一種金剛石導熱復合材料及其制備方法

一種金剛石導熱復合材料及其制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種金剛石導熱復合材料及其制備方法。具體地，本發明公開了一種金剛石-金屬復合材料及其制備方法，所述的復合材料包括金屬基體以及分布于所述基體內部和/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納米晶須結合于所述金屬基體。該復合材料具有高界面強度，高導熱率、低熱膨脹系數等優點，應用廣泛。
【專利說明】一種金剛石導熱復合材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于金剛石導熱復合材料領域。具體地，本發明涉及一種金剛石導熱復合材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著電子工業的飛速發展，電子封裝、組裝的高密度、高速度化集成電路對封裝材料的性能提出了更為嚴格的要求。目前，各種新型封裝材料己成為各國競相研發的熱點。新型微電子封裝材料不僅要有高的導熱率，而且還必須具有與半導體材料相匹配的熱膨脹系數。金剛石是自然界中導熱率最高的已知物質，高品質單晶金剛石的導熱率可達到2000ff/(m.Κ)，且室溫下金剛石是絕緣體，還具有介電常數低、熱膨脹系數低等特點，但單一的金剛石不易制作成封裝材料，且生產成本很高。較理想的是將其做成金屬基復合材料。
[0003]金屬銅具有優良的導電性能和高的導熱性能，它的熱膨脹系數(CTE)為17 X 10_6Κ，導熱率(TC)為400W/ (m.K)，將金剛石與銅復合形成金剛石/銅復合材料，通過調節金剛石體積分數實現高熱導和可調熱膨脹，完全滿足熱管理材料的要求。
[0004]然而金剛石-銅復合材料的制備難點在于:金剛石與銅的潤濕性極差。在1150°C下金剛石與銅的浸潤角為145°，它們之間高溫沒有固相反應發生，金剛石與銅難以燒結出致密的復合材料。人們為了增加金剛石顆粒與銅的界面結合性，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完成，而最終形成的界面仍為面-面接觸的二維界面結構，界面強度等性能仍有欠缺。
[0005]因此，本領域急需研發一種界面強度強、熱性能優異的金剛石與金屬的復合材料。
【發明內容】

[0006]本發明的目的是提供一種界面強度強、熱性能優異的金剛石與金屬的復合材料。
[0007]本發明的另一目的是提供一種操作簡便的上述復合材料的制備方法。
[0008]在本發明第一方面中，提供了一種高熱導性能的金剛石-金屬復合材料，所述的復合材料包括金屬基體以及分布于所述基體內部和/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納米晶須結合于所述金屬基體。
[0009]在另一優選例中，所述的結合為化學鍵結合。
[0010]在另一優選例中，所述的納米晶須為硼納米晶須或氮化硼納米晶須。
[0011]在另一優選例中，所述的高導熱性能的金剛石-金屬復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)導熱率≥ 400ff/m.K ;和 / 或
[0014](c)熱膨脹系數< 15 μ m/m.K。
[0015]在另一優選例中，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/ μ m2。[0016]在另一優選例中，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]在另一優選例中，所述的金剛石-金屬復合材料按如下方法制得:
[0020](I)在金剛石顆粒表面原位生長納米晶須，從而形成金剛石一納米晶須復合體；以及
[0021](2)將步驟(1)的金剛石一納米晶須復合體與金屬基體進行燒結處理，從而形成所述的金剛石-金屬復合材料。
[0022]在本發明的第二方面中，提供了一種金剛石-金屬復合材料的制備方法，包括步驟:
[0023](I)在金剛石顆粒表面原位生長納米晶須，從而形成金剛石一納米晶須復合體；以及
[0024](2)將步驟(1)的金剛石一納米晶須復合體與金屬基體進行燒結處理，從而形成本發明第一方面所述的金剛石-金屬復合材料。
[0025]在另一優選例中，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]在另一優選例中，所述的金屬基體為粉末狀的。
[0027]在另一優選例中，在步驟(2)中，按金剛石一納米晶須復合體與金屬基體的總重量計算，金屬基體的質量分數為10 - 90%。
[0028]在另一優選例中，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)的混合物進行加熱反應，從而形成金剛石一硼納米晶須復合體；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合體在氮氣或氨氣中進行加熱反應，從而形成金剛石一氮化硼納米晶須復合體；
[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)在氮氣或氨氣中，將步驟(1-1)的混合物進行加熱反應，從而形成金剛石一氮化硼納米晶須復合體。
