權利要求

1.金剛石-碳化硅復合材料制備方法，其特征在于，包括： 將金剛石粉和碳化硅粉加入預先配制的凝膠預混液，其中，所述金剛石粉和所述碳化硅粉的重量比為(10～80)：(20～90)； 將所述凝膠預混液進行濕法球磨制備漿料； 將所述漿料注入模具成型得到金剛石-碳化硅預制坯體； 將所述金剛石-碳化硅預制坯體在真空環(huán)境下進行無壓浸滲硅材料得到金剛石-碳化硅燒結體。

2.根據(jù)權利要求1所述的金剛石-碳化硅復合材料制備方法，其特征在于，所述凝膠預混液為丙烯酰胺凝膠體系預混液，還包括： 配置丙烯酰胺凝膠體系預混液，丙烯酰胺凝膠體系預混液中含有丙烯酰胺和亞甲基雙丙烯酰胺，其中，所述丙烯酰胺和所述亞甲基雙丙烯酰胺分別占粉體總質量的2～10％、0.2～1％，其中，所述粉體體積與所述丙烯酰胺凝膠體系預混液體積共為100％。 

3.根據(jù)權利要求2所述的金剛石-碳化硅復合材料制備方法，其特征在于，所述將所述漿料注入模具成型得到金剛石-碳化硅預制坯體，包括： 對所述漿料進行真空除氣，向所述漿料中加入催化劑和引發(fā)劑，將所述漿料注入模具成型，干燥后得到所述金剛石-碳化硅預制坯體。 

4.根據(jù)權利要求1所述的金剛石-碳化硅復合材料制備方法，其特征在于，還包括： 利用高溫裂解預燒結法對所述金剛石-碳化硅預制坯體進行脫脂處理，其中，脫脂溫度控制低于金剛石石墨化溫度且所述脫脂溫度在1410℃～1450℃范圍內。 

5.根據(jù)權利要求1所述的金剛石-碳化硅復合材料制備方法，其特征在于，所述將所述金剛石-碳化硅預制坯體在真空環(huán)境下進行無壓浸滲硅材料得到金剛石-碳化硅燒結體，包括： 在所述金剛石-碳化硅預制坯體的上表面和/或下表面鋪設硅材料，在真空氣氛下進行高溫無壓液態(tài)浸滲，由所述硅材料形成的硅液自發(fā)滲入所述金剛石-碳化硅預制坯體，并在金剛石表面形成碳化硅薄層，得到具有金剛石-碳化硅-硅界面層的金剛石-碳化硅燒結體。 

6.根據(jù)權利要求5所述的金剛石-碳化硅復合材料制備方法，其特征在于，還包括： 所述丙烯酰胺和亞甲基雙丙烯酰胺分別占粉體總質量的5％和0.4％；所述碳化硅粉和所述金剛石粉以質量分數(shù)為16:84的比例加入丙烯酰胺凝膠體系預混液，所述催化劑為四甲基乙二胺，所述引發(fā)劑為過硫酸銨，其中所述催化劑和所述引發(fā)劑分別占漿料總體積的0.03～0.09％和0.3～0.9％，并按預設流速加入。 

7.根據(jù)權利要求1或2所述的金剛石-碳化硅復合材料制備方法，其特征在于，所述碳化硅粉和金剛石粉以質量分數(shù)為32:68的比例加入所述凝膠預混液中。 

8.根據(jù)權利要求1或2所述的金剛石-碳化硅復合材料制備方法，其特征在于，所述碳化硅粉和所述金剛石粉以質量分數(shù)為47:53的比例加入所述凝膠預混液中，或； 所述碳化硅粉和所述金剛石粉以質量分數(shù)為76:24的比例加入所述凝膠預混液中。 

9.一種金剛石-碳化硅復合材料，其特征在于，所述金剛石-碳化硅復合材料采用如權利要求1～8中任一項所述的制備方法制得。 10.一種電子設備，其特征在于，所述電子設備的散熱材料為如權利要求9所述的金剛石-碳化硅復合材料。

