专利名称：适用于宽温度范围的高导热金刚石/铜复合材料及方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于宽温度范围的高导热金刚石/铜复合材料及方法，特别是适用于宽温度范围(40 350K)的高导热低膨胀金刚石/铜复合材料及其制备方法，属于热管理材料制备技术领域。
背景技术：
热管理材料作为一种重要的功能材料，在装备制造，电子封装等领域有着重要的地位。随着技术的不断进步，对材料的要求越来越高，不仅要求材料在常温和日常环境条件下具有高的导热率，低的热膨胀系数等性能，而且要求材料在一些极端的环境条件下能满足使用要求，发挥稳定的性能。在航空航天，低温电子学，低温医学，高温超导等领域，要求材料在超低温下，或者在低温到高温的循环过程中能保持高的导热率，有效传递热量。传统的散热材料诸如纯铜，铝，以及合金等在常温下有高的导热率，但热膨胀系数较高，不利于与热沉组件良好接触，在长期的服役过程中发生热应力变形等失效行为。为了克服传统散热材料热膨胀系数较高的缺陷，研究人员开发了低热膨胀系数的W/Cu, Mo/Cu,以及铜基或铝基的复合材料，这类材料的导热率在200 300W/mK之间，热膨胀系数小，能与热沉组件良好匹配。但导热率较低，在一些热量集中的部位，散热能力有限，无法达到满意的效果。尤其在低温等特殊的应用环境下，材料性能出现了一些特殊的变化，应用受到了限制，也影响整个系统的性能稳定性。同时，在航空航天等尖端应用领域，对材料的可靠性要求极高，需要材料在保证良好性能的前提下，服役期间不发生组织破坏，性能下降等失效行为。为了解决以上问题，急需要一种导热率高，热膨胀系数适中，密度低的新型热管理材料，同时在保证以上性能的前提下，能够实现近终成型，后续加工简易方便的制备方法
发明内容
本发明为了解决目前所面临的问题，特别提出了一种适用于宽温度范围下的高导热金刚石/铜复合材料。本发明的适用于宽温度范围的高导热金刚石/铜复合材料，其由增强体、粘结剂和铜基体组成，所述的增强体为一种或两种不同的金刚石颗粒，所述的铜基体为纯铜或铜合金，增强体与粘结剂的体积比为(50 75%): (50 25%)，增强体与铜基体的体积比为(50 75% ): (50 25% )。上述适用于宽温度范围的高导热金刚石/铜复合材料由金刚石增强体和粘结剂制成预制件，将铜基体熔融后浇注在预制件上，经压力浸渗工艺制成。该材料在较宽的温度范围内能保持较高的导热率，所适用的温度范围为40 350K，导热率能保持在500W/m.K以上。铜基体中，纯铜可为电解铜，铜合金可为在纯铜中加入钛、铬、硼、锰、铁、钴和镍等中的一种或几种元素的合金。
所述金刚石颗粒为未镀覆金刚石颗粒，镀钛、铬或铜金属层金刚石颗粒，或表面粗化处理的金刚石颗粒。不同的金刚石颗粒包括在粒径、晶型或品级三个方面不同。金刚石颗粒的粒径尺寸优选为50 500 μ m，晶型有正八面体、六八面体和方形金刚石，品级有MBD6、MBD8、MBD10.MBD12 等。所述粘结剂可为石蜡基粘结剂，且增强体与粘结剂的体积比更优选地为(60 75% ): (40 25% )。本发明还提供了一种能适用于宽温度范围(40 350K)高导热的金刚石/铜复合材料的制备方法。该铜基复合材料由金刚石增强体和粘结剂经预制件的注射成形工艺，制成增强体预制件，将熔融的铜液浇注在增强体预制件上，经压力浸渗工艺制成。本发明适用于宽温度范围的高导热金刚石/铜复合材料的制备方法，包括如下步骤:(I)预制件的成型工艺:a.