒在丙酮中浸泡0. 5小时并反复清洗，放入烘箱内加热至180°C干燥池。然后将金刚石粉末与400目的Cr粉按照堆积体积1 1的比例混合均勻后放入100 X 100 X 60mm的坩埚中，将120gNaCl和120gBaCl2混合均勻配制成混合盐，覆盖在混有金属粉末的金刚石颗粒上。在电阻炉中加热至900°C，保温1小时。然后取出粉末，将粉末放入去离子水中加热煮沸，除去混合盐后，将余下的粉末烘干，放入180目的筛子中，用振筛机振筛30分钟，将筛上的金刚石粉末用丙酮清洗，干燥。(2)其他步骤与实施例1或实施例2相同。实施例4 (1)该步骤与实施例1或实施例3相同。(2)称取42g镀层均勻的金刚石颗粒，量取体积为21mL去离子水，在去离子水中加入0. 3g磷酸，搅拌均勻后，再加入0. 4g磷酸铝粉末，加热并搅拌至磷酸铝粉末完全溶解。然后边滴加氨水边搅拌，调节pH至8 10。在此混合液中加入0. 42g丙烯酰胺和0. 035gN, N’ -亚甲基双丙烯酰胺，加入0. ISmL的25%的四甲基氢氧化铵作为分散剂，混合均勻。将金刚石粉末倒入混合液中，搅拌30分钟。往混合均勻的浆料中加入0. 03g的过硫酸铵和 0. ImL的N，N，N，，N，-四甲基乙二胺，迅速搅拌后，倒入40 X 40 X 30mm的模具中，并把模具放入振动设备上振动排气。最后把浆料放入干燥箱中，在60°C下保温1小时，固化后去掉模具。然后在80°C下继续干燥10小时。把干燥好的预制体放入氮气保护的加热炉中，在 800°C下加热1小时。(3)将金刚石预制体放入40X40X30mm石墨模具中，用同样尺寸的坩埚熔炼并浇注64g铝合金铸锭，将铸锭放在金刚石预制体之上，放入加热炉中，通入压力为0. 6MPa的氮气保护，在800°C下保温2小时。
权利要求
1. 一种高体积分数金刚石/铝导热功能复合材料的制备方法，其特征在于，制备方法为如下步骤(1)对金刚石颗粒进行前期处理选取颗粒尺寸为63 175 μ m、具有立方八面体结构、品级为MBD4或SMD30的人造金刚石颗粒，并进行盐浴镀镀Ti或镀Cr处理，获得0. 1 0. 3 μ m厚度的表面金属镀层，盐浴镀的方法采用lmol/L的稀盐酸清洗金刚石颗粒，使其表面粗化，然后将金刚石颗粒在丙酮中浸泡0. 5小时并反复清洗，放入烘箱内加热至180°C干燥池；将金刚石颗粒与250 400 目的Ti粉或Cr粉按照堆积体积1 1的比例混合均勻后放入坩埚中，将NaCl和BaCl2按照质量比1 1 4 1的比例配制成混合盐，覆盖在混有金属粉末的金刚石颗粒上，并保证覆盖完全且覆盖层有5 IOmm厚度；在电阻炉中加热至850 950°C，保温1小时；然后取出混合粉末，将混合粉末放入去离子水中加热煮沸除去混合盐，将余下的粉末烘干，放入 180目的筛子中，用振筛机振筛30分钟，将筛上的金刚石粉末用丙酮清洗，干燥；(2)制备高体积分数的金刚石颗粒预制体称取某一重量镀层均勻的金刚石颗粒；根据所要求的体积分数，量取体积为金刚石松装体积0.7 1. 12倍的去离子水，在去离子水中加入占金刚石颗粒质量的1.0%的磷酸铝粉末，搅拌使磷酸铝粉末均勻悬浮后，加入与磷酸铝的摩尔比为0.5 1 2 1的磷酸，加热并搅拌至磷酸铝粉末完全溶解，然后边滴加氨水边搅拌，调节pH至8 10 ；在上述混合液中加入占金刚石颗粒质量0. 8 1. 0%的丙烯酰胺和N，N’ -亚甲基双丙烯酰胺混合物， 混合物中丙烯酰胺和N，N’ -亚甲基双丙烯酰胺的质量比为10 1 20 1，加入混合液体积0. 2% 0.6%的25%的四甲基氢氧化铵作为分散剂，混合均勻；将金刚石粉末倒入混合液中，搅拌30分钟。往混合均勻的浆料中加入占浆料质量0. 03 % 0. 08 %的过硫酸铵和 0. 01% 0. 05%的N，N，N’，N’ -四甲基乙二胺，迅速搅拌后，倒入模具，并把模具放入振动设备上振动排气，最后把浆料放入干燥箱中，在60°C下保温1小时，固化后去掉模具。然后在80°C下继续干燥10小时，把干燥好的预制体放入氮气保护的加热炉中，在750 800°C 下加热1小时；(3)采用无压浸渗工艺制备金刚石/铝复合材料将金刚石预制体放入石墨模具中，其上用体积为其1. 2 2. 0倍的Al-Si-Mg系铸造铝合金覆盖，铝合金表面应为光洁的金属表面，无腐蚀和吸附物，将其放入加热炉中，通入压力为0. 6 1. 5MPa的氮气保护，在800 880°C下保温2 10小时。
全文摘要
本发明属于复合材料制备技术领域，涉及一种高体积分数金刚石/铝导热功能复合材料的制备方法。本发明采用对金刚石颗粒盐浴镀表面金属化处理、添加高温磷酸铝粘结剂的凝胶注模成型预制体工艺、改善铝合金的成分等手段，改善了金刚石与铝合金的界面结合。通过无压浸渗工艺制备，成本低廉，操作简单易行。所得金刚石/铝复合材料，微观结构均匀致密，金刚石与铝合金界面结合良好，其密度为3.17g/cm3，热导率高达518W/m·K，热膨胀系数仅为4.61×10-6/K，弯曲强度为306Mpa，杨氏模量为280GPa。完全满足高密度电子封装材料超高导热、低密度、低热膨胀系数的要求。
文档编号C22C21/00GK102251139SQ20111019421
公开日2011年11月23日 申请日期2011年7月8日 优先权日2011年7月8日
发明者崔岩, 张磊 申请人:中国航空工业集团公司北京航空材料研究院