一種金剛石導(dǎo)熱復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種金剛石導(dǎo)熱復(fù)合材料及其制備方法。具體地，本發(fā)明公開了一種金剛石-金屬?gòu)?fù)合材料及其制備方法，所述的復(fù)合材料包括金屬基體以及分布于所述基體內(nèi)部和/或表面的金剛石顆粒，其中至少部分或全部所述金剛石顆粒通過(guò)納米晶須結(jié)合于所述金屬基體。該復(fù)合材料具有高界面強(qiáng)度，高導(dǎo)熱率、低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。
【專利說(shuō)明】一種金剛石導(dǎo)熱復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金剛石導(dǎo)熱復(fù)合材料領(lǐng)域。具體地，本發(fā)明涉及一種金剛石導(dǎo)熱復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展，電子封裝、組裝的高密度、高速度化集成電路對(duì)封裝材料的性能提出了更為嚴(yán)格的要求。目前，各種新型封裝材料己成為各國(guó)競(jìng)相研發(fā)的熱點(diǎn)。新型微電子封裝材料不僅要有高的導(dǎo)熱率，而且還必須具有與半導(dǎo)體材料相匹配的熱膨脹系數(shù)。金剛石是自然界中導(dǎo)熱率最高的已知物質(zhì)，高品質(zhì)單晶金剛石的導(dǎo)熱率可達(dá)到2000ff/(m.Κ)，且室溫下金剛石是絕緣體，還具有介電常數(shù)低、熱膨脹系數(shù)低等特點(diǎn)，但單一的金剛石不易制作成封裝材料，且生產(chǎn)成本很高。較理想的是將其做成金屬基復(fù)合材料。
[0003]金屬銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能和高的導(dǎo)熱性能，它的熱膨脹系數(shù)(CTE)為17 X 10_6Κ，導(dǎo)熱率(TC)為400W/ (m.K)，將金剛石與銅復(fù)合形成金剛石/銅復(fù)合材料，通過(guò)調(diào)節(jié)金剛石體積分?jǐn)?shù)實(shí)現(xiàn)高熱導(dǎo)和可調(diào)熱膨脹，完全滿足熱管理材料的要求。
[0004]然而金剛石-銅復(fù)合材料的制備難點(diǎn)在于:金剛石與銅的潤(rùn)濕性極差。在1150°C下金剛石與銅的浸潤(rùn)角為145°，它們之間高溫沒(méi)有固相反應(yīng)發(fā)生，金剛石與銅難以燒結(jié)出致密的復(fù)合材料。人們?yōu)榱嗽黾咏饎偸w粒與銅的界面結(jié)合性，通常采用是在金剛石顆粒表面鍍銅，或沉積金屬碳化物薄膜方式來(lái)完成，而最終形成的界面仍為面-面接觸的二維界面結(jié)構(gòu)，界面強(qiáng)度等性能仍有欠缺。
[0005]因此，本領(lǐng)域急需研發(fā)一種界面強(qiáng)度強(qiáng)、熱性能優(yōu)異的金剛石與金屬的復(fù)合材料。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種界面強(qiáng)度強(qiáng)、熱性能優(yōu)異的金剛石與金屬的復(fù)合材料。
[0007]本發(fā)明的另一目的是提供一種操作簡(jiǎn)便的上述復(fù)合材料的制備方法。
[0008]在本發(fā)明第一方面中，提供了一種高熱導(dǎo)性能的金剛石-金屬?gòu)?fù)合材料，所述的復(fù)合材料包括金屬基體以及分布于所述基體內(nèi)部和/或表面的金剛石顆粒，其中至少部分或全部所述金剛石顆粒通過(guò)納米晶須結(jié)合于所述金屬基體。
[0009]在另一優(yōu)選例中，所述的結(jié)合為化學(xué)鍵結(jié)合。
[0010]在另一優(yōu)選例中，所述的納米晶須為硼納米晶須或氮化硼納米晶須。
[0011]在另一優(yōu)選例中，所述的高導(dǎo)熱性能的金剛石-金屬?gòu)?fù)合材料具有如下一種或多種特征:
[0012](a)密度為 6_8.5g/cm3 ;和 / 或
[0013](b)導(dǎo)熱率≥ 400ff/m.K ;和 / 或
[0014](c)熱膨脹系數(shù)< 15 μ m/m.K。
[0015]在另一優(yōu)選例中，所述的納米晶須具有如下特征:(i)直徑為l-5000nm;和/或
