【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種含負膨脹材料的金剛石/鋁復合材料制備方法。
技術介紹
1、隨著5g時代的到來，電子設備例如高性能計算機芯片、通信基站功率放大器等運算速度和功率不斷攀升，對散熱需求日益嚴峻。以高端cpu為例，熱流密度可達每平方厘米數百瓦，甚至在某些極端工況下能突破1000w/cm2；若熱量無法及時有效地散出，將導致設備溫度升高，進而影響其性能和可靠性，甚至可能導致故障。
2、金剛石為自然界存在的熱導率最高的物質，其與鋁混合制得的金剛石/鋁復合材料成為新型熱管理材料的有力競爭者。金剛石與鋁之間潤濕性差，兩者之間存在界面結合差的問題。國內外研究者通過制備工藝優化、金剛石顆粒表面處理及基體金屬合金化等方式改善金剛石與鋁之間的界面結合，提升金剛石/鋁復合材料的熱導率。其中，金剛石顆粒表面處理及基體合金化改性的方式是通過在增強體金剛石或基體鋁中引入碳化物形成元素，通過在金剛石與鋁界面處形成相應碳化物改善界面結合。金剛石/鋁復合材料在電子封裝用熱管理材料領域具有巨大的應用潛力。
3、盡管如此，在金剛石/鋁復合材料的研究中，熱膨脹系數的調控仍有所缺乏。金剛石熱膨脹系數為1×10-6/k，而鋁的熱膨脹系數高達23×10-6/k。在金剛石/鋁復合材料中，提高金剛石的體積分數可以降低復合材料的熱膨脹系數。然而，金剛石的體積分數受到堆積密度的影響不能無限增大，使得金剛石/鋁復合材料難以完全契合不同電子器件對于熱匹配的多樣化需求。若金剛石/鋁復合材料與半導體芯片之間存在熱膨脹系數的不匹配，當環境溫度發生變化時，兩者因熱膨脹程度的
技術實現思路
1、本專利技術為了降低金剛石/鋁復合材料的熱膨脹系數，實現金剛石/鋁復合材料的熱膨脹系數調控，改善金剛石/鋁復合材料與半導體之間的熱膨脹系數匹配，提供一種利用負膨脹材料降低熱膨脹系數的金剛石/鋁復合材料的制備方法。
2、本專利技術利用負膨脹材料降低熱膨脹系數的金剛石/鋁復合材料的制備方法按照以下步驟進行：
3、一、稱取原料
4、稱取金剛石顆粒、負膨脹材料和鋁基體塊體為原料；
5、所述原料中鋁基體塊體的體積分數為30～38％，金剛石顆粒的體積分數為55～60％，負膨脹材料為余量；
6、所述負膨脹材料為zrw2o8、錳氮化合物或cu2-xmxv2o7；cu2-xmxv2o7中m為mn或ba，0＜x＜2；
7、所述金剛石顆粒平均粒徑大于負膨脹材料；
8、所述鋁基體塊體為純鋁或鋁合金的一種；
9、二、預制體制備
10、將步驟一稱取的負膨脹材料和金剛石顆粒混合并進行球磨，然后將球磨后得到的混合顆粒填入石墨模具中得到預制體；
11、三、復合材料制備
12、將步驟二所得預制體置于真空浸滲爐中，在預制體上放置步驟一稱取的鋁基體塊體；將浸滲爐抽真空操作，隨后在保護氣氛下對預制體和鋁基體進行預熱，預熱后將爐體升溫至680～750℃，然后在680～750℃下進行氣壓浸滲5～15min，最后冷卻脫模，得到復合材料；
13、四、復合材料退火處理
14、對步驟三所得復合材料進行退火處理，去除復合材料中的殘余應力，得到含負膨脹材料的金剛石/鋁復合材料；
15、步驟四所述退火工藝為以5～10℃/min的速率將復合材料升溫至100℃并保溫0.5～1h，隨后以相同的升溫速率升溫至200～450℃保溫0.5～6h，最終以小于5℃/min的速度冷卻至室溫。
16、本專利技術具有如下有益效果：
17、1、本專利技術在金剛石/鋁復合材料的基礎上，引入少量具有負膨脹系數的材料作為增強體，由于不同配比的錳氮化合物或cu2-xmxv2o7或zrw2o8具有出不同的熱膨脹系數特性，制得的金剛石/鋁復合材料熱膨脹系數可調節，可以通過成分設計滿足不同的服役條件下對熱膨脹系數的要求。
18、2、本專利技術引入的負膨脹相顆粒尺寸小于金剛石顆粒，使得負膨脹相可以有效的填充金剛石顆粒之間的空隙，在不降低復合材料中金剛石體積分數的同時引入負膨脹相，進而實現復合材料熱膨脹系數的調控。
19、3、本專利技術采用降低冷卻速度與實施退火處理相結合的方式，去除復合材料中的殘余應力；此外，退火處理有利于g-zrw2o8向a-zrw2o8轉變，采用zrw2o8作為負膨脹相時有利于熱膨脹系數的進一步降低。本專利技術制備的金剛石/鋁復合材料，熱膨脹系數為6～7.5×10-6/k，熱膨脹系數更接近于半導體器件si、gan等，更滿足電子封裝熱管理材料對熱膨脹系數匹配的要求。
