加压浸渍型金属基复合材料的制备方法

摘要

根据本发明的加压浸渍型金属基复合材料的制备方法、包括：预成型体组件（60）准备步骤，在预成型体壳体（50）的空间凹处（53），收纳其尺寸小于空间凹处（53）的多孔性预成型体（30），以准备预成型体组件（60）；以及，加压浸渍步骤，将预成型体组件（60）和熔融浸渍剂（40）收容于模具（10）内，使用冲压机（20）堵压模具（10）的入口，使得熔融浸渍剂（40）通过闸口（54）向多孔性预成型体（30）的空隙内加压浸渍，并且当多孔性预成型体（30）的底部和模具（10）的底部的间隙为A1、多孔性预成型体（30）的侧面和模具（10）的侧面之间的间隙为A2、熔融浸渍剂（40）被填充的高度为C3、模具（10）的底部到多孔性预成型体（30）的上表面之间的高度为A3、模具（10）的底部到预成型体壳体（50）的上表面之间的高度为B3时，上述加压浸渍步骤在下列条件下进行，即5mm≤A1≤110mm，5mm≤A2≤110mm，A3+50mm≤C3≤B3×3。

说明书

技术领域

本发明涉及一种加压浸渍型金属基复合材料的制备方法，尤其涉及一种拟在装入有多孔性预成型体（preform）的模具内通过将熔融浸渍剂加压浸渍于上述多孔性预成型体而获得金属基复合材料（metal matrix composites，MMC）时，即便不如意地上述熔融浸渍剂在上述模具内局部形成早期固化，但能够使上述熔融浸渍剂均匀地加压浸渍于上述多孔性预成型体，同时还能够防止上述多孔性预成型体因侧压及浮力而导致移动的加压浸渍型金属基复合材料的制备方法。

背景技术

在电力绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar mode transistor）、电源控制芯片（power control chip）、照明用高功率发光二极管（LED）等各种电子部件中，散热问题开始成为非常重要的一点。为了解决这种散热问题，将一种熔融金属浸渍于多孔性预成型体而形成的金属基复合材料（metal matrixcomposites，MMC）作为基板来使用。金属基复合材料通过预成型体的空隙所占比例等，控制金属基的相对占有率，从而能够根据各种产品特性来获得所需的热导率、热膨胀系数以及强度等。

作为金属基复合材料，例如有铝熔融合金加压浸渍于碳成型体或陶瓷成型体的空隙内而形成的铝基碳复合材料或铝基陶瓷复合材料等。

图1及图2是以往的加压浸渍型金属基复合材料的制备方法的示意图，图1旨在说明早期固化中存在的问题，图2旨在说明因侧压及浮力导致的问题。

[早期固化]

首先，如图1a所示，将以陶瓷或碳粉末等为主要原料的多孔性预成型体（preform）30装入模具10内，注入如铝熔融液或铝合金熔融液的熔融浸渍剂40后，如图1b所示，使用冲压机20按压模具10的入口时，因其加压作用，熔融浸渍剂40渗透到多孔性预成型体30的空隙，以此来得到金属基复合材料，即，铝基碳复合材料或铝基陶瓷复合材料。

而根据如上所述的以往的加压浸渍型金属基复合材料的制备方法，模具10和冲压机20相比熔融浸渍剂40温度低，在该接触部分中热量快速转移到外部，由此相比其他部分其温度变低，因此熔融浸渍剂40在模具10和冲压机20相接触的附近S位置出现不需要的早期固化问题。

在这种局部早期固化的部分，熔融浸渍剂40的流动不畅，因此熔融浸渍剂40无法均匀地渗透到多孔性预成型体30的内部，从而导致金属基复合材料存在热量及结构方面的缺陷。

典型的示例为，多孔性预成型体30在自身重量作用下装入并接触模具10的底面，在这种情况下，由于模具10的底部出现早期固化，从而无法实现向多孔性预成型体30的底部的加压浸渍。

[侧压及浮力]

如图2a所示，侧压在如下情况下发生：能够借助在将多孔性预成型体30装入模具10内并将熔融浸渍剂40注入模具10内的过程中，因熔融浸渍剂40下落的冲击作用而形成，或者能够因熔融浸渍剂40被注入的部分和不被注入的部分之间的熔融液的液面高度差异而形成。如图2b所示，浮力因多孔性预成型体30和熔融浸渍剂40的比重差异而形成。