(ii)長(zhǎng)度為0.1- 300 μ m;和/或(iii)在金剛石顆粒表面的密度為1- 10000個(gè)/ μ m2。[0016]在另一優(yōu)選例中，所述的金剛石顆粒的粒徑為0.1-1000 μ m。
[0017]在另一優(yōu)選例中，所述金剛石顆粒的粒徑為10 μ m-400 μ m ;更佳地為50 μ m-350 μ m。
[0018]在另一優(yōu)選例中，所述的金屬基體包括:銅、招、銀、或它們的合金。
[0019]在另一優(yōu)選例中，所述的金剛石-金屬?gòu)?fù)合材料按如下方法制得:
[0020](I)在金剛石顆粒表面原位生長(zhǎng)納米晶須，從而形成金剛石一納米晶須復(fù)合體；以及
[0021](2)將步驟(1)的金剛石一納米晶須復(fù)合體與金屬基體進(jìn)行燒結(jié)處理，從而形成所述的金剛石-金屬?gòu)?fù)合材料。
[0022]在本發(fā)明的第二方面中，提供了一種金剛石-金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，包括步驟:
[0023](I)在金剛石顆粒表面原位生長(zhǎng)納米晶須，從而形成金剛石一納米晶須復(fù)合體；以及
[0024](2)將步驟(1)的金剛石一納米晶須復(fù)合體與金屬基體進(jìn)行燒結(jié)處理，從而形成本發(fā)明第一方面所述的金剛石-金屬?gòu)?fù)合材料。
[0025]在另一優(yōu)選例中，所述的金屬基體包括:銅、鋁、銀、或它們的合金；和/或所述的納米晶須為硼納米晶須或氮化硼納米晶須。
[0026]在另一優(yōu)選例中，所述的金屬基體為粉末狀的。
[0027]在另一優(yōu)選例中，在步驟(2)中，按金剛石一納米晶須復(fù)合體與金屬基體的總重量計(jì)算，金屬基體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 - 90%。
[0028]在另一優(yōu)選例中，所述步驟(1)包括步驟:
[0029](1.1)提供包含金剛石顆粒、硼原料和金屬催化劑的混合物；
[0030](1.2)在真空中、或在氫氣、氬氣、或其組合氣體的還原性氣氛或惰性氣氛中，將步驟(1.1)的混合物進(jìn)行加熱反應(yīng)，從而形成金剛石一硼納米晶須復(fù)合體；以及
[0031]任選地(1.3)將步驟(1.2)獲得的金剛石一硼納米晶須復(fù)合體在氮?dú)饣虬睔庵羞M(jìn)行加熱反應(yīng)，從而形成金剛石一氮化硼納米晶須復(fù)合體；
[0032]或所述步驟(1)包括步驟:
[0033](1-1)提供包含金剛石顆粒、硼原料和金屬催化劑的混合物；和
[0034](1-2)在氮?dú)饣虬睔庵校瑢⒉襟E(1-1)的混合物進(jìn)行加熱反應(yīng)，從而形成金剛石一氮化硼納米晶須復(fù)合體。
[0035]在另一優(yōu)選例中，所用的硼原料為粉末狀或液態(tài)；和/或所用的硼原料包括單質(zhì)硼和硼化合物(較佳地，所述的硼化合物包括硼酸)。
[0036]在另一優(yōu)選例中，所述步驟(1.1)或步驟(1-1)中，按混合物總重量計(jì)算，硼原料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為I 一 15wt% ;較佳地為5 -1Owt%。
[0037]在另一優(yōu)選例 中，所述的金屬催化劑為銅、金、鎳、鉬、或它們的合金。
[0038]在另一優(yōu)選例中，所述步驟(1.1)或步驟(1-1)中，按混合物總重量計(jì)算，金屬催化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10-90wt% ;較佳地為20-85wt% ;更佳地為30 — 75wt%。
[0039]在另一優(yōu)選例中，上述各個(gè)步驟中，
[0040]所述的加熱反應(yīng)在800_1150°C下進(jìn)行；和/或[0041]所述的加熱反應(yīng)在壓力為IPa - 120kPa的氣氛下進(jìn)行。
[0042]在另一優(yōu)選例中，所述步驟(2)為:在800 - 1150°C下，在10 - 150MPa下，將步驟
(I)的金剛石一納米晶須復(fù)合體與金屬基體進(jìn)行燒結(jié)處理，從而形成金剛石-金屬?gòu)?fù)合材料。
[0043]在本發(fā)明第三方面中，提供了一種制品，包含本發(fā)明第一方面所述的金剛石-金屬?gòu)?fù)合材料。
[0044]在本發(fā)明第四方面中，提供了本發(fā)明第一方面所述的金剛石-金屬?gòu)?fù)合材料的用途，用于機(jī)械制品、復(fù)合材料或電子元器件。