将增强体和粘结剂按照体积比为(50 75% ): (50 25% )配制，混合均匀，所述的增强体为一种或两种不同的金刚石颗粒；b.将混合均匀的粉末在压机上制备出预制件坯体；c.将预制件坯体在1000 1200°C的氢气气氛下进行脱脂，得到预制件；(2)压力浸渗工艺a.将预制件放入石墨模具中，装入压力浸渗炉中抽真空，同时升温；b.当压力浸渗炉中真空度达到0.01 IPa，温度升至1000 1200°C时，将铜基体熔融，倒入石墨模具中，压渗金属；所述的铜基体为纯铜或铜合金，增强体与铜基体的体积比为(50 75%): (50 25%);c.随炉冷却，脱模。铜基体中，纯铜可为电解铜，铜合金可为在纯铜中加入钛、铬、硼、锰、铁、钴和镍等中的一种或几种元素的合金。所述金刚石颗粒为未镀覆金刚石颗粒，镀钛、铬或铜金属层金刚石颗粒，或表面粗化处理的金刚石颗粒。不同的金刚石颗粒包括在粒径、晶型或品级三个方面不同。金刚石颗粒的粒径尺寸优选为50 500 μ m，晶型有正八面体、六八面体和方形金刚石，品级有MBD6、MBD8、MBD10.MBD12 等。所述粘结剂可为石蜡基粘结剂，且增强体与粘结剂的体积比更优选地为(60 75% ): (40 25% )。
压渗金属时，加压，压力渗金属液至金刚石预制件中；压力为20MPa 5.5GPa，保压时间为5 10分钟。本发明的优点:(I)本发明中金刚石/铜复合材料的导热率比现有铝基复合材料，W/Cu, Mo/Cu等高，另外材料本身密度小，热膨胀系数低，满足了空天材料轻质的要求，降低了装配过程中由于热膨胀系数较大引起的热应力变形失效，此类金刚石/铜基复合材料将广泛地应用于低温制冷，高温超导等领域。
(2)本发明中所使用金刚石增强体具有不同的粒径，晶型，品级搭配，可以根据具体需求，灵活选用搭配，制备不同性能需求的金刚石/铜复合材料，实现了材料不同性能要求的可设计。(3)本发明中采用压力浸渗工艺，可以根据需求灵活选用模具，制备不同尺寸产品，也可以采用近终成型方法，直接获得所需产品形状，减少了后续加工工序。本发明的铜基复合材料由增强体和粘结剂经预制件的注射成形工艺，制成增强体预制件；将熔融的铜基体浇注在金刚石预制件上，经压力浸渗工艺制成。采用压力浸渗工艺制备的金刚石/铜复合材料可以适用于40 350K的较宽温区。本发明的金刚石铜复合材料在40 350K温度范围具有比钥铜、钨铜高的热导率，低的热膨胀系数，密度较小，是空间制冷环境用散热材料的良好选择。
图1为适用于宽温度范围的高导热金刚石/铜复合材料的制备过程流程图。
具体实施例方式下面通过具体实施方式
与附图对本发明做进一步详细描述，以期能更好的说明本发明的特点，但并不意味着 对本发明保护范围的限制。如图1所示，为本发明适用于宽温度范围的高导热金刚石/铜复合材料的制备过程流程图。包括如下步骤:将单一金刚石或混杂金刚石颗粒和粘结剂在混料机上混料，然后在压机上压制预制件坯体，将预制件坯体在1000 1200°C的氢气气氛下脱脂，装入模具腔，抽真空，升温，真空度达到0.01 IPa，温度升至1000 1200°C时，浇注熔融铜基体，20MPa 5.5GPa下压渗，然后脱模，取出样品。金刚石颗粒和粘结剂的体积比为(50 75% ): (50 25% )，其中金刚石增强体粒径尺寸为50 200 μ m,晶型有方形，正八面体，六八面体等，品级有MBD6，MBD8，MBD10，MBD12等；所述金刚石颗粒为未镀覆颗粒；或镀钛，铬，铜金属层颗粒；或表面粗化处理金刚石颗粒。铜基体为电解铜或铜中加入钛，铬，锰，铁，钴，镍等一种或几种合金元素的合金，且增强体与铜基体的体积比为(50 75% ): (50 25%)实施例1:原料:金刚石粒径200 μ m,晶型:六八面体,铜基体:CuCr (Crlwt % )。