一种反钙钛矿锰氮化合物/铝复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种反钙钛矿锰氮化合物/铝复合材料及其制备方法。

背景技术：

电子产品的使用与人们生活的联系越来越密切。从平板电脑、移动电话到车载设备、飞机控制单元，目前大多数产品要用到电子设备，且电子设备的使用环境也日益多样化。因而将电子器件进行封装保护显得至关重要。当前，随着电子元器件朝着更小、更轻和更快的趋势发展，其集成化程度也急剧升高，伴随而来的是芯片发热量大幅增加，进而导致其寿命下降。由于超高集成电路中，芯片产生的热量不能及时传导出去，芯片与封装材料之间的热膨胀系数(coefficientofthermalexpansion，简称ctes)不匹配会产生较大或的热应力。作为芯片材料的si或gaas的cte值为4-6×10^-6k^-1，而具有高导热系数的cu或al的cte值分别为17.6×10^-6k^-1和23.0×10^-6k^-1，相对于芯片来说cu或al的过高cte值很容易产生大的热应力而导致芯片产生断裂。根据文献研究结果，si或gaas半导体的温度每增加10℃，芯片因寿命缩短而发生的失效的概率就提高3倍。解决方法就是寻找热膨胀系数能与半导体相匹配、且热导率较高的封装材料。

国内外关于ganmn3复合材料的研究主要是以环氧树脂为基体与ganmn3进行复合或以铜做为基体与ganmn3进行复合。环氧树脂本身的力学性能有限，硬度只有10～20hv，因此以环氧树脂为基体与ganmn3进行复合得到的复合材料的强度较差，并且所制备的复合材料的硬度仅能达到30～50hv，同时环氧树脂的热膨胀系数较大，达到60.0×10^-6k^-1，因此需要大体积分数的增强体才能使得制备的较低热膨胀系数复合材料；以环氧树脂作为基体，制备得到的复合材料负热膨胀系数温度区间为250～300k，不能很好适应电子元器件使用过程中发热的温度范围(室温以上)，并且环氧树脂导热率低，因此制备的ganmn3复合材料的导热率低。ganmn3/cu复合材料采用固相烧结的方法制备，但是固相烧结存在一定的局限性，由于固相烧结是颗粒与颗粒之间在固相下接触直接复合，制备的复合材料致密度较低。cu因为熔点高，因此需要较高的复合温度，高温下基体金属与ganmn3增强体复合过程中界面反应大，并且高温下ganmn3增强体容易发生成分的改变进而使负热膨胀性能消失。

技术实现要素：

本发明为解决以环氧树脂为基体制备的ganmn3复合材料力学性能差和导热率低，以及以cu为基体制备ganmn3复合材料所需温度高的问题，提出一种反钙钛矿锰氮化合物/铝复合材料及其制备方法。

本发明反钙钛矿锰氮化合物/铝复合材料由增强体和基体金属复合而成，所述增强体为ganmn3颗粒，所述基体金属为纯铝或铝合金。

上述反钙钛矿锰氮化合物/铝复合材料的制备方法按照以下步骤进行：

一、将ganmn3颗粒装填入石墨模具的型腔内；

二、将石墨模具置于铁模具内部；

三、在保护气氛下同时预热石墨模具和铁模具；

四、将熔融的基体金属浇注到预热后的铁模具内至熔融的基体金属的液面高于石墨模具上表面，进行加压浸渗，最后冷却和脱模，得到ganmn3/al复合材料；

步骤四所述基体金属为纯铝或铝合金。

本发明原理及有益效果为：

1、本发明对传统挤压铸造方法快速浸渗和凝固工艺进行改进，提供一种轻质高导热铝基复合材料制备方法，特别适用于增强体颗粒与基体合金热膨胀系数差别大的金属基复合材料的制备，本发明成功制备得到ganmn3颗粒与铝基体的复合材料；

2、基体金属如cu等因为熔点高，因此需要较高的复合温度，高温下基体金属与ganmn3增强体复合过程中界面反应大，ganmn3增强体容易发生成分的改变进而使负热膨胀性能消失。al与其他基体金属如cu等相比熔点低，因此本发明将ganmn3与铝复合能降低反应温度，减小了界面反应。本发明采用ganmn3作为增强体，在现有的xnmn3化合物增强体(其中x代表金属元素)中，ganmn3的负热膨胀性能突出，ganmn3的热膨胀系数达到-70×10^-6k^-1，ganmn3与基体金属复合后能够弥补基体金属的热膨胀系数大的问题。本发明制备的ganmn3/al复合材料的负热膨胀系数温度区间为320～370k，热膨胀系数达到7×10^-6k^-1；