[0035]在另一優選例中，所用的硼原料為粉末狀或液態；和/或所用的硼原料包括單質硼和硼化合物(較佳地，所述的硼化合物包括硼酸)。
[0036]在另一優選例中，所述步驟(1.1)或步驟(1-1)中，按混合物總重量計算，硼原料的質量分數為I 一 15wt% ;較佳地為5 -1Owt%。
[0037]在另一優選例 中，所述的金屬催化劑為銅、金、鎳、鉬、或它們的合金。
[0038]在另一優選例中，所述步驟(1.1)或步驟(1-1)中，按混合物總重量計算，金屬催化劑的質量分數為10-90wt% ;較佳地為20-85wt% ;更佳地為30 — 75wt%。
[0039]在另一優選例中，上述各個步驟中，
[0040]所述的加熱反應在800_1150°C下進行；和/或[0041]所述的加熱反應在壓力為IPa - 120kPa的氣氛下進行。
[0042]在另一優選例中，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合體與金屬基體進行燒結處理，從而形成金剛石-金屬復合材料。
[0043]在本發明第三方面中，提供了一種制品，包含本發明第一方面所述的金剛石-金屬復合材料。
[0044]在本發明第四方面中，提供了本發明第一方面所述的金剛石-金屬復合材料的用途，用于機械制品、復合材料或電子元器件。
[0045]應理解，在本發明范圍內中，本發明的上述各技術特征和在下文(如實施例)中具體描述的各技術特征之間都可以互相組合，從而構成新的或優選的技術方案。限于篇幅，在
此不再一一累述。 【專利附圖】

【附圖說明】
[0046]圖1顯示了金剛石顆粒表面原位生長的氮化硼納米晶須后與銅基體結合的示意圖。首先在金剛石顆粒表面預處理生長出氮化硼納米晶須，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-銅復合材料。
[0047]圖2為金剛石顆粒表面生長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為一個氮化硼晶須的透射電子顯微鏡圖(如圖3A)和相應的電子衍射圖(如圖 3B)。
【具體實施方式】
[0049]本發明人經過廣泛而深入的研究，意外地發現一種高熱導性能的金剛石-金屬復合材料，其包括金屬基體以及分布于所述基體內部和/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納米晶須結合于所述金屬基體。其中納米晶須的存在顯著改善了金剛石與金屬的界面強度，使得該復合材料具有高導熱率、熱膨脹系數可控等優點。將在此基礎上，發明人完成了本發明。
[0050]金剛石一納米晶須復合體
[0051]本發明的金剛石一納米晶須復合體包括金剛石顆粒以及結合(通過化學鍵結合)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，本發明的納米晶須包括:硼納米晶須和氮化硼納米晶須等。
[0054]優選地，本發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/ μ m2 (較佳地為 10 — 5000 個 / μ m2 或 10-2000 個 / μ m2)。
[0055]金剛石顆粒
[0056]本發明所用的金剛石顆粒是供本發明納米晶須生長的基底，同時也是擴散硼原子的載體。并且在本發明中，金剛石是硼原子擴散必不可少的載體材料，沒有它無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，由于其晶格參數的差異，均起不到硼原子擴散載體的作用，無法形成硼納米晶須或硼化合物納米晶須。
[0057]本發明的金剛石顆粒可以是任意尺寸的顆粒,優選采用粒徑為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、銀基體等導熱率較高的金屬基體。
[0060]金剛石-金屬復合材料
[0061]本發明的金剛石-金屬復合材料，其中，所述的復合材料包括金屬基體以及分布于所述基體內部和/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納米晶須結合(通過化學鍵結合)于所述金屬基體。其中，所述的“至少部分所述金剛石顆粒”是指至少30%的金剛石顆粒(優選至少50%的金剛石顆粒；更優選地為至少70%的金剛石顆粒)。
[0062]優選地，所述的金剛石-金屬復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)導熱率≥400W/m.K (其導熱率甚至≥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≤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，在本發明的金剛石-金屬復合材料中，所述的金剛石顆粒與金屬基體(如銅基體)通過高強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構。氮化硼納米晶須增強了金剛石與金屬間的浸潤性，同時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熱材料，金剛石內的聲子與氮化硼內的聲子進行耦合，再通過氮化硼納米晶須的巨大側表面與金屬中的電子耦合，大幅度提高了復合材料的導熱能力。
