專利名稱：高體積分?jǐn)?shù)金剛石顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料零件的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，涉及一種金剛石-銅復(fù)合材料(Diamond-co卯er composites, DCC)及其制備方法。
背景技術(shù)：
金剛石具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，其熱導(dǎo)率最高可達(dá)2200W. m—、 K—、為自然界 中所有已知物質(zhì)熱導(dǎo)率之最，其硬度高達(dá)lOOGPa，熱膨脹系數(shù)約為0. 8-1. OX 10—SK—1。另外， 金剛石還具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐磨性高等一系列優(yōu)點(diǎn)。而作為工程材料的銅有著優(yōu)良的導(dǎo) 電性能和高的導(dǎo)熱性能，其熱導(dǎo)率為400W m—、K—、熱膨脹系數(shù)為17X10—SK—1。因此，由金剛 石顆粒與銅組成的雙連通結(jié)構(gòu)復(fù)合材料(DCC，Diamond-Co卯er Composites)具有優(yōu)異的導(dǎo) 熱性和較小的熱膨脹系數(shù)，是高性能電子裝備用最有發(fā)展前景的新一代封裝材料之一。目 前，DCC材料較為成熟的制備方法主要有高溫高壓燒結(jié)法、氣體或機(jī)械壓力熔滲法以及SPS 燒結(jié)法。這些方法可以靈活地設(shè)計(jì)基體合金成分和增強(qiáng)體的類型，因而在材料性能的可設(shè) 計(jì)性方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。但是，這些方法只能生產(chǎn)形狀簡(jiǎn)單的試樣，并且生產(chǎn)效率低，生 產(chǎn)成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是要解決傳統(tǒng)生產(chǎn)方法只能生產(chǎn)形狀簡(jiǎn)單的試樣，并且生產(chǎn)效率低， 生產(chǎn)成本高的問(wèn)題，提供一種具有高體積分?jǐn)?shù)的金剛石_銅復(fù)合材料零件的制備方法，能 采用較低生產(chǎn)成本直接制備出具有最終形狀和較高尺寸精度的高性能DCC復(fù)合材料零件。
—種高體積分?jǐn)?shù)金剛石顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備方法，復(fù)合材料由銅或銅合 金、金剛石顆粒和過(guò)渡層組成，其中銅或銅合金體積分?jǐn)?shù)為32-45%，金剛石顆粒和過(guò)渡層 體積分?jǐn)?shù)為55-68 X，過(guò)渡層為TiC+Ti的復(fù)合鍍層，金剛石顆粒粒度為100-130 y m，銅合金 添加元素為鎳、鉻中的一種或它們之間的任意組合，其含量以質(zhì)量百分比記為0-11%。
本發(fā)明采用真空鹽浴鍍覆技術(shù)對(duì)金剛石進(jìn)行表面鍍鈦改性處理，形成內(nèi)層為TiC 外層為Ti的復(fù)合鍍層結(jié)構(gòu)，改善金剛石和液態(tài)銅之間的潤(rùn)濕性能、提高金剛石和銅之間的 結(jié)合強(qiáng)度和減小金剛石銅之間的界面熱阻，然后通過(guò)壓制成形制備出金剛石預(yù)成形坯，最 后通過(guò)真空無(wú)壓熔滲的方法使液態(tài)銅均勻滲入金剛石骨架中，從而獲得具有高體積分?jǐn)?shù)、 組織結(jié)構(gòu)均勻、致密的DCC復(fù)合材料零件。具體工藝步驟為
1.金剛石粉末表面預(yù)處理將金剛石粉末進(jìn)行除油和粗化處理；