[0045]應(yīng)理解，在本發(fā)明范圍內(nèi)中，本發(fā)明的上述各技術(shù)特征和在下文(如實(shí)施例)中具體描述的各技術(shù)特征之間都可以互相組合，從而構(gòu)成新的或優(yōu)選的技術(shù)方案。限于篇幅，在
此不再一一累述。 【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0046]圖1顯示了金剛石顆粒表面原位生長(zhǎng)的氮化硼納米晶須后與銅基體結(jié)合的示意圖。首先在金剛石顆粒表面預(yù)處理生長(zhǎng)出氮化硼納米晶須，提高了金剛石顆粒的表面面積，然后將生長(zhǎng)有氮化硼納米晶須的金剛石顆粒與銅混合制備金剛石-銅復(fù)合材料。
[0047]圖2為金剛石顆粒表面生長(zhǎng)氮化硼晶須掃描電子顯微圖，圖2A為金剛石顆粒表面硼納米線5000倍顯微圖片；圖2B為金剛石顆粒表面硼納米線20000倍顯微圖片。
[0048]圖3為一個(gè)氮化硼晶須的透射電子顯微鏡圖(如圖3A)和相應(yīng)的電子衍射圖(如圖 3B)。
【具體實(shí)施方式】
[0049]本發(fā)明人經(jīng)過(guò)廣泛而深入的研究，意外地發(fā)現(xiàn)一種高熱導(dǎo)性能的金剛石-金屬?gòu)?fù)合材料，其包括金屬基體以及分布于所述基體內(nèi)部和/或表面的金剛石顆粒，其中至少部分或全部所述金剛石顆粒通過(guò)納米晶須結(jié)合于所述金屬基體。其中納米晶須的存在顯著改善了金剛石與金屬的界面強(qiáng)度，使得該復(fù)合材料具有高導(dǎo)熱率、熱膨脹系數(shù)可控等優(yōu)點(diǎn)。將在此基礎(chǔ)上，發(fā)明人完成了本發(fā)明。
[0050]金剛石一納米晶須復(fù)合體
[0051]本發(fā)明的金剛石一納米晶須復(fù)合體包括金剛石顆粒以及結(jié)合(通過(guò)化學(xué)鍵結(jié)合)于所述金剛石顆粒表面的納米晶須。
[0052]納米晶須
[0053]如本文所用，本發(fā)明的納米晶須包括:硼納米晶須和氮化硼納米晶須等。
[0054]優(yōu)選地，本發(fā)明的納米晶須具有以下特征:(i)直徑為l_5000nm(較佳地為I~500nm ;更佳地為5~IOOnm);和/或(ii)長(zhǎng)度為0.1 - 300 μ m(較佳地為I~300 μ m ;更佳地為10~IOOym)和/或(iii)在金剛石顆粒表面的密度為1-10000個(gè)/ μ m2 (較佳地為 10 — 5000 個(gè) / μ m2 或 10-2000 個(gè) / μ m2)。
[0055]金剛石顆粒
[0056]本發(fā)明所用的金剛石顆粒是供本發(fā)明納米晶須生長(zhǎng)的基底，同時(shí)也是擴(kuò)散硼原子的載體。并且在本發(fā)明中，金剛石是硼原子擴(kuò)散必不可少的載體材料，沒(méi)有它無(wú)法形成硼納米晶須或硼化合物納米晶須。例如利用硅，石墨等材料代替金剛石，由于其晶格參數(shù)的差異，均起不到硼原子擴(kuò)散載體的作用，無(wú)法形成硼納米晶須或硼化合物納米晶須。
[0057]本發(fā)明的金剛石顆?？梢允侨我獬叽绲念w粒,優(yōu)選采用粒徑為0.1 μ m-10000 μ m的金剛石顆粒；較佳地采用粒徑為10μπι-1000μπι的金剛石顆粒；更佳地采用粒徑為50 μ m-1000 μ m的金剛石顆粒。
[0058]金屬基體
[0059]如本文所用，所述的金屬基體包括:銅基體、鋁基體、銀基體等導(dǎo)熱率較高的金屬基體。
[0060]金剛石-金屬?gòu)?fù)合材料
[0061]本發(fā)明的金剛石-金屬?gòu)?fù)合材料，其中，所述的復(fù)合材料包括金屬基體以及分布于所述基體內(nèi)部和/或表面的金剛石顆粒，其中至少部分或全部所述金剛石顆粒通過(guò)納米晶須結(jié)合(通過(guò)化學(xué)鍵結(jié)合)于所述金屬基體。其中，所述的“至少部分所述金剛石顆?！笔侵钢辽?0%的金剛石顆粒(優(yōu)選至少50%的金剛石顆粒；更優(yōu)選地為至少70%的金剛石顆粒)。
[0062]優(yōu)選地，所述的金剛石-金屬?gòu)?fù)合材料具有如下一種或多種特征:(a)密度為5-9g/cm3(較佳地，其密度為6-8.5g/cm3) ； (b)導(dǎo)熱率≥400W/m.K (其導(dǎo)熱率甚至≥700ff/m.K ;較佳地為600-1000ff/m.K ;更佳地為600-800ff/m.K) ; (c)熱膨脹系數(shù)≤15 μ m/m.K (較佳地為 4-12 μ m/m.K ;更佳地為 5-8 μ m/m.K)。