20、4、本專利技術采用負膨脹系數材料與高膨脹系數的鋁基體相結合，能夠在溫度變化時，通過負膨脹效應抵消一部分鋁的熱膨脹，從而降低復合材料的整體熱膨脹系數。
21、5、本專利技術引入的zrw2o8、錳氮化合物或cu2-xmxv2o7可以提高基體的力學性能。其中，zrw2o8顆粒在基體中的均勻分散可以增強基體的剛性，阻礙位錯運動；cu2-xmxv2o7中的金屬離子與al可能發生擴散反應形成過渡層，有效緩解由于熱膨脹系數不匹配而產生的內應力，提高復合材料的熱穩定性。
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1.一種利用負膨脹材料降低熱膨脹系數的金剛石/鋁復合材料的制備方法，其特征在于：利用負膨脹材料降低熱膨脹系數的金剛石/鋁復合材料的制備方法按照以下步驟進行：
2.根據權利要求1所述的利用負膨脹材料降低熱膨脹系數的金剛石/鋁復合材料的制備方法，其特征在于：步驟一所述金剛石顆粒為人造單晶金剛石，金剛石顆粒的平均粒徑為100～500μm。
3.根據權利要求1所述的利用負膨脹材料降低熱膨脹系數的金剛石/鋁復合材料的制備方法，其特征在于：步驟一所述負膨脹材料的平均粒徑為30～250μm。
4.根據權利要求1所述的利用負膨脹材料降低熱膨脹系數的金剛石/鋁復合材料的制備方法，其特征在于：步驟一所述金剛石顆粒表面無鍍層金剛石或包覆金屬鍍層的金剛石，所述金屬鍍層的厚度為50～300nm，金屬鍍層為Ti、Cr、Mo或W。
5.根據權利要求1所述的利用負膨脹材料降低熱膨脹系數的金剛石/鋁復合材料的制備方法，其特征在于：步驟一所述鋁合金為Al-Si合金、Al-Si-Cu合金、Al-Cu-Mg合金、Al-Zn-Cu合金、Al-Zn-Mg-Cu合金、Al-Si
6.根據權利要求1所述的利用負膨脹材料降低熱膨脹系數的金剛石/鋁復合材料的制備方法，其特征在于：步驟二所述球磨工藝為：球料比為(10～30):1，轉速為50～300rpm，時間為0.5～10h。
7.根據權利要求1所述的利用負膨脹材料降低熱膨脹系數的金剛石/鋁復合材料的制備方法，其特征在于：步驟三所述預熱溫度為450～550℃，預熱時間為1～3h。
8.根據權利要求1所述的利用負膨脹材料降低熱膨脹系數的金剛石/鋁復合材料的制備方法，其特征在于：步驟三所述保護氣氛為氦氣氣氛、氬氣氣氛、氮氣氣氛中的一種。
9.根據權利要求8所述的利用負膨脹材料降低熱膨脹系數的金剛石/鋁復合材料的制備方法，其特征在于：步驟三所述氣壓浸滲時氣壓設定為5～30MPa。
10.根據權利要求1所述的利用負膨脹材料降低熱膨脹系數的金剛石/鋁復合材料的制備方法，其特征在于：步驟三所述冷卻的速度小于2℃/min。
...【技術特征摘要】
1.一種利用負膨脹材料降低熱膨脹系數的金剛石/鋁復合材料的制備方法，其特征在于：利用負膨脹材料降低熱膨脹系數的金剛石/鋁復合材料的制備方法按照以下步驟進行：
2.根據權利要求1所述的利用負膨脹材料降低熱膨脹系數的金剛石/鋁復合材料的制備方法，其特征在于：步驟一所述金剛石顆粒為人造單晶金剛石，金剛石顆粒的平均粒徑為100～500μm。
3.根據權利要求1所述的利用負膨脹材料降低熱膨脹系數的金剛石/鋁復合材料的制備方法，其特征在于：步驟一所述負膨脹材料的平均粒徑為30～250μm。
4.根據權利要求1所述的利用負膨脹材料降低熱膨脹系數的金剛石/鋁復合材料的制備方法，其特征在于：步驟一所述金剛石顆粒表面無鍍層金剛石或包覆金屬鍍層的金剛石，所述金屬鍍層的厚度為50～300nm，金屬鍍層為ti、cr、mo或w。
5.根據權利要求1所述的利用負膨脹材料降低熱膨脹系數的金剛石/鋁復合材料的制備方法，其特征在于：步驟一所述鋁合金為al-si合金、al-si-cu合金、al-cu-mg合金、al-zn...
【專利技術屬性】
技術研發人員：張強，祝平，馬一夫，王臨朝，王云云，周勇孝，芶華松，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學，
類型：發明
國別省市：
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