[发明专利]一种制备具有高体积分数金刚石/铝复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属基复合材料的成形技术，特别涉及一种制备具有高体积分数金刚石/铝复合材料的方法。

背景技术

颗粒增强铝基复合材料是复合材料领域中研究最多、应用最广的一种复合材料。高体积分数(>50vol％)Diamond/Al复合材料因其具有优异的物理和力学性能，优异的尺寸稳定性、可与Si、GaAs等半导体基片匹配的低线膨胀系数、远高于绝大多数复合材料的热导率，已成为最为理想的电子封装材料之一，在航空、航天和国防等领域有着诱人的应用背景，因此，近年来该材料的研究一直是材料研究领域的一大热点。目前，制备高体积分数Diamond/Al复合材料较成熟的方法主要有粉末冶金法和金刚石预成形坯—Al液熔渗法。传统的粉末冶金法采用简单的混粉－压形－烧结三步工艺，可以灵活地选择基体合金成分和增强体的类型，性能的可设计范围较大。但该方法生产Diamond/Al最大体积分数仅为55％左右，并且生产效率低，生产成本高。金刚石预成形坯—Al液熔渗法可以制备出高体积分数的复合材料(可达70％)，该方法首先是将一定比例的金刚石微粉和成形剂(如石蜡、水等)通过粉末冶金模压技术制备出金刚石预成形坯，然后将成形剂脱除并进行预烧结制备出具有一定孔隙度的金刚石骨架，最后通过压力将Al熔液渗入到金刚石骨架的孔隙中，从而制备出高体积分数的Diamond/Al复合材料。由于熔渗过程中Al液会与金刚石表面反应生成Al₄C₃，而该化合物稳定性差、易潮解，会对制备的复合材料性能造成较大影响，通常需要在Al液中添加强碳化物形成元素扩散至金刚石表面与其反应来避免铝基体与金刚石的直接接触。其中Al-Si合金作为一种廉价合金而被使用，在熔渗过程中，Si与金刚石表面反应形成SiC来减少Al₄C₃的生成。但是，由于熔渗过程中会有大量Al-Si共晶组织在基体中析出，不仅不能充分与金刚石表面反应也会降低Al基体的导热性能。作为一种变质剂，Al-10Sr合金被应用于Al-Si合金冶炼中来毒化共晶硅组织的长大台阶，因此使得粗大条块状Al-Si共晶组织的析出与长大变得困难，可以保证在较低的熔渗温度下在Al液中存在大量过饱和的硅元素，使其与金刚石表面反应更加均匀充分，同时减少Al-Si共晶组织在Al基体中的析出,避免了对Al基体导热性能的不利影响。因此采用金刚石预成形坯-变质Al-Si合金真空熔渗技术不仅能够制备出组织均匀、致密度高的高体积分数Diamond/Al复合材料。同时，由于硅元素与金刚石表面反应充分而形成的均匀的SiC界面层，有效降低了Al₄C₃在界面的生成，制备的Diamond/Al复合材料不易潮解，产品寿命提高，使得高体积分数Diamond/Al复合材料的使用更加稳定高效。

发明内容

综上所述，本发明有必要提供一种制备具有高性能的高体积分数金刚石颗粒增强铝基复合材料的方法。

本发明所述的一种制备具有高体积分数金刚石/铝复合材料的方法，采用粉末冶金模压技术制备出金刚石预成形坯，将成形剂脱除并进行预烧结制备出具有一定孔隙度的金刚石骨架，然后通过在Al-Si合金中添加Al-10Sr变质剂，最后将变质后的Al-Si合金熔液渗入到金刚石骨架的孔隙中，从而制备出高体积分数的Diamond/Al复合材料；

具体工艺步骤为：

1)将所选用的金刚石与所配制的粘结剂按照一定的比例在混炼机上于110℃～130℃混炼1.5～2个小时，粉末装载量为50～70vol.％，采用粉末冶金模压技术制备出金刚石预成形坯，然后采用真空脱脂，脱除粘结剂并进行预烧结得到具有一定孔隙度和强度的金刚石骨架；

2)将占零件30～50vol.％的Al-Si合金置于石墨坩埚中真空条件下加热至680℃～730℃，加入定量Al-10Sr变质剂，并保温10～30min使变质完全；

3)将变质处理后的Al-Si合金浇注熔渗入金刚石骨架内并保温1～4h使熔渗充分彻底且Si与金刚石表面反应完全，自然冷却至室温，即为复合材料。

其中，配制的粘结剂为多聚合物组元石蜡基(PW)粘结剂，以高密度聚乙烯(HDPE)、乙烯－醋酸乙烯脂共聚物(EVA)作为增塑剂，以硬脂酸(SA)为表面活性剂，各组元重量百分比为PW：HDPE：EVA：SA＝(70～80)：(10～15)：(5～10)：(0～5)。

其中，Al-Si合金的成分为Al-(3～12)wt.％Si，变质剂在Al-Si合金中的含量为200～800ppm。