[0063]優(yōu)選地，所述的納米晶須為硼納米晶須或氮化硼納米晶須。以氮化硼納米晶須為例，在本發(fā)明的金剛石-金屬?gòu)?fù)合材料中，所述的金剛石顆粒與金屬基體(如銅基體)通過(guò)高強(qiáng)度的氮化硼納米晶須連接，形成了一種新穎的三維接觸界面結(jié)構(gòu)。氮化硼納米晶須增強(qiáng)了金剛石與金屬間的浸潤(rùn)性，同時(shí)由于納米晶須具有巨大的比表面，從而大大增加了與金屬的接觸面積。另外，氮化硼本身是良好的導(dǎo)熱材料，金剛石內(nèi)的聲子與氮化硼內(nèi)的聲子進(jìn)行耦合，再通過(guò)氮化硼納米晶須的巨大側(cè)表面與金屬中的電子耦合，大幅度提高了復(fù)合材料的導(dǎo)熱能力。
[0064]硼原料
[0065]如本文所用，所述的硼原料可以為粉末狀或液態(tài)。當(dāng)然所述的硼原料可以是單質(zhì)硼和硼化合物(優(yōu)選地，所述硼化合物包括硼酸)。
[0066]金屬催化劑
[0067]如本文所用，所述的金屬催化劑優(yōu)選包括銅、金、鎳、鉬、銀、或它們的合金；更佳地為純銅(優(yōu)選純度≥99.99%的銅)或銅合金(例如銅鐵合金、銅鉻合金、銅鎳合金等)。所述的金屬催化劑可以是粉體或塊體的金屬(合金)。
[0068]在加熱反應(yīng)中，所述的金屬催化劑會(huì)形成納米液滴，并成為硼納米線或硼化物納米線生長(zhǎng)的催化劑。
[0069]制備方法
[0070]本發(fā)明提供了一種金剛石-金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，優(yōu)選地所述方法包括如下步驟: [0071](I)金剛石預(yù)處理步驟:
[0072]在金剛石顆粒表面原位生長(zhǎng)納米晶須，從而形成金剛石一納米晶須復(fù)合體；[0073]優(yōu)選地，所述步驟(1)包括步驟:
[0074](1.1)提供包含金剛石顆粒、硼原料和金屬催化劑的混合物；
[0075](1.2)在真空中、或在氫氣、氬氣、或其組合氣體的還原性氣氛或惰性氣氛中，將步驟(1.1)的混合物進(jìn)行加熱反應(yīng)，從而形成金剛石一硼納米晶須復(fù)合體；以及
[0076]任選地(1.3)將步驟(1.2)獲得的金剛石一硼納米晶須復(fù)合體在氮?dú)饣虬睔庵羞M(jìn)行加熱反應(yīng)，從而形成金剛石一氮化硼納米晶須復(fù)合體；
[0077]或所述步驟(1)包括步驟:
[0078](1-1)提供包含金剛石顆粒、硼原料和金屬催化劑的混合物；和
[0079](1-2)在氮?dú)饣虬睔庵?，將步驟(1-1)的混合物進(jìn)行加熱反應(yīng)，從而形成金剛石一氮化硼納米晶須復(fù)合體。
[0080]上述各個(gè)步驟中，所述的加熱反應(yīng)優(yōu)選地在800-1150°C下進(jìn)行；所述的加熱反應(yīng)優(yōu)選地在壓力為IPa - 120kPa的氣氛下進(jìn)行。
[0081]在另一優(yōu)選例中，所述步驟(1.1)或步驟(1-1)中，按混合物總重量計(jì)算，硼原料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為I 一 15wt% ;較佳地為5 -1Owt%。
[0082]在另一優(yōu)選例中，所述步驟(1.1)或步驟(1-1)中，按混合物總重量計(jì)算，金屬催化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10-90wt% ;較佳地為20-85wt% ;更佳地為30 — 75wt%。
[0083](2)金剛石-金屬?gòu)?fù)合材料制備步驟:
[0084]將步驟(1)的金剛石一納米晶須復(fù)合體與金屬基體進(jìn)行燒結(jié)處理，從而形成本發(fā)明的金剛石-金屬?gòu)?fù)合材料。
[0085]優(yōu)選地，所述步驟⑵為:在800 - 1150°C (或850-1000°C )下，在10 - 150MPa(優(yōu)選IO-1OOMPa或10-80MPa)下，將步驟(1)的金剛石一納米晶須復(fù)合體與金屬基體進(jìn)行燒結(jié)處理，從而形成金剛石-金屬?gòu)?fù)合材料。
[0086]在步驟(2)中，按金剛石一納米晶須復(fù)合體與金屬基體的總重量計(jì)算，金屬基體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10 - 90wt% (優(yōu)選 30-80wt%* 50 — 80wt% )。