說明書

金剛石-碳化硅復合材料、制備方法以及電子設備

技術領域

本發(fā)明涉及熱管理應用材料領域，尤其是涉及一種金剛石-碳化硅復合材料、制備方法以及電子設備。

背景技術

近年來，隨著大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展，電子設備芯片尺寸的不斷縮小，傳統(tǒng)的電子封裝材料已經無法滿足現(xiàn)代化集成電路的要求，高性能的電子封裝材料越來越受到重視。對于先進的熱管理材料而言，應該具有更高的導熱性能、熱膨脹系數(shù)與芯片匹配良好、適用于產業(yè)化生產、低介電常數(shù)、機械性能良好等特性。金剛石被認為是理想的候選材料，因其具有優(yōu)異的導熱性能和較低的熱膨脹系數(shù)(在300K時導熱率為2000W-mK；熱膨脹系數(shù)為0.7×10–6K–10.3×10–6K–1)。由于金剛石硬度(50-100GPa)很高，很難加工制造成形，因此可以用來制備含金剛石摻雜的復合材料，如金剛石-金屬復合材料、金剛石-陶瓷復合材料和金剛石-樹脂復合材料等。金屬材料通常具有較低的熔點和較大的熱膨脹系數(shù)，這限制了金剛石增強金屬基復合材料在高溫下的應用。相比之下，碳化硅具有較低的熱膨脹系數(shù)、優(yōu)良的導熱性能、較高的彈性模量和高度的尺寸穩(wěn)定性等一系列優(yōu)異性質，使其應用于高性能電子設備、熱傳導元件和先進結構器件等諸多重要領域。因此，金剛石-碳化硅復合材料是一種理想的熱管理應用材料，并一直是復合材料的研究熱點，它具有高導熱率、匹配的熱膨脹系數(shù)、低密度、耐磨損和耐腐蝕等優(yōu)點。目前金剛石-碳化硅復合材料的制備工藝主要有高溫高壓燒結法、液體熔滲法、真空氣相反應浸滲法、微波燒結法和先驅體轉化法。目前，對于制備過程中金剛石經常會發(fā)生石墨化問題，導致復合材料綜合性能下降與近凈尺寸和連續(xù)化制備高固含量的金剛石-碳化硅復合材料的工藝技術仍然是關鍵問題。

發(fā)明內容

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種金剛石-碳化硅復合材料、制備方法以及電子設備，在有效制備致密化復合材料的同時，嚴格控制液體硅浸滲溫度，有效避免了金剛石石墨化所帶來的負面影響。采用本發(fā)明方法制備的金剛石-碳化硅復合材料，具有高致密性、高導熱、低膨脹系數(shù)和低密度等特點。

本發(fā)明的第一方面，提供一種金剛石-碳化硅復合材料制備方法，包括：

將金剛石粉和碳化硅粉加入預先配制的凝膠預混液，其中，所述金剛石粉和所述碳化硅粉的重量比為(10～80)：(20～90)；

將所述凝膠預混液進行濕法球磨制備漿料；

將所述漿料注入模具成型得到金剛石-碳化硅預制坯體；

將所述金剛石-碳化硅預制坯體在真空環(huán)境下進行無壓浸滲硅材料得到金剛石-碳化硅燒結體。

在一種可選的方案中，所述凝膠預混液為丙烯酰胺凝膠體系預混液，還包括：

配置丙烯酰胺凝膠體系預混液，丙烯酰胺凝膠體系預混液中含有丙烯酰胺和亞甲基雙丙烯酰胺，其中，所述丙烯酰胺和所述亞甲基雙丙烯酰胺分別占粉體總質量的2～10％、0.2～1％，其中，所述粉體體積與所述丙烯酰胺凝膠體系預混液體積共為100％。

