[发明专利]一种金刚石/金属基复合材料的高效制备方法

说明书

一种金刚石/金属基复合材料的高效制备方法，涉及一种金刚石/金属基复合材料的制备方法。为了解决现有金刚石表面制备碳化物涂层的方法能量损耗大、金刚石易发生石墨化和工艺复杂的问题。称取具有金属镀层的金刚石粉装填于石墨模具中，振实，进行低温扩散处理和高温反应处理，气压浸渗。本发明通过改变预热温度曲线，对金刚石进行低温长时间扩散和高温短时间反应的处理，高温短时间反应避免了金刚石发生石墨化，在复合材料制备过程中在金刚石表面原位合成了一层致密的碳化物涂层，减少了能量损耗，工艺简单、效率高、产品质量和稳定性易把控、成本低、易于实现产业化生产及应用。本发明适用于制备金刚石/金属基复合材料。

技术领域

本发明涉及一种金刚石/金属基复合材料的制备方法。

背景技术

随着半导体技术的迅猛发展，电子元器件的集成度越来越高，电子功率器件逐渐向小型化、轻量化、高功率密度的方向发展，散热问题已经成为制约电子设备效率及可靠性的关键。传统的Invar、Kovar合金及W-Cu、Mo-Cu等材料，存在热导率低、密度高的缺点；SiC_p/Al等复合材料拥有低密度、可调节的热膨胀系数等优点，然而当前其热导率(低于250W/(m·K))已经难以满足日益增长的散热需求。金刚石兼具优良的导热性能、低热膨胀系数、低密度等优点，其增强的金属基复合材料具有超高热导率和与半导体基板匹配的热膨胀系数，可以满足超大功率电子元器件的散热需求，是目前热管理材料研究的热点。

在实际应用中，不仅要求热管理材料的散热性能良好，还对材料的稳定性有着很高的要求。目前，金刚石/金属基复合材料存在的主要问题是金刚石与金属的界面结合弱，易脱粘。一方面，脱粘界面会导致复合材料界面热阻提高，从而降低复合材料的导热性能；另一方面，脱粘界面也会作为裂纹源，从而降低复合材料的可靠性。目前调控金刚石/铝复合材料界面结构的方法主要包括工艺方法优化、基体合金化以及金刚石表面涂层处理等。相对于其他方法，金刚石表面涂层处理能在不损害基体热导率的前提下实现对界面结构的改善，常见的涂层材料包括W、Ti、Mo、Cr等金属及其碳化物涂层。相对于W、Ti等金属，其碳化物在高温下具备更好的稳定性，不易于溶解入金属基体中，同时普遍具备更高的热导率，是一类更为有效的涂层材料。

为保证制备的碳化物涂层与金刚石之间拥有良好的界面结合，金刚石表面的碳化物涂层必须是通过与金刚石发生化学反应而制备得到的，目前常见的处理方法是在高温下促使W、Ti等金属与金刚石发生反应，这种高温热处理的方法不仅能量损耗大，而且金刚石往往会在高温下发生石墨化的转变，降低了其本征热导率，这对复合材料综合性能不利。除此之外，制备涂层的工艺存在复杂、昂贵、难以批量生产的问题。因此，如何在制备过程中通过改进制备工艺以相对较低的温度原位合成碳化物涂层并制备出高导热、高可靠性的金刚石/金属基复合材料，是充分利用金刚石优异热性能的重要技术。

发明内容

本发明为了解决现有在金刚石表面制备碳化物涂层的方法能量损耗大、金刚石易发生石墨化和工艺复杂的问题，提出一种金刚石/金属基复合材料的高效制备方法。

本发明金刚石/金属基复合材料的高效制备方法按以下步骤进行：

一、称料与装填：

称取具有金属镀层的金刚石粉，将金刚石粉装填于石墨模具的型腔之中，用超声振动台对金刚石粉进行振实；

所述金属镀层为W、Ti、Cr、Mo中的一种；

二、低温扩散处理：

将装有金刚石粉的成型模具放入真空气压浸渗炉内并加热至低温扩散温度进行低温扩散处理；

镀层金属为W时，低温扩散温度为700～750℃，保温时间为6～12h；

镀层金属为Ti时，低温扩散温度为650～700℃，保温时间为5～10h；

镀层金属为Cr时，低温扩散温度为450～500℃，保温时间为4～8h；