2.金剛石粉末表面鍍鈦將金剛石粉末與鈦粉采用體積比為1 : 3混合，將混合 粉末充分混合后置于氧化鋁坩堝并壓實(shí)，在混合粉末上面覆蓋足夠的NaCl和KC1混合鹽 (NaCl和KCl的質(zhì)量比為50-58 : 42-50)。真空條件下750-950。C保溫1-2h。然后用水溶 解掉熔鹽，采用篩分法分離出含有鍍鈦層的金剛石粉末。金剛石粉末表面的鈦和碳化鈦層 的厚度為O. l-3ym。其鍍層如圖l所示。 3.零件預(yù)制坯制將經(jīng)過(guò)表面改性的金剛石粉末加入質(zhì)量百分比為1_3%的粘結(jié)劑，充分混合均勻，粘結(jié)劑質(zhì)量百分濃度為5-10 % 。在壓力機(jī)上壓制成形，然后在真空 條件下去除粘結(jié)劑和水分，得到具有一定強(qiáng)度和孔隙率的金剛石骨架，最后將占零件體 積百分比為38-45%銅塊或銅合金置于金剛石骨架上方并一起置于真空熔滲爐中升溫至 1300-145(TC保溫1-3小時(shí)進(jìn)行無(wú)壓熔滲，隨爐冷卻至室溫，即得到金剛石-銅復(fù)合材料。其 工藝流程如圖2所示。 本發(fā)明先將金剛石粉末進(jìn)行表面真空鹽浴鍍鈦處理，使金剛石粉末表面形成一層 從內(nèi)至外結(jié)構(gòu)為TiC+Ti化學(xué)結(jié)合復(fù)合過(guò)渡層，不但大大改善了金剛石和液態(tài)銅之間的潤(rùn) 濕性，提高了金剛石和基體金屬銅之間的界面結(jié)合力，也很好地降低了界面熱阻，提高了復(fù) 合材料的導(dǎo)熱性能，增加了復(fù)合材料在使用過(guò)程中抵抗熱循環(huán)損壞的能力。該復(fù)合材料能 較好滿足電子元器件和集成電路板封裝以及熱沉材料的使用要求。 在銅中參雜微量的合金元素如鉻、鎳(鉻的重量百分比為0_7%，鎳的重量百分比 為0_11% )等，是為了進(jìn)一步提高液態(tài)銅的流動(dòng)性以及增加對(duì)金剛石顆粒的潤(rùn)濕性從而增 加復(fù)合材料的致密度和組織均勻性，并能降低熔滲處理溫度從而進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。采 用真空條件是為了排除骨架中殘余氣體對(duì)熔滲的阻力作用，使熔滲過(guò)程順利快速進(jìn)行。
本發(fā)明所制備的DCC復(fù)合材料，與現(xiàn)有的封裝材料及生產(chǎn)工藝相比具有以下優(yōu) 點(diǎn) 1.金剛石-銅復(fù)合材料同時(shí)結(jié)合了金剛石優(yōu)異的導(dǎo)熱性能、極低的熱膨脹性能、 極高的硬度以及銅的高導(dǎo)熱性能、導(dǎo)電性能和塑性的一系列優(yōu)點(diǎn)，在電子封裝和作為熱沉 用途領(lǐng)域有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?2.對(duì)金剛石進(jìn)行表面改性，使得復(fù)合材料中金剛石顆粒和基體金屬銅的界面之間 形成TiC或Ti的薄過(guò)渡層，不但提高了基體金屬對(duì)金剛石的把持力，還減小了界面熱阻，從 而提高了材料的強(qiáng)度和導(dǎo)熱性能。 3.采用零件近凈成形與無(wú)壓熔滲相結(jié)合的工藝制備具有高體積分?jǐn)?shù)的DCC復(fù)合 材料，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的近凈成形，解決了DCC材料后續(xù)機(jī)械加工困難的難題，其生 產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，降低了生產(chǎn)成本。 綜上所述，本發(fā)明所產(chǎn)生的復(fù)合材料是一種具有高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)的DCC 復(fù)合材料，該復(fù)合材料零件的制備方法簡(jiǎn)單可靠。


圖1為實(shí)施例1中金剛石鍍鈦層SEM照片；
圖2為本發(fā)明的工藝流程具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 :145(TC下制備金剛石_銅復(fù)合材料零件 將平均粒度為110 ii m的人造金剛石顆粒和平均粒度為45 ii m鈦粉按照體積比為 1 : 3的比例混合，在滾筒式球磨機(jī)上混合8小時(shí)。將金剛石和鈦的混合粉末置入氧化鋁坩 堝內(nèi)并壓實(shí)，在上面覆蓋足夠的Nacl和KC1的混合鹽(NaCl和KC1的質(zhì)量比為58 : 42) 后放入真空爐內(nèi)加熱至85(TC并保溫1小時(shí)，取出坩堝并溶解分離出金剛石顆粒。