在一種可選的方案中，所述將所述漿料注入模具成型得到金剛石-碳化硅預制坯體，包括：

對所述漿料進行真空除氣，向所述漿料中加入催化劑和引發(fā)劑，將所述漿料注入模具成型，干燥后得到所述金剛石-碳化硅預制坯體

在一種可選的方案中，還包括：

利用高溫裂解預燒結法對所述金剛石-碳化硅預制坯體進行脫脂處理，其中，脫脂溫度控制低于金剛石石墨化溫度且所述脫脂溫度在1410℃～1450℃范圍內。

在一種可選的方案中，所述將所述金剛石-碳化硅預制坯體在真空環(huán)境下進行無壓浸滲硅材料得到金剛石-碳化硅燒結體，包括：

在所述金剛石-碳化硅預制坯體的上表面和/或下表面鋪設硅材料，在真空氣氛下進行高溫無壓液態(tài)浸滲，由所述硅材料形成的硅液自發(fā)滲入所述金剛石-碳化硅預制坯體，并在金剛石表面形成碳化硅薄層，得到具有金剛石-碳化硅-硅界面層的金剛石-碳化硅燒結體。

在一種可選的方案中，還包括：

所述丙烯酰胺和亞甲基雙丙烯酰胺分別占粉體總質量的5％和0.4％；所述碳化硅粉和所述金剛石粉以質量分數(shù)為16:84的比例加入丙烯酰胺凝膠體系預混液，所述催化劑為四甲基乙二胺，所述引發(fā)劑為過硫酸銨，其中所述催化劑和所述引發(fā)劑分別占漿料總體積的0.03～0.09％和0.3～0.9％，并按預設流速加入。

在一種可選的方案中，所述碳化硅粉和金剛石粉以質量分數(shù)為32:68的比例加入所述凝膠預混液中。

在一種可選的方案中，所述碳化硅粉和所述金剛石粉以質量分數(shù)為47:53的比例加入所述凝膠預混液中，或；

所述碳化硅粉和所述金剛石粉以質量分數(shù)為76:24的比例加入所述凝膠預混液中。

本發(fā)明的第二方面，提供一種金剛石-碳化硅復合材料，其特征在于，所述金剛石-碳化硅復合材料采用如上述的制備方法制得。

本發(fā)明的第三方面，提供一種電子設備，所述電子設備的散熱材料為上述的金剛石-碳化硅復合材料。

本發(fā)明實施例中提供的金剛石-碳化硅復合材料及制備方法，將金剛石粉和碳化硅粉與凝膠預混夜混合后濕法球磨，制備漿料，其中所述金剛石粉與碳化硅粉質量比為(10～80)：(20～90)，將漿料注入模具成型，干燥和脫脂后，得到金剛石-碳化硅預制坯體，預制坯體在真空環(huán)境下無壓浸滲液態(tài)硅，得到致密的金剛石-碳化硅燒結體，其中硅為高純度硅粉或硅塊。在有效制備致密化復合材料的同時，嚴格控制液體硅浸滲溫度，有效避免了金剛石石墨化所帶來的負面影響。這種復合材料具有高導熱，低膨脹，低密度和耐磨損等優(yōu)點，是一種理想的熱管理應用材料，并一直是復合材料研究的熱點。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例中提供的一種金剛石-碳化硅復合材料的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例中提供一種金剛石-碳化硅復合材料的金相顯微圖；

圖3為本發(fā)明實施例中提供一種金剛石-碳化硅復合材料的SEM圖；

圖4為本發(fā)明實施例中提供另一種金剛石-碳化硅復合材料的SEM圖；

圖5為本發(fā)明實施例中提供一種金剛石-碳化硅復合材料的XRD圖。

具體實施方式

為了使本技術領域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面將結合本公開實施例中的附圖，對本公開實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分的實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬于本發(fā)明保護的范圍。