[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。當然所述的硼原料可以是單質硼和硼化合物(優選地，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選包括銅、金、鎳、鉬、銀、或它們的合金；更佳地為純銅(優選純度≥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]在加熱反應中，所述的金屬催化劑會形成納米液滴，并成為硼納米線或硼化物納米線生長的催化劑。
[0069]制備方法
[0070]本發明提供了一種金剛石-金屬復合材料的制備方法，優選地所述方法包括如下步驟: [0071](I)金剛石預處理步驟:
[0072]在金剛石顆粒表面原位生長納米晶須，從而形成金剛石一納米晶須復合體；[0073]優選地，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)的混合物進行加熱反應，從而形成金剛石一硼納米晶須復合體；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合體在氮氣或氨氣中進行加熱反應，從而形成金剛石一氮化硼納米晶須復合體；
[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)在氮氣或氨氣中，將步驟(1-1)的混合物進行加熱反應，從而形成金剛石一氮化硼納米晶須復合體。
[0080]上述各個步驟中，所述的加熱反應優選地在800-1150°C下進行；所述的加熱反應優選地在壓力為IPa - 120kPa的氣氛下進行。
[0081]在另一優選例中，所述步驟(1.1)或步驟(1-1)中，按混合物總重量計算，硼原料的質量分數為I 一 15wt% ;較佳地為5 -1Owt%。
[0082]在另一優選例中，所述步驟(1.1)或步驟(1-1)中，按混合物總重量計算，金屬催化劑的質量分數為10-90wt% ;較佳地為20-85wt% ;更佳地為30 — 75wt%。
[0083](2)金剛石-金屬復合材料制備步驟:
[0084]將步驟(1)的金剛石一納米晶須復合體與金屬基體進行燒結處理，從而形成本發明的金剛石-金屬復合材料。
[0085]優選地，所述步驟⑵為:在800 - 1150°C (或850-1000°C )下，在10 - 150MPa(優選IO-1OOMPa或10-80MPa)下，將步驟(1)的金剛石一納米晶須復合體與金屬基體進行燒結處理，從而形成金剛石-金屬復合材料。
[0086]在步驟(2)中，按金剛石一納米晶須復合體與金屬基體的總重量計算，金屬基體的質量分數為 10 - 90wt% (優選 30-80wt%* 50 — 80wt% )。
[0087]該方法所使用的主要設備便宜、易得，采用一般的熱壓設備即可，例如包括:真空碳管爐，放電等離子體燒結爐或熱壓爐等。
[0088]本發明提供的金剛石-金屬復合材料的制備方法將金剛石表面改性原位生長納米晶須與超高導熱復合材料制備結合起來，通過調節金剛石表面預處理過程中的氣氛、壓力和溫度，在高溫下處理金剛石顆粒表面，原位生長納米晶須，顯著提高了金剛石與金屬之間的結合強度，從而減小了熱阻，提高了導熱率，且制得的復合材料熱膨脹系數可控。
[0089]現以氮化硼納米晶須為例，說明本發明的制備方法主要包括以下優點:
[0090](I)金剛石顆粒通過預處理步驟，金剛石顆粒表面原位生長出氮化硼納米晶須(作為氮化硼層或界面增強相)，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濕性很好，相較于金屬與金剛石直接結合，通過氮化硼層結合的金剛石和金屬之間的潤濕程度顯著改善，且氮化硼具有優異的導熱率，氮化硼層的厚度可以通過改變預處理的溫度和保溫時間來調節，使得經快速燒結致密化獲得的復合材料具有高導熱性能，以及可控的熱膨脹系數。而且氮化硼層(或界面增強相)在金屬基體中分布均勻，因此金剛石和金屬之間的界面結合強度高。
[0091](2)金剛石預處理步驟的溫度低(最高溫度約為1150°C )，處理時間短，因此，在如氮氣或氨氣等氣氛下，能極大地阻止金剛石石墨化。
[0092]采用本發明制備方法獲得的金剛石-金屬復合材料導熱率高達700W/m.K,熱膨脹低于7.6 μ m/m.V，致密度達96%以上。
[0093]應用
[0094]本發明的金剛石一金屬復合材料性能優異，在機械、材料、電子等多方面具有很好的應用前景，例如用于制備機械制品、復合材料、電子元器件等。
[0095]在另一優選例中，所述的機械制品包括:刀具、磨具、銼刀、砂輪、鋸片、鉆頭等。
[0096]在另一優選例中，所述的電子元器件包括:封裝基材、散熱片等。
[0097]本發明主要具有以下優點:
[0098]1.本發明提供了一種金剛石-金屬復合材料，該復合材料具有三維結構，且具有界面強度高，導熱率高、熱膨脹系數低且可控、致密性好等優點。
