金剛石-銅復(fù)合材料制備復(fù)雜形狀近終形零件的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于復(fù)合材料領(lǐng)域，涉及一種高導(dǎo)熱率金剛石—銅復(fù)合材料制備復(fù)雜形狀近終形零件的方法，該方法依次包括以下步驟：1. 金剛石粉末表面預(yù)處理；2. 金剛石粉末表面鍍鈦；3. 零件預(yù)制坯制；4.成型。采用本發(fā)明，可以直接實現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的近終形成形，原料損耗少，原料成本降低，同時解決了DCC材料后續(xù)機械加工困難的難題，其制備流程短，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)成本低；本發(fā)明解決了傳統(tǒng)注射成形技術(shù)中成型過程中因“搭橋”現(xiàn)象導(dǎo)致坯體塌陷和變形的問題，提高了材料的強度和導(dǎo)熱性能，所得零件強度可達到245MPa以上，導(dǎo)熱率高于430W/mk，熱膨脹系數(shù)低于6.5X10?6 K?1。
【專利說明】
金剛石-銅復(fù)合材料制備復(fù)雜形狀近終形零件的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于復(fù)合材料領(lǐng)域，涉及一種高導(dǎo)熱率金剛石一銅復(fù)合材料制備復(fù)雜形狀近終形零件的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]金剛石具有所有物質(zhì)中最高的導(dǎo)熱率(700?2000W.HT1-K一O，硬度高達
1.0XlO5MPa，熱膨脹系數(shù)約為0.8—1.0X10—6IT1。同時，金剛石還具有非磁性、不良導(dǎo)電性、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐磨性高等一系列優(yōu)點。銅作為被廣泛應(yīng)用的工程材料，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—1.K—，熱膨脹系數(shù)為17X10—6K'因此，根據(jù)Maxwell復(fù)合理論，由金剛石顆粒與銅組成的復(fù)合材料(DCC,Diamond—Copper Composites)將具有優(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具發(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、氣體壓力熔滲法、機械壓力熔滲法以及SPS燒結(jié)法等。但是，這些方法只能生產(chǎn)形狀簡單的試樣，無法滿足日新月異的電子裝備技術(shù)的發(fā)展需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明目的是要解決傳統(tǒng)生產(chǎn)方法只能生產(chǎn)形狀簡單的試樣，提供一種高導(dǎo)熱率金剛石一銅復(fù)合材料制備復(fù)雜形狀近終形零件的方法，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。
[0004]為了達到本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供一種高導(dǎo)熱率金剛石一銅復(fù)合材料制備復(fù)雜形狀近終形零件的方法，依次包括下述步驟:
一、金剛石粉末表面預(yù)處理:對平均粒度為I1Mi的金剛石粉末進行除油和敏化處理；
二、金剛石粉末表面鍍鈦:將金剛石粉末與平均粒徑為40μπι的鈦粉采用質(zhì)量比為1:4混合，將混合粉末充分混合后置于氧化鎂坩禍，再在混合粉末上覆蓋NaCl鹽，在真空條件下850—950°C保溫2—3h，然后用水溶解掉熔鹽，得到改性金剛石粉末；
三、零件預(yù)制坯制:將改性金剛石粉末與質(zhì)量比為1:1的粒度為4 一 5μπι的銅粉末在球磨機上充分混合均勻，然后添加質(zhì)量比為5—8%的粘結(jié)劑均勻混合成注射成形喂料，所述粘結(jié)劑為質(zhì)量比為75:20:5的石蠟(PW)、低密度聚乙烯(LDPE)和硬脂酸(SA)，再經(jīng)注射成形制成復(fù)雜形狀零件預(yù)制坯，然后經(jīng)真空脫脂和燒結(jié)，得到較高強度和致密度的金剛石一銅零件坯；
四、成型:將銅塊置于坯體上方并一起置于真空熔滲爐中升溫至1350—1450°C保溫2—3小時進行熔滲處理，隨爐冷至室溫，即得到金剛石一銅復(fù)合材料零件。
[0005]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點:
1、采用本發(fā)明，可以直接實現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的近終形成形，原料損耗少，原料成本降低，同時解決了DCC材料后續(xù)機械加工困難的難題，制備流程短，因而，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)成本低； 2、金剛石顆粒與銅組成的復(fù)合材料長期以來都無法直接制備出復(fù)雜形狀的近終形零件，雖然注射成形技術(shù)是合金零件的加工方法之一，但是由于金剛石顆粒形狀不規(guī)則，在成型過程中因“搭橋”現(xiàn)象會導(dǎo)致坯體塌陷和變形，所以該問題一直得不到解決。在本發(fā)明中，一是通過設(shè)計配比平均粒度小的銅粉充分填充金剛石顆粒間隙，同時采用低分子量多組元的粘結(jié)劑，通過適合地配比，利用它們良好的流動性以保證成形坯的順利成形，二是在較低溫度下就可完成粘結(jié)劑的脫除，避免了更高溫度下粘結(jié)劑的揮發(fā)速度大而容易造成坯體的開裂和變形，同時在真空下進行脫脂和燒結(jié)，防止制品的氧化，從而實現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的近終形成形；
3、本發(fā)明不單可以直接實現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的近終形成形，同時還有效保障了該類型產(chǎn)品的優(yōu)勢。對金剛石粉末進行表面改性，金剛石粉末表面形成厚度為0.1一2μπι的鈦鍍層，不但提高了基體金屬對金剛石的把持力，還減小了界面熱阻，從而提高了材料的強度和導(dǎo)熱性能，所得零件強度可達到24510^以上，導(dǎo)熱率高于4301/11*，熱膨脹系數(shù)低于6.5乂10—6 K—1。
【附圖說明】
[0006]圖1為實施例1中改性金剛石粉末表面鍍鈦層的SEM照片。
【具體實施方式】
[0007]下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細地說明。
[0008]本發(fā)明采用真空鹽浴鍍覆技術(shù)對金剛石進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)銅之間的潤濕性能、提高金剛石和銅之間的結(jié)合強度和減小金剛石銅之間的界面熱阻，然后通過注射成形制備出金剛石一銅復(fù)合材料預(yù)成形坯，再經(jīng)真空脫脂和燒結(jié)得到較高強度和致密度的金剛石一銅零件坯，最后通過真空熔滲的方法使液態(tài)銅均勻滲入存在一定孔隙度的金剛石一銅零件坯中，從而獲得具有組織結(jié)構(gòu)均勻、致密的DCC復(fù)合材料零件。
[0009]實施例1:
1450°C下制備金剛石一銅復(fù)合材料近終形零件，其制備過程如下:
I.金剛石粉末表面預(yù)處理:將金剛石粉末進行表面清潔，即除油和敏化處理；
2.金剛石粉末表面鍍鈦:將平均粒徑為I ΙΟμπι的人造金剛石粉末和平均粒徑為40μπι鈦粉按照重量比為1:4的比例混合，在滾筒式球磨機上混合12小時，將混合粉末置于氧化鎂坩禍，再在混合粉末上覆蓋NaCl鹽，在真空條件下加熱至850°C保溫2小時，取出坩禍并溶解分離出改性金剛石粉末。
[00?0] 3.零件預(yù)制還制:將經(jīng)過改性的金剛石粉末加入質(zhì)量比1:1的粒度為4一5μηι的銅粉末，在球磨機上混合12小時以充分混合均勻，然后添加質(zhì)量比為5%的粘結(jié)劑均勻混合成注射成形喂料，再經(jīng)注射成形制成復(fù)雜形狀零件預(yù)制坯(注射溫度155°C，注射壓力90MPa，保壓壓力70MPa，保壓時間10S)。這里的粘結(jié)劑為(質(zhì)量比):石蠟(PW):低密度聚乙烯(LDPE):硬脂酸(SA)=75:20:5。
[0011]將預(yù)制坯置于真空爐中實現(xiàn)脫脂燒結(jié)一體化，以2°C/min的升溫速率升溫至500°C保溫0.5小時，這一階段主要是進行脫脂，以2°C/min的升溫速率升溫至700°C保溫1.5小時，這一階段主要是進行預(yù)燒結(jié)，在全部脫除粘結(jié)劑的同時賦予坯體一定強度。然后以4°C/min的升溫速率升溫至1050°C保溫2小時，這一階段主要是燒結(jié)致密化，得到具有較高強度和致密度的金剛石一銅零件坯。
[0012]4.成型:將占零件坯體積約為10%，純度為99.999%的銅塊置于金剛石一銅零件坯體上方，并一起置于真空熔滲爐中升溫至1450°C并保溫90分鐘，即得到金剛石-銅復(fù)合材料近終形零件。
[0013]參見圖1，可以看到金剛石粉末表面鍍鈦層組織結(jié)構(gòu)均勻、致密。
[0014]經(jīng)測試:該零件強度258MPa、導(dǎo)熱率為450W/mk、熱膨脹系數(shù)為6.5X10—6 K—1。
[0015]本實施例為最佳實施例。
[0016]實施例2:
1350°C下制備金剛石-銅復(fù)合材料近終形零件，其制備過程如下:
I.金剛石粉末表面預(yù)處理:將金剛石粉末進行表面清潔，即除油和敏化處理；
2.將平均粒徑為I ΙΟμπι的人造金剛石顆粒和平均粒徑為40μπι鈦粉按照重量比為1:4的比例混合，在滾筒式球磨機上混合12小時。將金剛石和鈦的混合粉末置于氧化鎂坩禍，再在混合粉末上覆蓋NaCl鹽，在真空條件下加熱至950°C保溫2小時，取出坩禍并溶解分離出改性金剛石粉末。
[0017]3.將經(jīng)過改性的金剛石粉末加入質(zhì)量比1:1的粒度為4_5μπι的銅粉末，在球磨機上混合10小時以充分混合均勻，然后添加質(zhì)量比為8%的粘結(jié)劑均勻混合成注射成形喂料，再經(jīng)注射成形制成復(fù)雜形狀零件預(yù)制坯(注射溫度155°C，注射壓力90MPa，保壓壓力70MPa，保壓時間10S)。
[0018]這里的粘結(jié)劑為(質(zhì)量比):石蠟(PW):低密度聚乙烯(LDPE):硬脂酸(SA)=75:20:5。
[0019]將預(yù)制坯置于真空爐中實現(xiàn)脫脂燒結(jié)一體化，具體過程同實施例1。
[0020]4.將占零件體積約為20%，純度為99.999%的銅塊置于金剛石一銅零件坯體上方，并一起置于真空熔滲爐中升溫至1350°C并保溫90分鐘，即得到金剛石-銅復(fù)合材料近終形零件。
[0021 ] 經(jīng)測試:該零件強度245MPa、導(dǎo)熱率為430W/mk、熱膨脹系數(shù)為6.8X10—6 K—1。
[0022]實施例3:
1400 0C下制備金剛石-銅復(fù)合材料近終形零件，其制備過程如下:
I.金剛石粉末表面預(yù)處理:將金剛石粉末進行表面清潔，即除油和敏化處理；
2.將平均粒徑為I ΙΟμπι的人造金剛石顆粒和平均粒徑為40μπι鈦粉按照重量比為1:4的比例混合，在滾筒式球磨機上混合12小時。將金剛石和鈦的混合粉末置于氧化鎂坩禍，再在混合粉末上覆蓋NaCl鹽，在真空條件下加熱至850°C保溫3小時，取出坩禍并溶解分離出金剛石顆粒。
[0023]3.將經(jīng)過改性的金剛石粉末加入質(zhì)量比1:1的粒度為4_5μπι的銅粉末，在球磨機上混合12小時以充分混合均勻，然后添加添加質(zhì)量比為6%的粘結(jié)劑均勻混合成注射成形喂料，再經(jīng)注射成形制成復(fù)雜形狀零件預(yù)制坯(注射溫度155°C，注射壓力90MPa，保壓壓力70MPa，保壓時間10S)。
[0024]這里的粘結(jié)劑為(質(zhì)量比):石蠟(PW):低密度聚乙烯(LDPE):硬脂酸(SA)=75:20:5。
[0025]將預(yù)制坯置于真空爐中實現(xiàn)脫脂燒結(jié)一體化，具體過程同實施例1。
[0026]4、將占零件體積約為15%，純度為99.999%的銅塊置于金剛石一銅零件坯體上方，并一起置于真空熔滲爐中升溫至1400°C并保溫90分鐘，即得到金剛石-銅復(fù)合材料近終形零件。
[0027]經(jīng)測試:該零件強度252MPa、導(dǎo)熱率為440W/mk、熱膨脹系數(shù)為6.3X10—6 K—1。
[0028]本發(fā)明的內(nèi)容不限于實施例所列舉，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過閱讀本發(fā)明說明書而對本發(fā)明技術(shù)方案采取的任何等效的變換，均為本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【主權(quán)項】
1.金剛石一銅復(fù)合材料制備復(fù)雜形狀近終形零件的方法，其特征在于: 依次包括下述步驟: 一、金剛石粉末表面預(yù)處理:對平均粒度為I1MI的金剛石粉末進行除油和敏化處理； 二、金剛石粉末表面鍍鈦:將金剛石粉末與平均粒徑為40μπι的鈦粉采用質(zhì)量比為1:4混合，將混合粉末充分混合后置于氧化鎂坩禍，再在混合粉末上覆蓋NaCl鹽，在真空條件下850—950°C保溫2—3h，然后用水溶解掉熔鹽，得到改性金剛石粉末； 三、零件預(yù)制坯制:將改性金剛石粉末與質(zhì)量比為I: I的粒度為4一5μπι的銅粉末在球磨機上充分混合均勻，然后添加質(zhì)量比為5—8%的粘結(jié)劑均勻混合成注射成形喂料，所述粘結(jié)劑為質(zhì)量比為75:20:5的石蠟、低密度聚乙烯和硬脂酸，再經(jīng)注射成形制成復(fù)雜形狀零件預(yù)制坯，然后經(jīng)真空脫脂和燒結(jié)，得到較高強度和致密度的金剛石一銅零件坯； 四、成型:將銅塊置于坯體上方并一起置于真空熔滲爐中升溫至1350—1450°C保溫2—3小時進行熔滲處理，隨爐冷至室溫，即得到金剛石一銅復(fù)合材料零件。
【文檔編號】B22F1/00GK105921753SQ201610295089
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月6日
【發(fā)明人】王喜鋒, 羅鐵鋼, 張文興, 許崗, 白亞平
【申請人】西安工業(yè)大學(xué)