實施例1

結合圖1所示，本發(fā)明實施例中提供一種金剛石-碳化硅復合材料制備方法，包括：

S101、將金剛石粉和碳化硅粉加入預先配制的凝膠預混液，其中，所述金剛石粉和所述碳化硅粉的重量比為(10～80)：(20～90)。

金剛石選用市面上通用的金剛石，預先配制凝膠預混液，預混液可以采用丙烯酰胺凝膠體系預混液，在配置時丙烯酰胺凝膠體系預混液加入一定量的丙烯酰胺和亞甲基雙丙烯酰胺，其中，丙烯酰胺和亞甲基雙丙烯酰胺分別占粉體總質量的2～10％、0.2～1％，這里的粉體包括金剛石粉和碳化硅粉，粉體體積與所述丙烯酰胺凝膠體系預混液體積共為100％，金剛石粉和碳化硅粉的重量比為(10～80)：(20～90)，具體數(shù)值可以根據(jù)所需金剛石的重量占比而靈活選擇，對此不做限定。

可選地方案中，采用無水乙醇或丙酮中的至少一種溶劑對金剛石進行表面凈化處理：將金剛石放置在溶劑中進行浸泡，并經過超聲清洗，除去金剛石表面的油污等雜質。

S102、將所述凝膠預混液進行濕法球磨制備漿料。

將混有金剛石粉和碳化硅粉的凝膠預混液進行濕法球磨預定時間，這里可以將預定時間設置為24小時，濕法球磨完成后制備得到漿料，可以理解的是，為了達到更好的球磨效果，可以對凝膠預混液進行充分攪拌，使得凝膠混合液變得更加均勻。

S103、將所述漿料注入模具成型得到金剛石-碳化硅預制坯體。

將漿料注入模具中進行干燥成型，模具可以預先根據(jù)需要進行制作，在球墨的過程中，漿料中容易混入一定空氣，所以可以預先對漿料進行真空除氣操作，可以對漿料進行抽真空30分鐘，為了方便更好的成型還可以加入催化劑和引發(fā)劑，引發(fā)劑又稱自由基引發(fā)劑，指一類容易受熱分解成自由基(即初級自由基)的化合物，可用于引發(fā)烯類、雙烯類單體的自由基聚合和共聚合反應，也可用于不飽和聚酯的交聯(lián)固化和高分子交聯(lián)反應，將加入催化劑和引發(fā)劑的漿料注入模具中，在進行干燥成型得到金剛石-碳化硅預制坯體。

S104、將所述金剛石-碳化硅預制坯體在真空環(huán)境下進行無壓浸滲硅材料得到金剛石-碳化硅燒結體。

在金剛石-碳化硅預制坯體的上表面和/或下表面鋪設硅材料，硅材料可以是高純度的硅塊或硅粉，在真空氣氛下進行高溫無壓液態(tài)浸滲，為了避免金剛石石墨化，這里的高溫溫度應低于金剛石石墨化溫度，通過實驗測試發(fā)現(xiàn)其真空下石墨化起始溫度范圍為1450～1500℃，所以這里的浸滲溫度即高溫溫度應該控制住1410～1450℃范圍內，由硅材料形成的硅液自發(fā)滲入金剛石-碳化硅預制坯體，并在金剛石表面形成碳化硅薄層，得到具有金剛石-碳化硅-硅界面層的金剛石-碳化硅燒結體。

可選地，為了除去金剛石-碳化硅預制坯體混入的有機成分，還可以對金剛石-碳化硅預制坯體進行脫脂處理，這里采用高溫裂解預燒結的方法，高溫裂解就是烴類在750℃以上的高溫下發(fā)生斷鏈或脫氫反應生成低分子烴的分解過程，脫脂溫度控制在金剛石石墨化溫度之下，即脫脂溫度也應該控制住1410～1450℃范圍內。

圖2為本發(fā)明實施例中制備方法制備的金剛石-碳化硅復合材料金相顯微圖，金相學主要指借助光學(金相)顯微鏡和體視顯微鏡等對材料顯微組織、低倍組織和斷口組織等進行分析研究和表征的材料學科分支，既包含材料顯微組織的成像及其定性、定量表征，亦包含必要的樣品制備、準備和取樣方法。其主要反映和表征構成材料的相和組織組成物、晶粒(亦包括可能存在的亞晶)、非金屬夾雜物乃至某些晶體缺陷(例如位錯)的數(shù)量、形貌、大小、分布、取向、空間排布狀態(tài)等。

