本發(fā)明涉及異種材料釬焊連接，具體而言，涉及一種高熱導(dǎo)金剛石/金屬接頭及其釬焊方法。

背景技術(shù)：

1、金剛石具有熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱系數(shù)高、各向同性導(dǎo)熱、介電常數(shù)和介電損耗低、抗輻射性強(qiáng)等優(yōu)異的材料性能，被認(rèn)為是最有前途的熱管理材料。金剛石為了滿足其結(jié)構(gòu)和功能要求，往往與金屬或自身結(jié)合，但是，大多數(shù)金屬不能浸濕金剛石，或者它們之間不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不利于金剛石與金屬的冶金結(jié)合。

2、目前實(shí)現(xiàn)金剛石與金屬的界面結(jié)合的方法主要有以下幾種，首先，是在高壓和高溫的作用下直接鍵合，但傳統(tǒng)的加工技術(shù)難以獲得良好的界面，力學(xué)性能差。其次，是通過(guò)金剛石表面的金屬化引入界面鍵合層，但目前的改性工藝(例如化學(xué)鍍、化學(xué)氣相沉積、磁控濺射等)均存在界面缺陷、界面強(qiáng)度弱的缺點(diǎn)，因此無(wú)法保證界面的可靠性和有效的熱傳導(dǎo)。再次，是活性釬焊法，在釬焊金屬中加入ti、cr、zr、w等形成碳化物的元素，可以實(shí)現(xiàn)金剛石的界面結(jié)合，各種類型的活性釬焊合金如ni基、cu基和ag-cu基合金被用于金剛石/金屬結(jié)合，然而，由于大多數(shù)活性釬焊金屬的加工溫度較高，導(dǎo)致金剛石內(nèi)部會(huì)形成嚴(yán)重的熱損傷和微裂紋，力學(xué)性能差，因此部分加工過(guò)程中在釬焊金屬體系中加入sn、in等熔點(diǎn)抑制劑，可有效降低釬焊溫度形成低導(dǎo)熱界面相，但是低導(dǎo)熱界面相的形成必然會(huì)降低金剛石/金屬接頭的傳熱性能。綜上所述，傳統(tǒng)的連接技術(shù)難以同時(shí)滿足金剛石/金屬界面的力學(xué)性能和傳熱性能要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決的問(wèn)題是如何解決傳統(tǒng)連接技術(shù)難以同時(shí)滿足金剛石/金屬界面的力學(xué)性能和傳熱性能要求的問(wèn)題。

2、為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種高熱導(dǎo)金剛石/金屬接頭及其釬焊方法。

3、第一方面，本發(fā)明提供了一種高熱導(dǎo)金剛石/金屬接頭的釬焊方法，包括以下步驟：

4、激光加工金剛石表面，在金剛石表面上繪制出周期性微納結(jié)構(gòu)；

5、在繪制有周期性微納結(jié)構(gòu)的金剛石表面涂敷釬料，按照金剛石/釬料/金屬的三明治結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定，進(jìn)行真空釬焊，得到高熱導(dǎo)金剛石/金屬接頭。

6、可選地，在激光加工金剛石表面步驟之前，還包括步驟：母材的清潔處理，母材包括金剛石和金屬，母材浸泡于酒精中且超聲清洗5-10min，取出后烘干。

7、可選地，激光加工金剛石表面的步驟具體包括：使用皮秒激光器對(duì)金剛石表面進(jìn)行激光加工，其中激光斑點(diǎn)直徑為10-40微米，加工速度為10-40mm/s，激光功率為0.5-12.5w，重復(fù)頻率為100-400khz。

8、可選地，周期性微納結(jié)構(gòu)為微米尺度的周期性結(jié)構(gòu)或納米尺度的周期性結(jié)構(gòu)，周期性微納結(jié)構(gòu)包括周期性微溝槽或孔型陣列或蜂窩陣列。

9、可選地，釬料為粉末狀時(shí)，釬料混合纖維素溶于松油醇中制成膏狀，之后涂敷于繪制有周期性微納結(jié)構(gòu)的金剛石表面，其中，釬料、松油醇和纖維素的配比為2:1:1-3:1:1。

10、可選地，釬料為活性釬料，釬料為銀銅銦鈦或銀銅鈦或銀銅錫鈦。

11、可選地，金屬為鋁或銅。

12、可選地，按照金剛石/釬料/金屬的三明治結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定的步驟具體包括：將三明治結(jié)構(gòu)置于模具中，施加0.5-4mpa的壓強(qiáng)進(jìn)行固定。

13、可選地，真空釬焊具體包括將固定后的三明治結(jié)構(gòu)放入真空釬焊爐進(jìn)行加熱，真空釬焊爐保持真空度低于10-5，保持10-20℃/min的升溫速率，升溫至400℃后保溫5-20min，繼續(xù)保持10-20℃/min的升溫速度，升溫至640℃-860℃，保溫20-40min，保持5～10℃/min的冷卻速率降至室溫。

