1.本发明属于复合材料领域，具体涉及一种内嵌结构高导热率复合材料及其制备方法。
背景技术：
2.目前功率模块在新能源汽车、智能电网、轨道交通、变频器、逆变焊机、感应加热等领域的应用越来越广泛，但是现有的功率模块在实际使用过程中，功率模块的散热问题越来越凸显，即功率模块的散热对功率模块的寿命、可靠性起着关键作用，尤其是随着电力电子技术的发展，对功率模块在结构和电路的可靠性方面要求更高。
3.金属基复合材料是近年来迅速发展起来的高性能散热材料之一。通过在金属材料中添加各种增强体，可获得具备良好的导热、导电性能，抗冲击、耐腐蚀、抗疲劳和断裂韧性以外，还具有高强度、高刚度、强耐磨性和低热膨胀系数的高性能复合材料。金属基复合料的发展，对促进世界各国军用和民用领域的高科技现代化，起到了至关重要的作用。
4.目前，最新一代散热金属基复合材料包括铝碳化硅复合材料、金刚石/铜复合材料、金刚石铝复合材料等。高体积分数铝碳化硅复合材料可以通过调整设计增强体含量、铝合金成分、两相比例或复合材料的热处理状态等达到复合材料的尺寸稳定、高导热、高比刚度、高比强度等优异性能，从而满足航空航天领域对电子封装材料的质量要求，是一种优异的电子封装材料和精密设备的结构材料。现已有多家国内外公司研发出热导率值可达170-200w/m
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k、热膨胀系数值为6.0～8.0
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/k的铝碳化硅复合材料产品并实现商业化。但其导热性能仍难满足超高功率模块应用要求。在热导率方面，铜金刚石复合材料远优于其它材料，可保证封装器件优异的热耗散性。通过控制金刚石体积分数，可调整复合材料热膨胀系数，从而可使其与si、gaas、aln、al2o3、si3n4等相匹配。其热导率最高达800w/m
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k。高的弹性模量有助于减小热变形，从而提高封装器件的密封性能。铝金刚石复合材料相比铜金刚石复合材料具有低密度，合成温度低的优点，纯铝-金刚石复合材料热导率高达600w/m
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k。虽然金属金刚石复合材料具有高的导热性能，但是其成本昂贵、加工难度大，使其应用受到限制。金刚石、碳纳米管、高定向热解石墨是目前所知的热导率较高的材料。但碳纳米管和高定向热解石墨成本昂贵，且不能单独作为基板材料使用。
5.故基于此，提出本发明技术方案。
技术实现要素：
6.为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种内嵌结构高导热率复合材料及其制备方法。所述内嵌结构高导热率复合材料以多孔陶瓷金属复合材料作为载体，起到支撑作用，降低材料制备成本，超高导热材料可以实现超高导热率，能够有效达到快速传导热量的目的。采用本发明所述的结构设计和制备方法，可制得结构、导热率高度可调的内嵌结构高导热率复合材料。其中，经测试得热导率范围为200～1500w/m
·
k，可有效降低材料制备成本，实现高性能热管理材料快速制备。
7.本发明的方案是，提供一种内嵌结构高导热率复合材料，由超高导热材料和多孔陶瓷金属复合材料构建而成；其中：
8.所述超高导热材料为金刚石金属复合材料、石墨烯金属复合材料、碳纳米管金属复合材料、氮化硼金属复合材料、定向热解石墨中的一种，且横向或纵向热导率大于300w/m
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k；
9.所述多孔陶瓷金属复合材料由多孔陶瓷和金属复合而成，所述多孔陶瓷为sic、aln、bn、si3n4、al2o3、tic、tib2或b4c中的一种；所述金属为纯铜、铜合金、纯铝、铝合金、纯美或镁合金中的一种。
10.优选地，所述多孔陶瓷的孔隙率为30～80％，平均孔径尺寸为0.1～500μm，且所述多孔陶瓷的纯质陶瓷质量分数大于95％。
11.优选地，所述铜合金为黄铜、白铜或青铜中的一种；所述铝合金为铝硅合金、铝镁硅合金、铝铜合金、铝镁合金、铝锰合金、铝锌合金或铝锂合金中的一种；所述镁合金为镁锰合金、镁锂合金、镁稀土合金、镁银合金或镁钍合金中的一种。
12.优选地，所述超高导热材料置于所述多孔陶瓷金属复合材料芯部。
13.优选地，所述超高导热材料嵌于所述多孔陶瓷金属复合材料表面。
14.基于相同的技术构思，本发明的再一方案是，提供一种内嵌结构高导热率复合材料的制备方法，包括如下步骤：
15.(1)制备多孔陶瓷：将多孔陶瓷粉末成型，得坯体；将所述坯体进行烧结保温，得多孔陶瓷；
16.(2)导入超高导热材料：将超高导热材料嵌入双连续陶瓷，得预制体；
17.(3)复合：采用挤压铸造、无压浸渗或压力浸渗中的一种；所述挤压铸造为：将所述预制体于惰性气氛中预热，然后再置入复合模具中并浇铸金属溶液，加压充型即可；所述无压浸渗为：将所述预制体置入复合模具中，并于预制体顶部放入金属溶液，在惰性气氛中浸渗至多孔陶瓷中即可；所述压力浸渗为：将所述预制体置入复合模具中，并于预制体顶部放入金属溶液，抽真空后保温，再充气加压，使金属熔液浸渗入多孔陶瓷中即可。