[0087]該方法所使用的主要設(shè)備便宜、易得，采用一般的熱壓設(shè)備即可，例如包括:真空碳管爐，放電等離子體燒結(jié)爐或熱壓爐等。
[0088]本發(fā)明提供的金剛石-金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法將金剛石表面改性原位生長(zhǎng)納米晶須與超高導(dǎo)熱復(fù)合材料制備結(jié)合起來(lái)，通過(guò)調(diào)節(jié)金剛石表面預(yù)處理過(guò)程中的氣氛、壓力和溫度，在高溫下處理金剛石顆粒表面，原位生長(zhǎng)納米晶須，顯著提高了金剛石與金屬之間的結(jié)合強(qiáng)度，從而減小了熱阻，提高了導(dǎo)熱率，且制得的復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)可控。
[0089]現(xiàn)以氮化硼納米晶須為例，說(shuō)明本發(fā)明的制備方法主要包括以下優(yōu)點(diǎn):
[0090](I)金剛石顆粒通過(guò)預(yù)處理步驟，金剛石顆粒表面原位生長(zhǎng)出氮化硼納米晶須(作為氮化硼層或界面增強(qiáng)相)，不僅提高了金剛石界面與金屬(如銅)的接觸面積，而且由于在高溫下金屬與氮化硼之間的潤(rùn)濕性很好，相較于金屬與金剛石直接結(jié)合，通過(guò)氮化硼層結(jié)合的金剛石和金屬之間的潤(rùn)濕程度顯著改善，且氮化硼具有優(yōu)異的導(dǎo)熱率，氮化硼層的厚度可以通過(guò)改變預(yù)處理的溫度和保溫時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)，使得經(jīng)快速燒結(jié)致密化獲得的復(fù)合材料具有高導(dǎo)熱性能，以及可控的熱膨脹系數(shù)。而且氮化硼層(或界面增強(qiáng)相)在金屬基體中分布均勻，因此金剛石和金屬之間的界面結(jié)合強(qiáng)度高。
[0091](2)金剛石預(yù)處理步驟的溫度低(最高溫度約為1150°C )，處理時(shí)間短，因此，在如氮?dú)饣虬睔獾葰夥障拢軜O大地阻止金剛石石墨化。
[0092]采用本發(fā)明制備方法獲得的金剛石-金屬?gòu)?fù)合材料導(dǎo)熱率高達(dá)700W/m.K,熱膨脹低于7.6 μ m/m.V，致密度達(dá)96%以上。
[0093]應(yīng)用
[0094]本發(fā)明的金剛石一金屬?gòu)?fù)合材料性能優(yōu)異，在機(jī)械、材料、電子等多方面具有很好的應(yīng)用前景，例如用于制備機(jī)械制品、復(fù)合材料、電子元器件等。
[0095]在另一優(yōu)選例中，所述的機(jī)械制品包括:刀具、磨具、銼刀、砂輪、鋸片、鉆頭等。
[0096]在另一優(yōu)選例中，所述的電子元器件包括:封裝基材、散熱片等。
[0097]本發(fā)明主要具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0098]1.本發(fā)明提供了一種金剛石-金屬?gòu)?fù)合材料，該復(fù)合材料具有三維結(jié)構(gòu)，且具有界面強(qiáng)度高，導(dǎo)熱率高、熱膨脹系數(shù)低且可控、致密性好等優(yōu)點(diǎn)。
[0099]2.本發(fā)明還提供一種金剛石-金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，該方法工藝簡(jiǎn)單、方便、經(jīng)濟(jì)成本低，適合工業(yè)化。
[0100]下面結(jié)合具體實(shí)施，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。下列實(shí)施例中未注明具體條件的實(shí)驗(yàn)方法，通常按照常規(guī)條件，或按照制造廠商所建議的條件。除非另外說(shuō)明，否則百分比和份數(shù)按重量計(jì)算。除非特別說(shuō)明，本發(fā)明所用原料或試 劑均市售可得。除非特別說(shuō)明，按常規(guī)方法測(cè)試本發(fā)明的復(fù)合材料的密度、導(dǎo)熱率、熱膨脹系數(shù)等性能。
[0101]實(shí)施例1金剛石-銅復(fù)合材料I的制備
[0102]1.1金剛石顆粒的預(yù)處理
