一种铜基金刚石梯度散热材料及其制备方法与流程

本发明涉及散热材料领域，特别涉及一种铜基金刚石复合材料组件，以及该复合材料组件的制备方法。

背景技术：

电子、航空航天、军事、工业、医疗等领域中对各种设备的功能要求越来越高，相关器(部)件的功率密度也随之增大，给散热带来了较大的难度和更高的挑战。特别是在军事和航天领域，高功率密度或高装配密度的器件工作时放出大量的热。这些热量如果不及时散失，会大幅增加功率器件的失效率和故障率。高导热金刚石/铜复合材料有着十分广泛的应用，如用于大功率行波管(卫星通讯、电子干扰和雷达接收功率源)的结构功能一体化散热组件夹持杆、有源相控阵天线的散热基板、卫星离子推进器的中和器散热、霍尔推进器的外圈、星载大规模集成电路和cpu的封装材料、空间站舱外led照明散热等。

天然金刚石的热导率很高可达2000w/m·k，热物理性能优异。但纯金刚石制备成大尺寸块体导热材料较为困难且成本昂贵。纯铜的热导率相对较高，可达400w/m·k，高于目前大部分商用散热材料的热导率，但纯铜的热膨胀系数较大。鉴于以上因素，研究人员将金刚石和铜制成复合材料，利用二者的优势，将优异的热物理性能和适宜的力学性能结合起来，制成热导率高、密度及热膨胀系数可调、有一定的力学性能、化学性质稳定、产品近净成型的金刚石/铜高导热复合材料。

利用金刚石制作散热组件的方法很多，但大多数都是金刚石复合材料，即将金刚石颗粒或粉末与其它金属粉末混合融合而形成一种复合材料。如专利cn106795596a，将金刚石粉末、银或银合金及第四族元素化合物熔融混合，模压成型。再如专利cn104630527a，先将铜材料加工成金刚石/铜制品的最终尺寸作为模具，然后将金刚石单晶/镀层金刚石颗粒倒入模具中振实，再滴加粘结剂溶液，之后在200-600℃条件下真空处理制得金刚石多孔骨架坯料，再将金刚石多孔骨架坯料与铜合金/纯铜模具一起装入包装进行热等静压处理，冷却后得到复合材料。

快速散热问题是制约高功率激光器、高集成度半导体器件发展的关键因素之一。现有技术中的复合材料大大折损金刚石本身优良的导热性能，在金属本身基础上增加的导热性能有限。此外，还遇到另外一个问题，现有技术中的方法一般用在平面的散热组件制备，当使用在光纤散热领域中时，远不能达到预期的效果。

技术实现要素：

本发明针对光纤散热的需求，提供一种针对光纤散热需求的高热导率金刚石、铜基复合材料，以及该铜基复合材料的制备方法。

一种铜基金刚石梯度散热材料组件的制备方法，包括如下步骤：

(1)将铜加工成半圆环形凹槽；

(2)将单晶金刚石均匀热压在半圆环形铜凹槽内壁

(3)将铜粉末填充于金刚石颗粒的缝隙中，用模具压紧；

(4)高温烧结即形成铜基金刚石梯度散热材料组件。

通过先将铜加工成圆形凹槽，保证了样件的尺寸精度，同时保留铜凹槽的外壁可以确保外部结构精度，同时纯铜良好的阻隔性能可以便于与散热介质接触，方便直接在表面设置散热流道，大幅度提高散热效率。同时保障了金刚石、铜复合材料的焊接性能，便于在纯铜表面增加散热翅片等结构。

进一步地，在一种实施方式中，还包括在铜基金刚石梯度散热材料外侧壁设置散热流道的步骤。

进一步地，在另一种实施方式中，还包括在铜基金刚石梯度散热材料外侧壁设置散热翅的步骤。

进一步地，所述单晶金刚石颗粒的粒径为5-500μm；

进一步地，所述铜粉的粒径为1-500μm，为了保证铜粉能够充分填充金刚石颗粒的缝隙，所述铜粉的粒径要小于金刚石颗粒。

进一步优选的，铜粉粒径小于金刚石颗粒粒径的1/2，进一步地，小于金刚石颗粒粒径的1/5，进一步地，小于金刚石颗粒粒径的1/10。

进一步地，所述的铜优选为导电性能优良的紫铜。

进一步地，所述的高温烧结温度优选为750-950℃。

进一步地，所述烧结温度为750-950℃。

进一步地，所述均匀热压步骤的温度为700-800℃，压力为50mpa-200mpa，时间5-30min.