3、环氧树脂本身的力学性能有限，强度只有20mpa，铝的强度远高于环氧树脂，并且铝较高的导热性能和较低的热膨胀系数，因此采用铝作为基体金属与ganmn3制备得到的复合材料的力学性能和热性能明显优于环氧树脂。本发明制备的ganmn3/al复合材料的强度为100～150mpa，导热系数可以达到30w/(m·k)，维氏硬度达100～197.77hv；

4、本发明采用压力浸渗的方法，液相基体与固相增强体在高压下能紧密接触，使得制备的复合材料致密度极高，致密度能够达到99％；本发明制备的ganmn3/al复合材料中增强体的体积分数达到20～30％，通过调配增强体的体积分数便可以实现热膨胀系数的调整，且制备工艺简便灵活，设备投资较少；

综上，本发明制备的ganmn3/al复合材料综合性能优异，为解决电子装置中元器件的复杂性和密集性日益提高所带来的热膨胀问题提供强有力的技术支持。能够直接用于制备大规模集成电路和大功率微波器件中的基片、散热板或外壳等，产业前景广阔。

附图说明

图1为实施例1制备的ganmn3/al复合材料的扫描电镜照片。

具体实施方式：

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。

具体实施方式一：本实施方式反钙钛矿锰氮化合物/铝复合材料由增强体和基体金属复合而成，所述增强体为ganmn3颗粒，所述基体金属为纯铝或铝合金。

本实施方式原理及有益效果为：

1、基体金属如cu等因为熔点高，因此需要较高的复合温度，高温下基体金属与ganmn3增强体复合过程中界面反应大，ganmn3增强体容易发生成分的改变进而使负热膨胀性能消失。al与其他基体金属如cu等相比熔点低，因此本实施方式将ganmn3与铝复合能降低反应温度，减小了界面反应。本实施方式采用ganmn3作为增强体，在现有的xnmn3化合物增强体(其中x代表金属元素)中，ganmn3的负热膨胀性能突出，ganmn3的热膨胀系数达到-70×10^-6k^-1，ganmn3与基体金属复合后能够弥补基体金属的热膨胀系数大的问题。本实施方式制备的ganmn3/al复合材料的负热膨胀系数温度区间为320～370k，热膨胀系数达到7×10^-6k^-1；

2、环氧树脂本身的力学性能有限，强度只有20mpa，铝的强度远高于环氧树脂，并且铝较高的导热性能和较低的热膨胀系数，因此采用铝作为基体金属与ganmn3制备得到的复合材料的力学性能和热性能明显优于环氧树脂。本实施方式制备的ganmn3/al复合材料的强度为100～150mpa，导热系数可以达到30w/(m·k)，维氏硬度达100～197.77hv；

3、本实施方式复合材料致密度极高，致密度能够达到99％；复合材料中增强体的体积分数达到20～30％，通过调配增强体的体积分数便可以实现热膨胀系数的调整；

综上，本实施方式制备的ganmn3/al复合材料综合性能优异，为解决电子装置中元器件的复杂性和密集性日益提高所带来的热膨胀问题提供强有力的技术支持。能够直接用于制备大规模集成电路和大功率微波器件中的基片、散热板或外壳等，产业前景广阔。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述ganmn3颗粒的粒径为1～5μm。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述反钙钛矿锰氮化合物/铝复合材料中增强体的体积分数为20～30％。其他步骤和参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式反钙钛矿锰氮化合物/铝复合材料的其制备方法按照以下步骤进行：

一、将ganmn3颗粒装填入石墨模具的型腔内；

二、将石墨模具置于铁模具内部；

三、在保护气氛下同时预热石墨模具和铁模具；

四、将熔融的基体金属浇注到预热后的铁模具内至熔融的基体金属的液面高于石墨模具上表面，进行加压浸渗，最后冷却和脱模，得到ganmn3/al复合材料；

步骤四所述基体金属为纯铝或铝合金。

本实施方式原理及有益效果为：

1、本实施方式对传统挤压铸造方法快速浸渗和凝固工艺进行改进，提供一种轻质高导热铝基复合材料制备方法，特别适用于增强体颗粒与基体合金热膨胀系数差别大的金属基复合材料的制备，本实施方式成功制备得到ganmn3颗粒与铝基体的复合材料；

2、基体金属如cu等因为熔点高，因此需要较高的复合温度，高温下基体金属与ganmn3增强体复合过程中界面反应大，ganmn3增强体容易发生成分的改变进而使负热膨胀性能消失。al与其他基体金属如cu等相比熔点低，因此本实施方式将ganmn3与铝复合能降低反应温度，减小了界面反应。本实施方式采用ganmn3作为增强体，在现有的xnmn3化合物增强体(其中x代表金属元素)中，ganmn3的负热膨胀性能突出，ganmn3的热膨胀系数达到-70×10^-6k^-1，ganmn3与基体金属复合后能够弥补基体金属的热膨胀系数大的问题。本实施方式制备的ganmn3/al复合材料的负热膨胀系数温度区间为320～370k，热膨胀系数达到7×10^-6k^-1；