[0099]2.本發明還提供一種金剛石-金屬復合材料的制備方法，該方法工藝簡單、方便、經濟成本低，適合工業化。
[0100]下面結合具體實施，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。下列實施例中未注明具體條件的實驗方法，通常按照常規條件，或按照制造廠商所建議的條件。除非另外說明，否則百分比和份數按重量計算。除非特別說明，本發明所用原料或試 劑均市售可得。除非特別說明，按常規方法測試本發明的復合材料的密度、導熱率、熱膨脹系數等性能。
[0101]實施例1金剛石-銅復合材料I的制備
[0102]1.1金剛石顆粒的預處理
[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算，銅粉質量分數為60%，B粉的質量分數為5%，放入真空碳管爐中，抽真空至真空度為10_2Pa，然后通入氮氣或氨氣，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。將高溫處理過的混合粉末取出，分別過30目、60目、80目、100目、150目篩，去除過剩的銅粉與硼粉，獲得表面生長有氮化硼納米晶須的金剛石顆粒。
[0104]圖2為表面生長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即為金剛石表面原位生長的氮化硼納米晶須。
[0105]圖3為一個氮化硼納米晶須的透射電子顯微鏡照片(圖3A)及相應的電子衍射照片(圖3B)。電子衍射照片證明納米線狀物質為結晶化的氮化硼晶須。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過程中銅元素起到的作用是促進晶須形核生長的催化劑作用，在晶須生長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-銅復合材料中會進一步增進晶須與銅基體的結合性。
[0106]1.2制備金剛石-銅復合材料
[0107]將經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算，銅粉質量分數為60%，將混合后的粉料在放電等離子體燒結爐模具中，以升溫速率1500C /min加熱至920°C進行燒結，保溫時間為6min，燒結壓力為50MPa ;然后隨爐冷卻至室溫，得到金剛石-銅復合材料I，其密度為6.226g/cm3，導熱率為702W/m.K，熱膨脹系數為 6.22 μ m/m.K。[0108]實施例2金剛石-銅復合材料2的制備
[0109]2.1金剛石顆粒的預處理
[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，按漿料總重量計算，銅粉質量分數為60%，硼酸的質量分數為5%，將漿料放入真空碳管爐中，抽真空至真空度為10_2Pa，然后通入氮氣或氨氣，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。將高溫處理過的混合粉末取出，分別過30目、60目、80目、100目、150目篩，去除過剩的銅粉，獲得表面生長有氮化硼納米晶須的金剛石顆粒。
[0111]2.2制備金剛石-銅復合材料
[0112]將經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算，銅粉質量分數為70%，將混合后的粉料在放電等離子體燒結爐模具中以升溫速率1500C /min加熱至950°C進行燒結，燒結壓力為30MPa，得到金剛石-銅復合材料2，其密度為7.01g/cm3，導熱率為667ff/m.K，熱膨脹系數為7.254 μ m/m.K。
[0113]實施例3金剛石-銅復合材料3的制備
[0114]3.1金剛石顆粒的預處理
[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，然后通入氮氣或氨氣，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，獲得表面生長有氮化硼納米晶須的金剛
石顆粒。
[0116]3.2制備金剛石-銅復合材料
[0117]將經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算，銅粉質量分數為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進行燒結，燒結壓力為20MPa，制得金剛石-銅復合材料3，其密度為
7.12g/cm3,導熱率為 672W/m.K，熱膨脹系數為 6.844 μ m/m.K。
[0118]實施例4金剛石-銅復合材料4的制備
[0119]4.1金剛石顆粒的預處理
[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算，銅粉質量分數為60%，B粉的質量分數為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。將高溫處理過的混合粉末取出，分別過30目、60目、80目、100目、150目篩，去除過剩的銅粉與硼粉，獲得表面生長有硼納米晶須的金剛石顆粒。
[0121]4.2制備金剛石-銅復合材料