本发明还提供一种铜基金刚石梯度散热材料组件，其为半圆环形凹槽状，内壁为金刚石-铜复合层，外壁为铜层。

进一步地，所述铜基金刚石梯度散热材料中的铜为紫铜。

进一步地，所述铜基金刚石梯度散热材料外壁上设置有导热流道。

进一步地，在另一个实施方案中，所述铜基金刚石梯度散热材料外壁上设置有散热翅。

进一步地，所述的铜基金刚石梯度散热材料由上述的方法制备得到。

进一步地，本发明还提供一种光纤散热结构，其包含光纤，覆盖于光纤表面相对的两个半圆环形凹槽状铜基金刚石梯度散热材料组件。

进一步地，上述的半圆环形凹槽状铜基金刚石梯度散热材料组件由上述的方法制备得到。

有益效果：

(1)通过本方案，确保梯度散热材料与光纤曲面的匹配度，保障了加工精度和散热效率。

(2)通过本方案，克服了常规的铜、金刚石复合材料加工困难，不易形成均匀曲面的缺点。

附图说明

图1、半圆环形凹槽示意图

图2、铜基金刚石梯度散热材料组件示意图

图3、铜基金刚石梯度散热材料组件俯视示意图

1：金刚石-铜复合层，2：铜层。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例采用紫铜作为原材料，使用粒径为100μm的单晶金刚石颗粒作为金刚石原料，使用粒径d50为20μm的铜粉作为烧结原料。具体步骤为：

(1)将紫铜加工成半圆环形凹槽；

(2)将单晶金刚石均匀热压在半圆环形铜凹槽内壁，所述的热压温度为800℃；

(3)将铜粉末填充于金刚石颗粒的缝隙中，用模具压紧；

(4)在900℃高温下烧结即形成铜基金刚石梯度散热材料组件。

经检验，金刚石-铜复合层的热导率为592w/m.k。

实施例2

本实施例采用紫铜作为原材料，使用粒径为150μm的单晶金刚石颗粒作为金刚石原料，使用粒径d50为50μm的铜粉作为烧结原料。具体步骤为：

(1)将紫铜加工成半圆环形凹槽；

(2)将单晶金刚石均匀热压在半圆环形铜凹槽内壁，所述的热压温度为750℃；

(3)将铜粉末填充于金刚石颗粒的缝隙中，用模具压紧；

(4)在850℃高温下烧结即形成铜基金刚石梯度散热材料组件。

经检验，金刚石-铜复合层的热导率为581w/m.k。

实施例3

本实施例采用紫铜作为原材料，使用粒径为100μm的单晶金刚石颗粒作为金刚石原料，使用粒径d50为20μm的铜粉作为烧结原料。具体步骤为：

(1)将紫铜加工成半圆环形凹槽；

(2)将单晶金刚石均匀热压在半圆环形铜凹槽内壁，所述的热压温度为850℃；

(3)将铜粉末填充于金刚石颗粒的缝隙中，用模具压紧；

(4)在950℃高温下烧结即形成铜基金刚石梯度散热材料组件。

经检验，金刚石-铜复合层的热导率为610w/m.k。

对比例1

本实施例采用紫铜作为原材料，使用粒径为100μm的单晶金刚石颗粒作为金刚石原料，使用粒径d50为20μm的铜粉作为烧结原料。具体步骤为：

(1)将金刚石与紫铜粉末混合，金刚石的体积占比为60％；

(2)将混合的粉末热压成复合材料片；

(3)根据光纤形状，弯曲成凹槽状。

试验过程中发现，在弯曲过程中会出现金刚石凸起、裂缝等状态，不利于与光纤贴合，均匀散热。