3、环氧树脂本身的力学性能有限，强度只有20mpa，铝的强度远高于环氧树脂，并且铝较高的导热性能和较低的热膨胀系数，因此采用铝作为基体金属与ganmn3制备得到的复合材料的力学性能和热性能明显优于环氧树脂。本实施方式制备的ganmn3/al复合材料的强度为100～150mpa，导热系数以达到30w/(m·k)，维氏硬度达100～197.77hv；

4、本实施方式采用压力浸渗的方法，液相基体与固相增强体在高压下能紧密接触，使得制备的复合材料致密度极高，致密度能够达到99％；本实施方式制备的ganmn3/al复合材料中增强体的体积分数达到20～30％，通过调配增强体的体积分数便可以实现热膨胀系数的调整，且制备工艺简便灵活，设备投资较少；

综上，本实施方式制备的ganmn3/al复合材料综合性能优异，为解决电子装置中元器件的复杂性和密集性日益提高所带来的热膨胀问题提供强有力的技术支持。能够直接用于制备大规模集成电路和大功率微波器件中的基片、散热板或外壳等，产业前景广阔。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤一所述ganmn3颗粒的粒径为1～5μm。其他步骤和参数与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四或五不同的是：步骤三所述预热温度为500～600℃，预热时间不少于3h。其他步骤和参数与具体实施方式四或五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四至六之一不同的是：步骤四所述熔融的基体金属的温度为600～700℃。其他步骤和参数与具体实施方式四至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式四至七之一不同的是：步骤一所述石墨模具的材质为高纯石墨、等静压石墨、电极石墨中的一种或几种的组合。其他步骤和参数与具体实施方式四至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式四至八之一不同的是：步骤四所述加压浸渗时施加的压力为6～25mpa。其他步骤和参数与具体实施方式四至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式四至九之一不同的是：步骤四所述冷却的具体工艺为：首先在温度高于500℃时，在压力为6～25mpa的条件下以15～20℃/min的冷却速度冷却；然后在温度为250～500℃时，在压力5～20mpa的条件下以不大于5℃/min冷却速度冷却；最后在温度低于250℃时脱模。其他步骤和参数与具体实施方式四至九之一相同。本实施方式较慢的降温速率冷却，可以减小复合材料中的残余热应力，减小复合材料内部微裂纹和微观缺陷的产生。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式四至十之一不同的是：步骤四所述加压浸渗通过压力机完成。其他步骤和参数与具体实施方式四至十之一相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式四至十一之一不同的是：步骤三所述保护气氛采用的保护气体为空气、氮气、氦气或氢气。其他步骤和参数与具体实施方式四至十一之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例1：

本实施例反钙钛矿锰氮化合物/铝复合材料由增强体和基体金属复合而成，所述增强体为ganmn3颗粒，所述基体金属为纯al，反钙钛矿锰氮化合物/铝复合材料中增强体的体积分数为30％；

上述反钙钛矿锰氮化合物/铝复合材料的其制备方法按照以下步骤进行：

一、将ganmn3颗粒装填入石墨模具的型腔内；

步骤一所述ganmn3颗粒的粒径为1μm；

步骤一所述石墨模具的材质为高纯石墨；

二、将石墨模具置于铁模具内部；

三、在保护气氛下同时预热石墨模具和铁模具；

步骤三所述预热温度为500℃，预热时间为3h；

步骤三所述保护气氛采用的保护气体为氮气；

四、将熔融的基体金属浇注到预热后的铁模具内至熔融的基体金属的液面高于石墨模具上表面，进行加压浸渗，最后冷却和脱模，得到ganmn3/al复合材料。

步骤四所述熔融的基体金属的温度为600℃；

步骤四所述基体金属为纯al；

步骤四所述加压浸渗时施加的压力为8mpa；

步骤四所述冷却的具体工艺为：首先在温度高于500℃时，在压力为6mpa的条件下以15℃/min的冷却速度冷却；然后在温度为250～500℃时，在压力6mpa的条件下以4.5℃/min冷却速度冷却；最后在温度低于250℃时脱模；

步骤四所述加压浸渗通过压力机完成。

本实施例制备的ganm3/al复合材料的维氏硬度及对比如表1所示。图1为实施例1制备的ganmn3/al复合材料的扫描电镜照片，图1中，白色为增强体，黑色为铝基体。图1可以看出增强体均匀分布在铝基体中，ganmn3/al复合材料没有空隙，增强体没有团聚，这得益于液态法制备的优异性。

本实施例制备的ganmn3/al复合材料的强度为150mpa，导热系数为30w/(m·k)；致密度为99％；负热膨胀系数温度区间为323～373k，热膨胀系数为7×10^-6k^-1；

表1

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