[0103]將平均粒徑分別為約300 μ m和約80 μ m的金剛石顆粒(質(zhì)量比為3:1)，與高純銅粉和少量硼粉混合均勻，形成混合粉末，其中，按混合粉末的總重量計(jì)算，銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，B粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，放入真空碳管爐中，抽真空至真空度為10_2Pa，然后通入氮?dú)饣虬睔?，氣壓力為IPa- 120kPa，升溫速率為150°C /min升溫至1100°C，保溫20min，然后隨爐冷卻至室溫。將高溫處理過(guò)的混合粉末取出，分別過(guò)30目、60目、80目、100目、150目篩，去除過(guò)剩的銅粉與硼粉，獲得表面生長(zhǎng)有氮化硼納米晶須的金剛石顆粒。
[0104]圖2為表面生長(zhǎng)有氮化硼納米晶須的金剛石顆粒的掃描電子顯微鏡照片，其中所示納米線狀物質(zhì)即為金剛石表面原位生長(zhǎng)的氮化硼納米晶須。
[0105]圖3為一個(gè)氮化硼納米晶須的透射電子顯微鏡照片(圖3A)及相應(yīng)的電子衍射照片(圖3B)。電子衍射照片證明納米線狀物質(zhì)為結(jié)晶化的氮化硼晶須。在晶須頂部的暗色顆粒為銅顆粒。氮化硼晶須在金剛石表面生長(zhǎng)過(guò)程中銅元素起到的作用是促進(jìn)晶須形核生長(zhǎng)的催化劑作用，在晶須生長(zhǎng)后銅元素以納米顆粒的形式固嵌于晶須頂部。晶須頂部固嵌的銅顆粒，在隨后合成的金剛石-銅復(fù)合材料中會(huì)進(jìn)一步增進(jìn)晶須與銅基體的結(jié)合性。
[0106]1.2制備金剛石-銅復(fù)合材料
[0107]將經(jīng)前述步驟處理的金剛石顆粒與高純銅粉共同混合均勻，按混合后的粉料總重量計(jì)算，銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，將混合后的粉料在放電等離子體燒結(jié)爐模具中，以升溫速率1500C /min加熱至920°C進(jìn)行燒結(jié)，保溫時(shí)間為6min，燒結(jié)壓力為50MPa ;然后隨爐冷卻至室溫，得到金剛石-銅復(fù)合材料I，其密度為6.226g/cm3，導(dǎo)熱率為702W/m.K，熱膨脹系數(shù)為 6.22 μ m/m.K。[0108]實(shí)施例2金剛石-銅復(fù)合材料2的制備
[0109]2.1金剛石顆粒的預(yù)處理
[0110]將平均粒徑為200 μ m左右的金剛石顆粒與高純銅粉和少量硼酸混合均勻，制成漿料，按漿料總重量計(jì)算，銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，硼酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，將漿料放入真空碳管爐中，抽真空至真空度為10_2Pa，然后通入氮?dú)饣虬睔?，氣壓力為lPa_120kPa，升溫速率為150°C /min升溫至1100°C，保溫20min，然后隨爐冷卻至室溫。將高溫處理過(guò)的混合粉末取出，分別過(guò)30目、60目、80目、100目、150目篩，去除過(guò)剩的銅粉，獲得表面生長(zhǎng)有氮化硼納米晶須的金剛石顆粒。
[0111]2.2制備金剛石-銅復(fù)合材料
[0112]將經(jīng)前述步驟處理的金剛石顆粒與高純銅粉共同混合均勻，按混合后的粉料總重量計(jì)算，銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%，將混合后的粉料在放電等離子體燒結(jié)爐模具中以升溫速率1500C /min加熱至950°C進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)壓力為30MPa，得到金剛石-銅復(fù)合材料2，其密度為7.01g/cm3，導(dǎo)熱率為667ff/m.K，熱膨脹系數(shù)為7.254 μ m/m.K。
[0113]實(shí)施例3金剛石-銅復(fù)合材料3的制備
[0114]3.1金剛石顆粒的預(yù)處理
[0115]在平均粒徑為300 μ m左右的金剛石顆粒表面濺射一層硼膜，膜厚為1_100 μ m。然后再次濺射一層銅膜，膜厚為0.1-100 μ m。將鍍膜后的金剛石顆粒放入真空碳管爐中，抽真空至真空度為10_2Pa，然后通入氮?dú)饣虬睔猓瑲鈮毫镮Pa- 120kPa，升溫速率為150°C/min升溫至1100°C，保溫20min，然后隨爐冷卻至室溫，獲得表面生長(zhǎng)有氮化硼納米晶須的金剛