圖3和圖4為本發(fā)明實施例中制備方法制備的金剛石-碳化硅復合材料的SEM圖，掃描電子顯微鏡(SEM，Scanning Electron Microscope)是一種介于透射電子顯微鏡和光學顯微鏡之間的一種觀察手段。其利用聚焦的很窄的高能電子束來掃描樣品,通過光束與物質間的相互作用,來激發(fā)各種物理信息,對這些信息收集、放大、再成像以達到對物質微觀形貌表征的目的。新式的掃描電子顯微鏡的分辨率可以達到1nm；放大倍數(shù)可以達到30萬倍及以上連續(xù)可調；并且景深大,視野大,成像立體效果好。此外,掃描電子顯微鏡和其他分析儀器相結合,可以做到觀察微觀形貌的同時進行物質微區(qū)成分分析。掃描電子顯微鏡在巖土、石墨、陶瓷及納米材料等的研究上有廣泛應用。因此掃描電子顯微鏡在科學研究領域具有重大作用。

圖5為本發(fā)明實施例中制備方法制備的金剛石-碳化硅復合材料的XRD圖，X射線衍射(XRD，Diffraction of X-Rays)的基本原理時當一束單色X射線入射到晶體時，由于晶體是由原子規(guī)則排列成的晶胞組成，這些規(guī)則排列的原子間距離與入射X射線波長有相同數(shù)量級，故由不同原子散射的X射線相互干涉，在某些特殊方向上產生強X射線衍射，衍射線在空間分布的方位和強度，與晶體結構密切相關。

本發(fā)明實施例中提供的制備方法，將金剛石粉和碳化硅粉與凝膠預混夜混合后濕法球磨，制備漿料，其中所述金剛石粉與碳化硅粉質量比為(10～80)：(20～90)，將漿料注入模具成型，干燥和脫脂后，得到金剛石-碳化硅預制坯體，預制坯體在真空環(huán)境下無壓浸滲液態(tài)硅，得到致密的金剛石-碳化硅燒結體，其中硅為高純度硅粉或硅塊。在有效制備致密化復合材料的同時，嚴格控制液體硅浸滲溫度，有效避免了金剛石石墨化所帶來的負面影響。這種復合材料具有高導熱，低膨脹，低密度和耐磨損等優(yōu)點，是一種理想的熱管理應用材料，并一直是復合材料研究的熱點。

實施例2

本發(fā)明實施例中還提供了第二種金剛石-碳化硅復合材料制備方法，包括：

S201、首先采用丙烯酰胺凝膠體系成型金剛石-碳化硅預制體，工藝流程如下：

配置丙烯酰胺凝膠體系預混夜，預混液中含有一定量的丙烯酰胺、亞甲基雙丙烯酰胺和其他有機化學試劑，其中丙烯酰胺和亞甲基雙丙烯酰胺分別占粉體總質量的2～10％、0.2～1％。分別加入具有一定級配的金剛石粉和碳化硅粉，級配是集料各級粒徑顆粒的分配情況，可通過篩析試驗確定。(其中粉體體積與預混夜體積共為100％)球磨24h，真空除氣30min，加入催化劑與引發(fā)劑，將漿料注入模具，干燥后得到金剛石-碳化硅預制坯體；

S202、對金剛石-碳化硅預制體進行脫脂處理，目的是除去坯體中由于混料加入的有機成分，采用高溫裂解預燒結的方法，脫脂溫度控制在金剛石石墨化溫度之下；

S203、在金剛石-碳化硅坯體上或下鋪上一定量的高純硅塊或硅粉，在真空氣氛下高溫進行無壓液態(tài)浸滲，硅液自發(fā)滲入金剛石-碳化硅預制體內，并在金剛石表面形成碳化硅薄層，從而得到穩(wěn)定的金剛石-碳化硅-硅界面層；