[0122] 將經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算，銅粉質量分數為60%，將混合后的粉料在放電等離子體燒結爐模具中，以升溫速率1500C /min加熱至920°C進行燒結，保溫時間為6min，燒結壓力為50MPa ;然后隨爐冷卻至室溫，得到金剛石-銅復合材料4，其密度為6.356g/cm3,導熱率為685W/m.K，熱膨脹系數為 6.57 μ m/m.K。[0123]實施例5金剛石-銅復合材料5的制備
[0124]5.1金剛石顆粒的預處理
[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算，銅粉質量分數為60%，B粉的質量分數為5%，放入真空碳管爐中，抽真空至真空度為10_2Pa，然后通入氮氣或氨氣，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。將高溫處理過的混合粉末取出，分別過30目、60目、80目、100目、150目篩，去除過剩的銅粉與硼粉，獲得表面生長有氮化硼納米晶須的金剛石顆粒。
[0126]5.2制備金剛 石-銅復合材料
[0127]將經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爐模具中，以升溫速率150°C /min加熱至920°C進行燒結，保溫時間為6min，燒結壓力為50MPa ;然后隨爐冷卻至室溫，得到金剛石-銅復合材料5，其密度為6.578g/cm3,導熱率為622W/m -K,熱膨脹系數為6.01 μ m/m.Κ。
[0128]經常規方法測試可知，上述實施例中的納米晶須的直徑為l_5000nm，長度為
0.1-300 μ m，且在金剛石顆粒表面的密度為1-10000個/μ m2。
[0129]在本發明提及的所有文獻都在本申請中引用作為參考，就如同每一篇文獻被單獨引用作為參考那樣。此外應理解，在閱讀了本發明的上述講授內容之后，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。
【權利要求】
1.一種高熱導性能的金剛石-金屬復合材料，其特征在于，所述的復合材料包括金屬基體以及分布于所述基體內部和/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納米晶須結合于所述金屬基體。
2.如權利要求1所述的金剛石-金屬復合材料，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.如權利要求1所述的金剛石-金屬復合材料，其特征在于，所述的高導熱性能的金剛石-金屬復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)導熱率≥400ff/m.K ;和/或 (C)熱膨脹系數≤15 μ m/m.K。
4.如權利要求1所述的金剛石-金屬復合材料，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/μ m2 ;和/或所述的金剛石顆粒的粒徑為0.1-1000 μ m。
5.如權利要求1所述 的金剛石-金屬復合材料，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-金屬復合材料的制備方法，其特征在于，包括步驟: (1)在金剛石顆粒表面原位生長納米晶須，從而形成金剛石一納米晶須復合體；以及 (2)將步驟(1)的金剛石一納米晶須復合體與金屬基體進行燒結處理，從而形成權利要求I所述的金剛石-金屬復合材料。
7.如權利要求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合體與金屬基體的總重量計算，金屬基體的質量分數為10 - 90%。
9.如權利要求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的混合物進行加熱反應，從而形成金剛石一硼納米晶須復合體；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合體在氮氣或氨氣中進行加熱反應，從而形成金剛石一氮化硼納米晶須復合體； 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)在氮氣或氨氣中，將步驟(1-1)的混合物進行加熱反應，從而形成金剛石一氮化硼納米晶須復合體。
10.如權利要求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合體與金屬基體進行燒結處理，從而形成金剛石-金屬復合材料。
11.一種制品，其特征在于，包含權利要求1所述的金剛石-金屬復合材料。
12.如權利要求1所述的金剛石-金屬復合材料的用途，其特征在于，用于機械制品、復合材料或 電子元器件。
【文檔編號】C22C101/20GK103966533SQ201310041982
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2013年1月30日 優先權日:2013年1月30日
【發明者】江南, 張文武, 白華, 戴丹 申請人:中國科學院寧波材料技術與工程研究所