18.优选地，步骤(1)中，所述烧结温度为1000～2500℃，所述保温的时间大于10min。
19.优选地，所述挤压铸造中，预热的温度为300～1000℃；所述复合模具的温度为200～400℃；所述浇铸的温度为500～1450℃；所述加压为5～200mpa，加压的时间大于5s，保压的时间大于5s。
20.优选地，所述无压渗透中，所述浸渗的温度为700～1400℃，浸渗过程中保温60～120min。
21.优选地，所述压力渗透中，所述浸渗的温度为900～1400℃，浸渗过程中保温60～120min，加压的压力为1～10mpa。
22.另外，所述复合工艺还可以是差压铸造、常压铸造、真空铸造和负压吸铸等方法，使熔融金属进入预制体网孔内，获得内嵌结构高导热率复合材料。
23.本发明的有益效果为：
24.所述内嵌结构高导热率复合材料由多孔陶瓷金属复合材料和超高导热材料构建而成。其中，多孔陶瓷金属复合材料作为载体，起到支撑作用，降低材料制备成本，超高导热材料可以实现超高导热率，能够有效达到快速传导热量的目的。采用本发明所述的结构设
计和制备方法，可制得结构、导热率高度可调的内嵌结构高导热率复合材料。其中，经测试得热导率范围为200～1500w/m
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k，可有效降低材料制备成本，实现高性能热管理材料快速制备。
25.另外，所述的内嵌结构高热导率复合材料具有尺寸、结构、热导率可调特点，有利于不同应用环境需求；且与传统热管理复合材料相比，所述内嵌结构高热导率复合材料实现功能与结构相结合，解决超高热导率复合材料制备成本高、加工困难、不适用作为结构材料使用等缺点；最后，所述内嵌结构高热导率复合材料，制备工艺简单、效率高，其具有广泛的应用前景，可应用于诸多功率器件散热需求领域。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
27.实施例1
28.本实施例提供一种内嵌结构高导热率复合材料的制备方法，包括如下步骤：
29.(1)制备多孔陶瓷：将多孔碳化硅陶瓷粉末压制成型，得坯体；将所述坯体在1700℃、氮气气氛(60％vol)条件下烧结并保温1h，得多孔陶瓷；
30.(2)导入超高导热材料：将平均粒径为320目的镀镍金刚石微粉嵌入所述多孔陶瓷芯部，得预制体；
31.(3)金属熔炼：选用工业纯铝，放入井式炉进行熔炼，温度为850℃，得铝液；
32.(4)挤压铸造：将所述预制体放入真空箱式炉内预热，氩气保护，预热温度为800℃，同时将复合模具预热至300℃。将经过预热的预制体放入温度为300℃的复合模具中，同时将所述850℃铝液浇铸到模具中，并于10s加压至80mpa，同时保压30s。
33.(5)精加工：出模后机加工至需要的尺寸即可获得内嵌金刚石铝复合材料的多孔碳化硅铝复合材料。
34.实施例2
35.本实施例提供一种内嵌结构高导热率复合材料的制备方法，与实施例1不同之处在于内嵌高导热材料为定向热解石墨。
36.实施例3
37.本实施例提供一种内嵌结构高导热率复合材料的制备方法，与实施例1不同之处在于金属熔炼材料为镁铝合金az81，熔炼温度为700℃，约75％空气、约24.8％co2、约0.2％sf6混合气体进行保护。
38.实施例4
39.本实施例提供一种内嵌结构高导热率复合材料的制备方法，与实施例1的不同之处在于挤压铸造金属的选择。挤压铸造的金属选用纯铜，熔炼温度为1380℃。
40.实施例5
41.本实施例提供一种内嵌结构高导热率复合材料的制备方法，包括如下步骤：
42.(1)制备多孔陶瓷：将多孔氮化硅陶瓷粉末压制成型，得坯体；将所述坯体在1800
℃、氮气气氛(55％vol)条件下烧结并保温1h，得多孔陶瓷；
43.(2)导入超高导热材料：将平均粒径为240目的镀钛金刚石微粉嵌入所述多孔陶瓷芯部，得预制体；
44.(3)压力浸渗：首先将所述预制体放入石墨模具，然后将al-7si-mg合金放置于预制体上，将模具放入气压浸渗炉内，抽真空，预热温度为800℃，保温1h。到温后充气加压，压力5mpa，加压时间为60s；保压时间为0.5h。冷却出炉后既得所述内嵌结构高导热率复合材料。
45.实施例6
46.本实施例提供一种内嵌结构高导热率复合材料的制备方法，包括如下步骤：
47.(1)制备多孔陶瓷：将多孔碳化硅陶瓷粉末压制成型，得坯体；将所述坯体在2000℃、氮气气氛(65％vol)条件下烧结并保温0.5h，得多孔陶瓷；
48.(2)导入超高导热材料；将平均粒径为320目的镀镍金刚石/cu复合材料嵌于多孔碳化硅陶瓷材料表面；
49.(3)无压浸渗：首先将预制体放入石墨模具，然后将定量al-12si-mg合金放在预制体上，将模具放入真空炉内，氮气保护，预热温度为1000℃，保温1h，冷却出炉后既得所需复合材料。
50.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。