14、第二方面，本發(fā)明提供了一種高熱導(dǎo)金剛石/金屬接頭，采用如上任一項(xiàng)所述的高熱導(dǎo)金剛石/金屬接頭的釬焊方法制成。

15、本發(fā)明的一種高熱導(dǎo)金剛石/金屬接頭及其釬焊方法的有益效果是：通過(guò)激光加工在金剛石表面制備金剛石/金屬的界面結(jié)構(gòu)，增大了金剛石/金屬界面的有效接觸面積，類似于在界面處引入熱沉結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)界面的更高效的傳熱。此外激光加工由于掃描過(guò)程中會(huì)在金剛石燒蝕區(qū)域引入周期性微納結(jié)構(gòu)，使得聲子在異種材料界面處發(fā)生反射時(shí)，微納結(jié)構(gòu)的側(cè)壁為聲子的二次透過(guò)提供了界面，界面的周期性微納結(jié)構(gòu)的引入使原本的金剛石到金屬的界面二維傳熱，轉(zhuǎn)變?yōu)槿S傳熱模式，提高了界面熱傳輸能力，導(dǎo)熱性能提升20％左右；并且，釬料完全填充于周期性微納結(jié)構(gòu)，接頭組織內(nèi)均勻無(wú)缺陷。關(guān)于接頭力學(xué)性能的提升，通過(guò)激光加工制備金剛石/金屬界面結(jié)構(gòu)，一方面改善了接頭應(yīng)力分布，緩解了接頭的應(yīng)力集中；另一方面，界面的周期性微納結(jié)構(gòu)通過(guò)裂紋偏轉(zhuǎn)效應(yīng)，使得接頭面對(duì)外力發(fā)生斷裂時(shí)，延長(zhǎng)了斷裂路徑，消耗了斷裂所需的能量，提升了接頭的力學(xué)性能，力學(xué)性能提升30％左右。并且，不需要過(guò)高的加工溫度，避免金剛石內(nèi)部形成嚴(yán)重的熱損傷和裂紋。因此，組織均勻無(wú)裂紋等缺陷的金剛石/金屬接頭能夠同時(shí)具備更加優(yōu)良的力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能。

技術(shù)特征：

1.一種高熱導(dǎo)金剛石/金屬接頭的釬焊方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高熱導(dǎo)金剛石/金屬接頭的釬焊方法，其特征在于，在所述激光加工金剛石表面步驟之前，還包括步驟：母材的清潔處理，所述母材包括金剛石和金屬，所述母材浸泡于酒精中且超聲清洗5-10min，取出后烘干。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高熱導(dǎo)金剛石/金屬接頭的釬焊方法，其特征在于，激光加工金剛石表面的步驟具體包括：使用皮秒激光器對(duì)所述金剛石表面進(jìn)行激光加工，其中激光斑點(diǎn)直徑為10-40微米，加工速度為10-40mm/s，激光功率為0.5-12.5w，重復(fù)頻率為100-400khz。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高熱導(dǎo)金剛石/金屬接頭的釬焊方法，其特征在于，所述周期性微納結(jié)構(gòu)為微米尺度的周期性結(jié)構(gòu)或納米尺度的周期性結(jié)構(gòu)，所述周期性微納結(jié)構(gòu)包括周期性微溝槽或孔型陣列或蜂窩陣列。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高熱導(dǎo)金剛石/金屬接頭的釬焊方法，其特征在于，所述釬料為粉末狀時(shí)，所述釬料混合纖維素溶于松油醇中制成膏狀，之后涂敷于繪制有所述周期性微納結(jié)構(gòu)的所述金剛石表面，其中，釬料、松油醇和纖維素的配比為2:1:1-3:1:1。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高熱導(dǎo)金剛石/金屬接頭的釬焊方法，其特征在于，所述釬料為活性釬料，所述釬料為銀銅銦鈦或銀銅鈦或銀銅錫鈦。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高熱導(dǎo)金剛石/金屬接頭的釬焊方法，其特征在于，所述金屬為鋁或銅。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高熱導(dǎo)金剛石/金屬接頭的釬焊方法，其特征在于，按照所述金剛石/所述釬料/金屬的三明治結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定的步驟具體包括：將所述三明治結(jié)構(gòu)置于模具中，施加0.5-4mpa的壓強(qiáng)進(jìn)行固定。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高熱導(dǎo)金剛石/金屬接頭的釬焊方法，其特征在于，所述真空釬焊具體包括將固定后的所述三明治結(jié)構(gòu)放入真空釬焊爐進(jìn)行加熱，所述真空釬焊爐保持真空度低于10-5，保持10-20℃/min的升溫速率，升溫至400℃后保溫5-20min，繼續(xù)保持10-20℃/min的升溫速度，升溫至640℃-860℃，保溫20-40min，保持5～10℃/min的冷卻速率降至室溫。

10.一種高熱導(dǎo)金剛石/金屬接頭，其特征在于，采用如權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的高熱導(dǎo)金剛石/金屬接頭的釬焊方法制成。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種高熱導(dǎo)金剛石/金屬接頭及其釬焊方法，涉及異種材料釬焊連接技術(shù)領(lǐng)域。高熱導(dǎo)金剛石/金屬接頭的釬焊方法，包括以下步驟：激光加工金剛石表面，在金剛石表面上繪制出周期性微納結(jié)構(gòu)；在繪制有周期性微納結(jié)構(gòu)的金剛石表面涂敷釬料，按照金剛石/釬料/金屬的三明治結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定，進(jìn)行真空釬焊，得到高熱導(dǎo)金剛石/金屬接頭。激光加工過(guò)程中在金剛石燒蝕區(qū)域引入周期性微納結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)界面的更高效的傳熱，導(dǎo)熱性能提升，接頭組織內(nèi)均勻無(wú)缺陷，提升了接頭的力學(xué)性能，解決了傳統(tǒng)連接技術(shù)難以同時(shí)滿足金剛石/金屬界面的力學(xué)性能和傳熱性能要求的問(wèn)題。

技術(shù)研發(fā)人員：林盼盼,張昕飛,林鐵松,何鵬,路富剛
受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9