[发明专利]泡沫金刚石骨架增强铜基复合材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明公开了一种泡沫金刚石骨架增强铜基复合材料及制备方法，属于复合材料制备技术领域。

背景技术

随着信息技术的飞速发展，电子及半导体器件的集成度不断增加(如Intel四核处理器i7在270mm²的芯片上集成了约3.71亿个晶体管)，使得器件的功率密度越来越大，发热量迅速攀升，热量不及时散出导致的温升将严重影响器件的工作效率和使用寿命。倘若电子封装材料与半导体芯片之间热膨胀系数不匹配，器件循环工作时产生的热应力易导致器件热疲劳失效。此外，航空航天及交通运输业的快速发展对材料轻量化的要求也日益迫切。因此，高热导率、低热膨胀系数和轻量化是发展现代电子封装材料必须考虑的三大核心要素，在国家“十三五”规划中被列为国家重点支持的新材料。

金刚石是自然界中热导率最高的材料之一(室温可达2200W/mK)，同时其热膨胀系数和密度仅为0.8×10^-6/K和3.52g/cm³，将金刚石作为增强相与高导热金属复合，在保证拥有理想热膨胀系数和低密度的同时，可获得更为优异的导热性能。由于Cu具有比Al更高的热导率和导电率，同时热膨胀系数比Al低，将Cu作为基体金属来制备金刚石颗粒增强金属基复合材料，可实现复合材料热物理性能的进一步提升。同时，Cu的熔点高，也使Cu/金刚石复合材料具有更广的使用范围。因此，将金刚石与铜复合使其兼具高热导、高导电、低热膨胀和耐高温等优异的综合性能，现已成为新一代电子封装材料的研究热点。

金刚石/铜基复合材料是新一代电子封装材料的研究热点，核心是如何提高材料的导热性能，目前国内外主要研究思路是增加金刚石颗粒含量和改善金刚石颗粒/铜的复合界面，均取得了较好的效果。然而，此种复合结构中的金刚石颗粒(热导率1800-2200W/mK)犹如一座座由金属铜(Al：398W/mK)连接的导热孤岛，既增加了两相界面数量，又难产生协同作用，使金刚石优异的导热性能难以充分发挥。本发明的创新思路是在复合材料中构建连续的金刚石网络骨架，变高导热孤岛为高导热通道。然而，对于传统的颗粒增强型复合材料，网络互穿结构的制备难度很大，尤其是金刚石网络结构的制备，高的脆性、高的模量和硬度导致其很难加工成型。

中国发明专利CN105112754A提出了一种三维网络金刚石骨架增强金属基复合材料及制备方法，其中金属三维网络骨架衬底采用机械加工方法制备或采用金属线编织而成。然而，传统的机械加工方法属于多维加工，加工工序多，成本较高。此外，机械加工受制于传统机械加工手段和设备的束缚，对三维多孔骨架内部孔径、联通性的精细控制难度较大。采用金属线编织的方法，存在三维孔隙间含有缝隙，且工艺流程复杂等问题。

发明内容

本发明泡沫金刚石骨架增强铜基复合材料，所述复合材料包括增强体、基体材料，所述增强体包括泡沫骨架衬底、金刚石强化层，所述泡沫骨架衬底表面设有金刚石强化层；所述泡沫骨架衬底选自泡沫金属骨架、泡沫陶瓷骨架、泡沫碳骨架中的一种，所述基体材料选自铜及铜基合金。

本发明泡沫金刚石骨架增强铜基复合材料，所述泡沫金属骨架选自泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛、泡沫钴、泡沫钨、泡沫钼、泡沫铬、泡沫铁镍、泡沫铝中的一种；所述泡沫陶瓷骨架选自泡沫A1₂O₃、泡沫ZrO₂、泡沫SiC、泡沫Si₃N₄、泡沫BN、泡沫B₄C、泡沫AlN、泡沫WC、泡沫Cr₇C₃中的一种。

本发明泡沫金刚石骨架增强铜基复合材料，所述泡沫骨架衬底中，泡沫孔径为0.01-10mm，开孔率40-99.9％，泡沫孔洞均匀分布或随机分布；泡沫骨架为平面结构或三维立体结构。

本发明泡沫金刚石骨架增强铜基复合材料，所述金刚石强化层选自金刚石膜、石墨烯包覆金刚石、碳纳米管包覆金刚石、碳纳米管/石墨烯包覆金刚石中的至少一种。

本发明泡沫金刚石骨架增强铜基复合材料，金刚石强化层中，石墨烯包覆金刚石是指在金刚石表面原位生长石墨烯，且石墨烯垂直于金刚石表面形成石墨烯墙；

碳纳米管包覆金刚石是指在金刚石表面催化生长碳纳米管，且碳纳米管垂直于金刚石表面形成碳纳米管林；

石墨烯/碳纳米管包覆金刚石是指在金刚石表面原位生长石墨烯膜后再催化生长碳纳米管林，且石墨烯在金刚石表面铺展成膜，碳纳米管垂直于金刚石和石墨烯表面形成碳纳米管林。