石顆粒。
[0116]3.2制備金剛石-銅復(fù)合材料
[0117]將經(jīng)前述步驟處理的金剛石顆粒與高純銅粉共同混合均勻，按混合后的粉料的總重量計(jì)算，銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，將混合后的粉料在真空熱壓爐模具中以升溫速率50°C /min加熱至950°C進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)壓力為20MPa，制得金剛石-銅復(fù)合材料3，其密度為
7.12g/cm3,導(dǎo)熱率為 672W/m.K，熱膨脹系數(shù)為 6.844 μ m/m.K。
[0118]實(shí)施例4金剛石-銅復(fù)合材料4的制備
[0119]4.1金剛石顆粒的預(yù)處理
[0120]將平均粒徑分別為約300 μ m和約80 μ m的金剛石顆粒(質(zhì)量比為3:1)，與高純銅粉和少量硼粉混合均勻，形成混合粉末，其中，按混合粉末的總重量計(jì)算，銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，B粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，放入真空碳管爐中，抽真空至真空度為10_2Pa，升溫速率為150°C /min升溫至1100°C，保溫20min，然后隨爐冷卻至室溫。將高溫處理過(guò)的混合粉末取出，分別過(guò)30目、60目、80目、100目、150目篩，去除過(guò)剩的銅粉與硼粉，獲得表面生長(zhǎng)有硼納米晶須的金剛石顆粒。
[0121]4.2制備金剛石-銅復(fù)合材料
[0122] 將經(jīng)前述步驟處理的金剛石顆粒與高純銅粉共同混合均勻，按混合后的粉料總重量計(jì)算，銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，將混合后的粉料在放電等離子體燒結(jié)爐模具中，以升溫速率1500C /min加熱至920°C進(jìn)行燒結(jié)，保溫時(shí)間為6min，燒結(jié)壓力為50MPa ;然后隨爐冷卻至室溫，得到金剛石-銅復(fù)合材料4，其密度為6.356g/cm3,導(dǎo)熱率為685W/m.K，熱膨脹系數(shù)為 6.57 μ m/m.K。[0123]實(shí)施例5金剛石-銅復(fù)合材料5的制備
[0124]5.1金剛石顆粒的預(yù)處理
[0125]將平均粒徑分別為約300 μ m和約80 μ m的金剛石顆粒(質(zhì)量比為3:1)，與高純銅粉和少量硼粉混合均勻，形成混合粉末，其中，按混合粉末的總重量計(jì)算，銅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，B粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，放入真空碳管爐中，抽真空至真空度為10_2Pa，然后通入氮?dú)饣虬睔?，氣壓力為IPa- 120kPa，升溫速率為150°C /min升溫至1100°C，保溫20min，然后隨爐冷卻至室溫。將高溫處理過(guò)的混合粉末取出，分別過(guò)30目、60目、80目、100目、150目篩，去除過(guò)剩的銅粉與硼粉，獲得表面生長(zhǎng)有氮化硼納米晶須的金剛石顆粒。
[0126]5.2制備金剛 石-銅復(fù)合材料
[0127]將經(jīng)前述步驟處理的金剛石顆粒均勻鋪在銅片上，然后在均勻鋪好后的金剛石粉體表面放置銅片一層，然后放入放電等離子體燒結(jié)爐模具中，以升溫速率150°C /min加熱至920°C進(jìn)行燒結(jié)，保溫時(shí)間為6min，燒結(jié)壓力為50MPa ;然后隨爐冷卻至室溫，得到金剛石-銅復(fù)合材料5，其密度為6.578g/cm3,導(dǎo)熱率為622W/m -K,熱膨脹系數(shù)為6.01 μ m/m.Κ。
[0128]經(jīng)常規(guī)方法測(cè)試可知，上述實(shí)施例中的納米晶須的直徑為l_5000nm，長(zhǎng)度為
0.1-300 μ m，且在金剛石顆粒表面的密度為1-10000個(gè)/μ m2。