将金刚石颗粒和石蜡基粘结剂按照体积比为75: 25进行配制；混料机混合均匀，将混合均匀粉末在压机上制备出预制件坯体；将预制件坯体风干后在1000°C的氢气气氛下进行脱脂和与烧结；将烧结好的预制件放入石墨模具中，装入压力浸渗炉中抽真空，同时升温；真空压力浸渗炉中真空度达到0.05Pa，温度升至1150°C时，将铜基体熔融，倒入石墨模具中，5GPa压渗金属，保持压力的时间为5分钟，增强体与铜基体的体积比为75: 25 ;随炉冷却，脱模。制得的复合材料的密度为5.0g/cm3 ;导热率为:727W/mK(300K) 605W/mK(80K);热膨胀系数为:4.3ppm/Ko实施例2:原料:金刚石I粒径:50 μ m,晶型:7K八面体，金刚石2: 100 P m晶型:7K八面体；质量比为:金刚石1:金刚石2体积比:16: 2 ;铜基体:CuCr(Crlwt% )。将金刚石颗粒和石蜡基粘结剂按照体积比为65: 35进行配制；混料机混合均匀，将混合均匀粉末在压机上制备出预制件坯体；将预制件坯体风干后在900°C的氢气气氛下进行脱脂和与烧结；将烧结好的预制件放入石墨模具中，装入压力浸渗炉中抽真空，同时升温；真空压力浸渗炉中真空度达到0.0lPa，温度升至1200°C时，将铜基体熔融，倒入石墨模具中，60MPa压渗金属，保持压力的时间为8分钟，增强体与铜基体的体积比为65: 35 ;随炉冷却，脱模。制得的复合材料的密度为5.2g/cm3 ;导热率为:659W/mK (300K) 530W/mK (80K);热膨胀系数为:4.8ppm/Ko实施例3:原料:金刚石粒径:100μηι,晶型:方形,铜基体:CuCr (Crlwt% )。将金刚石颗粒和石蜡基粘结剂按照体积比为60: 40进行配制；混料机混合均匀，将混合均匀粉末在压机上制备出预制件坯体；将预制件坯体风干后在1100°c的氢气气氛下进行脱脂和与烧结；将烧结好的预制件放入石墨模具中，装入压力浸渗炉中抽真空，同时升温；真空压力浸渗炉中真空度达到0.1Pa，温度升至1200°C时，将铜基体熔融，倒入石墨模具中，50MPa压渗金属，保持压力的时间为10分钟，增强体与铜基体的体积比为55: 45；随炉冷却，脱模。制得的复合材料的密度为5.3g/cm3 ;导热率为:620W/mK (300K) 500W/mK (80K);热膨胀系数为:5.2ppm/Ko实施例4:`
原料:金刚石I粒径:100 U m,晶型:方形；金刚石2粒径:100 U m晶型:7K八面体，金刚1:金刚石2体积比:2: 8 ;铜基体:CuCo(Co5 wt% )。将金刚石颗粒和石蜡基粘结剂按照体积比为70: 30进行配制；混料机混合均匀，将混合均匀粉末在压机上制备出预制件坯体；将预制件坯体风干后在900°C的氢气气氛下进行脱脂和与烧结；将烧结好的预制件放入石墨模具中，装入压力浸渗炉中抽真空，同时升温；真空压力浸渗炉中真空度达到0.5Pa，温度升至100(TC时，将铜基体熔融，倒入石墨模具中，5.5GPa压渗金属，保持压力的时间为5分钟，增强体与铜基体的体积比为70: 30 ;随炉冷却，脱模。制得的复合材料的密度为5.lg/cm3 ;导热率为:710W/mK (300K) 590W/mK (80K);热膨胀系数为:4.4ppm/Ko实施例5:原料:金刚石粒径:100 μ m,晶型:六八面体,铜基体:CuCr (Crlwt % )。