[发明专利]一种高体量金刚石增强金属基复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种高体量金刚石增强金属基复合材料及其制备方法和应用，所述高体量金刚石增强金属基复合材料包含梯度硼掺杂金刚石增强金属基复合材料、金刚石层强化相，所述金刚石层强化相包覆于梯度硼掺杂金刚石增强金属基复合材料的表面；所述梯度硼掺杂金刚石增强金属基复合材料包含梯度硼掺杂金刚石增强体、金属基体；所述梯度硼掺杂金刚石增强体包括无掺杂的金刚石增强体、以及设置于金刚石增强体表面的梯度硼掺杂金刚石改性层。本发明通过提高复合材料中金刚石的体量来大幅度提高热导率，同时，由于纯金刚石层硬度均匀，也更易加工，更方便的应用于各个领域。

技术领域

本发明涉及一种高体量金刚石增强金属基复合材料制备方法及应用，属于热管理复合材料制备技术领域。

背景技术

随着信息技术的不断发展，5G网络越来越深入地影响着社会生活，电子产品在实现智能化的同时逐步向轻薄化、高性能和多功能方向发展，这大大增加了电子产品的集成度和组装密度，不断提高的电子产品的集成度和组装密度导致工作功耗和发热量急剧增大，散热问题会成为电子设备亟需解决的问题。此外，国防军工(如雷达系统、红外探测器等)、航天航空(如大型飞机、导航卫星等)以及交通运输(高铁、磁悬浮等)领域的数字化、智能化发展，对大功率电子元件的需求骤增，对热管理材料的高导热及轻量化的要求也日益迫切。现有的导热材料对于激增的热量起到的散热效果有限，难以解决日益严重的发热问题。目前，多个领域面临的严峻的热管理问题迫切需要新型导热材料的出现，开发新一代的热管理材料已成为推动相关产业可持续发展亟待解决的问题。

金刚石具有非常优异的机械性能、热学性能、透光性、半导体性能及化学惰性,是一种不可多得的多功能材料。天然金刚石的热导率为2200W/(mK)，比SiC高4倍,是铜热导率的五倍，铝的十倍左右。此外，金刚石的热膨胀系数(8.6×10-7/K-1)和密度(3.52g/cm3)较低，将其作为增强材料复合用作热管理材料，可使得复合材料具有较高的热导率，同时又满足低膨胀系数和轻质化得要求。研究人员将金刚石和金属两种材料的优点结合起来，充分发挥他们优异的导热性能和力学性能，制备出具有较高热导率、较低热膨胀系数、较低密度的金刚石/金属基复合材料，逐渐成为新一代热管理材料的研究热点。

目前金刚石/金属基复合材料主要有两种复合形式，一是颗粒金刚石增强金属基复合材料，二是连续相金刚石增强金属基复合材料，

对于颗粒金刚石增强金属基复合材料，虽然理论热导率较高，但是其目前的导热性能和理论预期还有一定的差距。究其原因，主要有以下两点：一、金刚石与金属的润湿性较差，二者之间的界面能较高，在界面结合处往往会形成不同程度的缺陷，它们会增大电子和声子的散射，降低电子和声子的平均自由程，从而使得复合材料的热导率降低。二、在复合材料中，金刚石颗粒呈离散分布，与铜基体之间存在着大量的界面，如同一个个导热的孤岛。由此带来的界面热阻将会削弱复合材料的导热性能，难以发挥出优良的导热潜力。

而通过化学气相沉积技术在高纯金刚石层的表面沉积一层硼掺杂金刚石层，逐步递增掺硼浓度，将其与金属基体复合，薄的硼掺杂金刚石层对于金刚石本身的热导率有着极小的影响，保证了增强体的高热导率，同时硼的梯度掺杂改善金刚石增强体与金属基体的润湿性，大幅度提高复合材料的导热效率，然而这种方式生长出来的金刚石含量受金属衬底的限制，很难沉积出高体量金刚石，使得复合材料热导率提高程度有限。

发明内容

本发明的目的在于克服现有化学气相沉积技术沉积的金刚石增强复合材料中金刚石含量过低这一缺陷，提供一种高体量金刚石增强金属基复合材料及制备方法与应用；通过化学气相沉积技术构建高导热的金刚石增强体，与金属基体复合，制备出复合材料，随后通过化学气相沉积方式在复合材料表面沉积纯金刚石层，提高复合材料中金刚石的体量来大幅度提高热导率，同时，由于纯金刚石层硬度均匀，也更易加工，更方便的应用于各个领域。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：