[0129]在本發(fā)明提及的所有文獻(xiàn)都在本申請(qǐng)中引用作為參考，就如同每一篇文獻(xiàn)被單獨(dú)引用作為參考那樣。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明的上述講授內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種高熱導(dǎo)性能的金剛石-金屬?gòu)?fù)合材料，其特征在于，所述的復(fù)合材料包括金屬基體以及分布于所述基體內(nèi)部和/或表面的金剛石顆粒，其中至少部分或全部所述金剛石顆粒通過(guò)納米晶須結(jié)合于所述金屬基體。
2.如權(quán)利要求1所述的金剛石-金屬?gòu)?fù)合材料，其特征在于，所述的納米晶須為硼納米晶須或氮化硼納米晶須。
3.如權(quán)利要求1所述的金剛石-金屬?gòu)?fù)合材料，其特征在于，所述的高導(dǎo)熱性能的金剛石-金屬?gòu)?fù)合材料具有如下一種或多種特征: (a)密度為6-8.5g/cm3 ;和/或 (b)導(dǎo)熱率≥400ff/m.K ;和/或 (C)熱膨脹系數(shù)≤15 μ m/m.K。
4.如權(quán)利要求1所述的金剛石-金屬?gòu)?fù)合材料，其特征在于， 所述的納米晶須具有如下特征:(i)直徑為l-5000nm;和/或(ii)長(zhǎng)度為0.1-300 μ m;和/或(iii)在金剛石顆粒表面的密度為1- 10000個(gè)/μ m2 ;和/或所述的金剛石顆粒的粒徑為0.1-1000 μ m。
5.如權(quán)利要求1所述 的金剛石-金屬?gòu)?fù)合材料，其特征在于，所述的金屬基體包括:銅、鋁、銀、或它們的合金。
6.一種金剛石-金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括步驟: (1)在金剛石顆粒表面原位生長(zhǎng)納米晶須，從而形成金剛石一納米晶須復(fù)合體；以及 (2)將步驟(1)的金剛石一納米晶須復(fù)合體與金屬基體進(jìn)行燒結(jié)處理，從而形成權(quán)利要求I所述的金剛石-金屬?gòu)?fù)合材料。
7.如權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于， 所述的金屬基體包括:銅、鋁、銀、或它們的合金；和/或 所述的納米晶須為硼納米晶須或氮化硼納米晶須。
8.如權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，在步驟(2)中，按金剛石一納米晶須復(fù)合體與金屬基體的總重量計(jì)算，金屬基體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 - 90%。
9.如權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于， 所述步驟(1)包括步驟: (1.1)提供包含金剛石顆粒、硼原料和金屬催化劑的混合物； (1.2)在真空中、或在氫氣、氬氣、或其組合氣體的還原性氣氛或惰性氣氛中，將步驟(1.D的混合物進(jìn)行加熱反應(yīng)，從而形成金剛石一硼納米晶須復(fù)合體；以及 任選地(1.3)將步驟(1.2)獲得的金剛石一硼納米晶須復(fù)合體在氮?dú)饣虬睔庵羞M(jìn)行加熱反應(yīng)，從而形成金剛石一氮化硼納米晶須復(fù)合體； 或所述步驟(1)包括步驟: (1-1)提供包含金剛石顆粒、硼原料和金屬催化劑的混合物；和(1-2)在氮?dú)饣虬睔庵?，將步驟(1-1)的混合物進(jìn)行加熱反應(yīng)，從而形成金剛石一氮化硼納米晶須復(fù)合體。
10.如權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)為:在800- 1150°C下，在10 - 150MPa下，將步驟(1)的金剛石一納米晶須復(fù)合體與金屬基體進(jìn)行燒結(jié)處理，從而形成金剛石-金屬?gòu)?fù)合材料。
11.一種制品，其特征在于，包含權(quán)利要求1所述的金剛石-金屬?gòu)?fù)合材料。
12.如權(quán)利要求1所述的金剛石-金屬?gòu)?fù)合材料的用途，其特征在于，用于機(jī)械制品、復(fù)合材料或 電子元器件。
【文檔編號(hào)】C22C101/20GK103966533SQ201310041982
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2013年1月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月30日
【發(fā)明者】江南, 張文武, 白華, 戴丹 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所