在經(jīng)過(guò)表面改性的金剛石粉末中加入質(zhì)量百分比為1_3%，質(zhì)量百分濃度為10%的聚乙烯醇(PVA)水溶液，充分混合均勻后將混合粉末填入模腔中，在壓制壓力為6KN，保 壓時(shí)間為2分鐘條件下壓制成形，將壓制體置入干燥箱中干燥4小時(shí)，得到金剛石多孔預(yù)制 坯。由于粘結(jié)劑的干燥后殘留量質(zhì)量百分比僅為O. 1-0. 3%，故粘結(jié)劑的徹底去除在熔滲前 期預(yù)熱過(guò)程中進(jìn)行。 將占零件體積約為40%，純度為99. 999%的銅塊置于金剛石預(yù)成形坯的上方一 起放入真空爐內(nèi)，升溫至50(TC保溫2小時(shí)以完全脫除粘結(jié)劑，然后再升溫至145(TC并保溫 90分鐘，即得到金剛石-銅復(fù)合材料零件。 實(shí)施例2 :135(TC下制備金剛石_銅合金復(fù)合材料零件 將平均粒度為110 ii m的人造金剛石顆粒和平均粒度為45 ii m鈦粉按照體積比為 1 : 3的比例混合，在滾筒式球磨機(jī)上混合8小時(shí)。將金剛石和鈦的混合粉末置入氧化鋁坩 堝內(nèi)并壓實(shí)，在上面覆蓋足夠的Nacl和KC1的混合鹽(NaCl和KC1的質(zhì)量比為58 : 42) 后放入真空爐內(nèi)加熱至85(TC并保溫1小時(shí)，取出坩堝并溶解分離出金剛石顆粒。
在經(jīng)過(guò)表面改性的金剛石粉末中加入質(zhì)量百分比為1_3%，質(zhì)量百分濃度為10% 的聚乙烯醇(PVA)水溶液，充分混合均勻后將混合粉末填入模腔中，在壓制壓力為6KN，保 壓時(shí)間為2分鐘條件下壓制成形，將壓制體置入干燥箱中干燥4小時(shí)，得到金剛石多孔預(yù)制 坯。由于粘結(jié)劑的干燥后殘留量質(zhì)量百分比僅為O. 1-0. 3%，故粘結(jié)劑的徹底去除在熔滲前 期預(yù)熱過(guò)程中進(jìn)行。 將占零件體積約為40%，質(zhì)量百分比分別為Cu 86%， Ni 11 %， Cr 3%的銅合金 塊置于金剛石預(yù)成形坯的上方一起放入真空爐內(nèi)，升溫至50(TC保溫2小時(shí)以完全脫除粘 結(jié)劑，然后再升溫至135(TC并保溫60分鐘，即得到金剛石-銅復(fù)合材料零件。
實(shí)施例3 :140(TC下制備金剛石_銅合金復(fù)合材料零件 將平均粒度為110 ii m的人造金剛石顆粒和平均粒度為45 ii m鈦粉按照體積比為 1 : 3的比例混合，在滾筒式球磨機(jī)上混合8小時(shí)。將金剛石和鈦的混合粉末置入氧化鋁坩 堝內(nèi)并壓實(shí)，在上面覆蓋足夠的Nacl和KC1的混合鹽(NaCl和KC1的質(zhì)量比為58 : 42) 后放入真空爐內(nèi)加熱至85(TC并保溫1小時(shí)，取出坩堝并溶解分離出金剛石顆粒。
在經(jīng)過(guò)表面改性的金剛石粉末中加入質(zhì)量百分比為1_3%，質(zhì)量百分濃度為10% 的聚乙烯醇(PVA)水溶液，充分混合均勻后將混合粉末填入模腔中，在壓制壓力為6KN，保 壓時(shí)間為2分鐘條件下壓制成形，將壓制體置入干燥箱中干燥4小時(shí)，得到金剛石多孔預(yù)制 坯。由于粘結(jié)劑的干燥后殘留量質(zhì)量百分比僅為O. 1-0. 3%，故粘結(jié)劑的徹底去除在熔滲前 期預(yù)熱過(guò)程中進(jìn)行。 將占零件體積約為40%，質(zhì)量百分比分別為Cu 99. 96%， Cr 0. 04%的銅合金塊 置于金剛石預(yù)成形坯的上方一起放入真空爐內(nèi)，升溫至50(TC保溫2小時(shí)以完全脫除粘結(jié) 劑，然后再升溫至140(TC并保溫60分鐘，即得到金剛石-銅復(fù)合材料零件。
權(quán)利要求