将金刚石颗粒和石蜡基粘结剂按照体积比为50: 50进行配制；混料机混合均匀，将混合均匀粉末在压机上制备出预制件坯体；将预制件坯体风干后在1000°c的氢气气氛下进行脱脂和与烧结；将烧结好的预制件放入石墨模具中，装入压力浸渗炉中抽真空，同时升温；真空压力浸渗炉中真空度达到IPa，温度升至1200°C时，将铜基体熔融，倒入石墨模具中，20MPa压渗金属，保持压力的时间为10分钟，增强体与铜基体的体积比为50: 50 ;随炉冷却，脱模。制得的复合材料的密度为5.5g/cm3 ;导热率为:578W/mK(300K)420W/mK(80K);热膨胀系数为 :6.2ppm/Ko
权利要求
1.一种适用于宽温度范围的高导热金刚石/铜复合材料，其特征在于:其由增强体、粘结剂和铜基体组成，所述的增强体为一种或两种不同的金刚石颗粒，所述的铜基体为纯铜或铜合金，增强体与粘结剂的体积比为50 75%: 50 25%，增强体与铜基体的体积比为 50 75%: 50 25%。
2.根据权利要求1所述的适用于宽温度范围的高导热金刚石/铜复合材料，其特征在于:所述的纯铜为电解铜，所述的铜合金为在纯铜中加入钛、铬、硼、锰、铁、钴和镍中的一种或几种元素的合金。
3.根据权利要求1所述的适用于宽温度范围的高导热金刚石/铜复合材料，其特征在于:所述的金刚石颗粒为未镀覆金刚石颗粒，镀钛、铬或铜金属层金刚石颗粒，或表面粗化处理的金刚石颗粒。
4.根据权利要求3 所述的适用于宽温度范围的高导热金刚石/铜复合材料，其特征在于:所述的金刚石颗粒的粒径为50 500 μ m,晶型为正八面体、六八面体和/或方形金刚石，品级为 MBD6、MBD8、MBDlO 和 / 或 MBD12。
5.根据权利要求1所述的适用于宽温度范围的高导热金刚石/铜复合材料，其特征在于:所述的粘结剂为石蜡基粘结剂，增强体与粘结剂的体积比为60 75%: 40 25%。
6.权利要求1-5中任一项所述的适用于宽温度范围的高导热金刚石/铜复合材料的制备方法，包括如下步骤: (1)将增强体和粘结剂按比例配制，混合均匀； (2)将混合均匀的粉末在压机上制备出预制件坯体； (3)将预制件坯体在1000 1200°C的氢气气氛下进行脱脂，得到预制件； (4)将预制件放入石墨模具中，装入压力浸渗炉中抽真空，同时升温； (5)当压力浸渗炉中真空度达到0.01 IPa，温度升至1000 1200°C时，将铜基体熔融，倒入石墨模具中，压渗金属； (6)随炉冷却,脱模。
7.根据权利要求6所述的适用于宽温度范围的高导热金刚石/铜复合材料的制备方法，其特征在于:压渗金属时，压力为20MPa 5.5GPa，保压时间为5 10分钟。
全文摘要
本发明涉及一种适用于宽温度范围的高导热金刚石/铜复合材料及方法，属于热管理材料制备技术领域。该铜基复合材料由增强体和粘结剂经预制件的注射成形工艺，制成增强体预制件，其中增强体由一种或两种不同金刚石颗粒混杂组成；将熔融的铜液浇注在金刚石预制件上，其中铜基体为纯铜或铜合金，金刚石与铜基体的体积比为(50～75％)∶(50～25％)，经压力浸渗工艺制成。采用压力浸渗工艺制备的金刚石/铜复合材料可以适用于40～350K的较宽温区。本发明的金刚石铜复合材料在40～350K温度范围具有比钼铜、钨铜高的热导率，低的热膨胀系数，密度较小，是空间制冷环境用散热材料的良好选择。
文档编号C22C9/00GK103184363SQ201110448149
公开日2013年7月3日 申请日期2011年12月28日 优先权日2011年12月28日
发明者郭宏, 尹法章, 王光宗, 张习敏, 范叶明, 韩媛媛 申请人:北京有色金属研究总院