S204、清理金剛石-碳化硅復合材料表面殘余的硅，得到一定尺寸的金剛石-碳化硅復合材料。

實施例3

本發(fā)明實施例中還提供了第三種金剛石-碳化硅復合材料制備方法，包括：

S301、首先加入一定量的丙烯酰胺、亞甲基雙丙烯酰胺和其他有機化學試劑配置凝膠體系預混夜，其中丙烯酰胺和亞甲基雙丙烯酰胺分別占粉體總質量的5％和0.4％，選取不同粒徑的碳化硅粉和金剛石粉以質量分數(shù)為16:84的比例加入預混夜中，其中粉體體積和預混夜體積共為100％，攪拌均勻后球磨24h，漿料抽真空30min，先后加入催化劑四甲基乙二胺和引發(fā)劑過硫酸銨，其中催化劑和引發(fā)劑分別占漿料總體積的0.03～0.09％和0.3～0.9％，并按一定流速加入，得到液態(tài)漿料攪拌后注入模具并發(fā)生凝膠。

S302、干燥完成后，對金剛石-碳化硅預制坯體進行脫脂處理，除去坯體中由于混料加入的有機成分，其中脫脂溫度在金剛石石墨化溫度以下。

S303、在金剛石-碳化硅預制坯體上或下鋪上一定量的高純硅塊或硅粉，在真空氣氛下緩慢升溫至1410～1450℃進行液態(tài)滲硅，硅液自發(fā)滲入金剛石-碳化硅預制體內，從而得到較為致密的金剛石-碳化硅復合材料；

S304、清理金剛石-碳化硅復合材料表面殘余的硅，得到一定尺寸的金剛石-碳化硅復合材料，其中金剛石固含量為10％左右。

實施例4

本發(fā)明實施例中還提供了第四種金剛石-碳化硅復合材料制備方法，包括：

與實施例3基本相同，所不同的是：不同粒度的碳化硅粉和金剛石粉以質量分數(shù)為32:68的比例加入預混夜中，最后得到金剛石-碳化硅復合材料，其中金剛石固含量為20％左右，此處不做贅述。

實施例5

本發(fā)明實施例中還提供了第五種金剛石-碳化硅復合材料制備方法，包括：

與實施例3基本相同，所不同的是：不同粒度的碳化硅粉和金剛石粉以質量分數(shù)為47:53的比例加入預混夜中，最后得到金剛石-碳化硅復合材料，其中金剛石固含量為30％左右，此處不做贅述。

實施例6

本發(fā)明實施例中還提供了第六種金剛石-碳化硅復合材料制備方法，包括：

與實施例3基本相同，所不同的是：不同粒度的碳化硅粉和金剛石粉以質量分數(shù)為47:53的比例加入預混夜中，最后得到金剛石-碳化硅復合材料，其中金剛石固含量為30％左右，此處不做贅述。

本發(fā)明實施例中還提供了一種金剛石-碳化硅復合材料，該金剛石-碳化硅復合材料采用上述制備方法制得。

本發(fā)明實施例中提供的金剛石-碳化硅復合材料，在有效制備致密化復合材料的同時，嚴格控制液體硅浸滲溫度，有效避免了金剛石石墨化所帶來的負面影響。這種復合材料具有高導熱，低膨脹，低密度和耐磨損等優(yōu)點，是一種理想的熱管理應用材料，并一直是復合材料研究的熱點。

本發(fā)明實施例中還提供了一種電子設備，該電子設備的散熱材料為上述金剛石-碳化硅復合材料。

本實施例金剛石-碳化硅復合材料具有良好的散熱性能，在使用過程中能夠保持良好的穩(wěn)定性。將其應用到電子設備中作為散熱材料，滿足電子設備的散熱要求。

以上所述實施例的各技術特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特征的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的范圍。

上述具體實施方式，并不構成對本公開保護范圍的限制。本領域技術人員應該明白的是，根據(jù)設計要求和其他因素，可以進行各種修改、組合、子組合和替代。任何在本公開的精神和原則之內所作的修改、等同替換和改進等，均應包含在本公開保護范圍之內。

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