一種高體積分?jǐn)?shù)金剛石顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備方法，其特征為復(fù)合材料由銅或銅合金、金剛石顆粒和過(guò)渡層組成，其中銅或銅合金體積分?jǐn)?shù)為32-45％，金剛石顆粒和過(guò)渡層體積分?jǐn)?shù)為55-68％，過(guò)渡層為TiC+Ti的復(fù)合鍍層，金剛石顆粒粒度為100-130μm，銅合金添加元素為鎳、鉻中的一種或它們之間的任意組合，添加元素質(zhì)量百分比含量為銅合金的0-11％；制備過(guò)程采用真空鹽浴鍍覆技術(shù)對(duì)金剛石顆粒進(jìn)行表面鍍鈦改性處理，形成內(nèi)層為TiC外層為Ti的復(fù)合鍍層結(jié)構(gòu)，改善金剛石顆粒和液態(tài)銅之間的潤(rùn)濕性能、提高金剛石顆粒和銅之間的結(jié)合強(qiáng)度和減小金剛石顆粒與銅之間的界面熱阻，然后通過(guò)壓制成形制備出金剛石預(yù)成形坯，最后通過(guò)真空無(wú)壓熔滲的方法使液態(tài)銅均勻滲入金剛石骨架中，從而獲得具有高體積分?jǐn)?shù)、組織結(jié)構(gòu)均勻、致密的高體積分?jǐn)?shù)金剛石顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料零件。
2. 如權(quán)利要求1所述一種高體積分?jǐn)?shù)金剛石顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備方法，其特 征是具體工藝步驟為1) .金剛石顆粒表面預(yù)處理將金剛石顆粒進(jìn)行除油和粗化處理；2) .金剛石顆粒表面鍍鈦將金剛石顆粒與鈦粉采用體積比為l : 3混合，將混合粉末 充分混合后置于氧化鋁坩堝并壓實(shí)，在混合粉末上面覆蓋NaCl和KC1混合鹽，其中NaCl和 KC1的質(zhì)量比為50-58 : 42-50 ;真空條件下750-95(TC保溫l_2h，然后用水溶解掉熔鹽， 采用篩分法分離出含有鍍鈦層的金剛石顆粒，金剛石顆粒表面的鈦和碳化鈦層的厚度為 0. 1-3踐；3) .零件預(yù)制坯制將經(jīng)過(guò)表面改性的金剛石顆粒加入質(zhì)量百分比為1_3%的粘結(jié)劑， 充分混合均勻，粘結(jié)劑質(zhì)量百分濃度為5-10% ;在壓力機(jī)上壓制成形，然后在真空條件下去 除粘結(jié)劑和水分，得到具有一定強(qiáng)度和孔隙率的金剛石骨架，最后將占零件體積百分比為38-45%銅塊或銅合金置于金剛石骨架上方并一起置于真空熔滲爐中升溫至1300-1450°C 保溫1-3小時(shí)進(jìn)行無(wú)壓熔滲，隨爐冷卻至室溫，即得到金剛石_銅復(fù)合材料。
全文摘要
一種高體積分?jǐn)?shù)金剛石顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料零件的制備方法，屬于金屬材料領(lǐng)域，其特征為復(fù)合材料由銅或銅合金、金剛石顆粒和過(guò)渡層組成，其中銅或銅合金體積分?jǐn)?shù)為32-45％，金剛石顆粒和過(guò)渡層體積分?jǐn)?shù)為55-68％。采用生產(chǎn)工藝步驟為先采用真空鹽浴鍍法在金剛石表面形成TiC和Ti的復(fù)合薄鍍層，然后再將改性的金剛石粉末添加適量粘結(jié)劑后壓制成零件形狀的多孔預(yù)制坯，最后將多孔預(yù)制坯和銅或銅合金一起置入真空條件下進(jìn)行無(wú)壓熔滲處理，得到具有高體積分?jǐn)?shù)、高致密的金剛石-銅復(fù)合材料零件。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是可以直接制備出具有高體積分?jǐn)?shù)、形狀復(fù)雜的金剛石-銅復(fù)合材料零件，且復(fù)合材料零件的致密度高，組織分布均勻，可實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，且生產(chǎn)成本低。
文檔編號(hào)C22C49/02GK101768706SQ20101003373
公開日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2010年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月5日
發(fā)明者任淑彬, 何新波, 徐良, 曲選輝, 沈曉宇, 董應(yīng)虎, 郭彩玉 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)