如此，侧压及浮力发生综合作用，多孔性预成型体30的位置及姿势发生变动，尤其在浮力作用下，多孔性预成型体30在悬浮状态下出现位置及姿势的变化。因此，其移动方向及姿势变动表现出不规律性，从而无法进行预测。模具10作为金属，具有不透明性，因此作业人员更无法获知多孔性预成型体30的这种位置及姿势变动。

当完成加压浸渍时，从模具10中取出多孔性预成型体30并进行切除不必要部分的过程，而在这种加压浸渍过程中，当多孔性预成型体30的位置及姿势发生变动时，很难判断在加压浸渍过程之后需要切除哪些不必要的部分。在切除了实际需要的部分的情况下，将导致生产率下降，而在应该被切除的部分反而作为复合材料使用的情况下，将导致产品质量相关可靠性下降。

发明内容

因此，本发明需要解决的问题是提供一种即便在模具内发生熔融浸渍剂的局部早期固化，也可以通过将熔融浸渍剂均匀地加压浸渍于多孔性预成型体，同时，防止多孔性预成型体因侧压及浮力导致移动，从而能够提高生产率以及实现复合材料的精密制造的加压浸渍型金属基复合材料的制备方法。

为了解决上述问题，根据本发明的加压浸渍型金属基复合材料的制备方法，其特征在于，包括：预成型体组件准备步骤，在内部设有通过闸口（Gate）与外部相连通的空间凹处的预成型体壳体的上述空间凹处，收纳其尺寸小于上述空间凹处的多孔性预成型体，以准备预成型体组件；以及加压浸渍步骤，将上述预成型体组件和熔融浸渍剂收容于上述模具内，使用冲压机堵压上述模具的入口，使得上述熔融浸渍剂通过上述闸口向上述多孔性预成型体的空隙内加压浸渍，当上述多孔性预成型体的底部和上述模具的底部的间隙为A1、上述多孔性预成型体的侧面和上述模具的侧面之间的间隙为A2、上述熔融浸渍剂被填充的高度为C3、上述模具的底部到上述多孔性预成型体的上表面之间的高度为A3、上述模具的底部到上述预成型体壳体的上表面之间的高度为B3时，上述加压浸渍步骤在下列条件下进行，即5mm≤A1≤110mm，5mm≤A2≤110mm，A3+50mm≤C3≤B3×3。

更优选地，上述加压浸渍步骤在A3×1.5≤C3的条件下进行。

更优选地，当上述预成型体壳体的底部和上述模具的底部的间隙为B1、上述预成型体壳体的侧面和上述模具的侧面之间的间隙为B2时，上述加压浸渍步骤在下列条件下进行，即0mm≤B1≤100mm，3mm≤B2≤100mm。

上述闸口能够形成于上述预成型体壳体的上表面或侧面。

优选地，在上述加压浸渍步骤之前，包括将上述模具和上述冲压机以100～350℃进行预热的步骤。

更优选地，在上述加压浸渍步骤之前，包括将上述预成型体组件以550～950℃进行预热的步骤。

根据本发明，虽然在模具或冲压机接触部位发生熔融浸渍剂的早期固化，而在形成实际的加压浸渍的空间凹处中，通过预成型体壳体在一定程度上阻断热量的外部转移，并且，多孔性预成型体在预成型体壳体作用下与模具或冲压机保持一定程度的隔离状态。因此，在形成加压浸渍的部位中，熔融浸渍剂的流动性仍然顺畅。

并且，当设计成预成型体组件具备足够的重量以使能够克服浮力的影响时，不会发生多孔性预成型体因侧压及浮力作用而移动的情况。

附图说明

图1及图2是以往的加压浸渍型金属基复合材料的制备方法的示意图。

图3是根据本发明的加压浸渍型金属基复合材料的制备方法的示意图。

图4是图3的预成型体组件60的示意图。

附图标记的说明：

10：模具

20：冲压机

30：多孔性预成型体

40：熔融浸渍剂

50、51、52：预成型体壳体

53：空间凹处

54：闸口

55：支座

56：螺栓

60：预成型体组件

具体实施方式

以下，将参照附图对本发明的优选实施例进行详细说明。以下实施例仅仅是为了帮助对本发明的理解而提出的，本领域技术人员能够在本发明所属技术思想范围内进行变形。因此，本发明的保护范围不限于这种实施例。

图3是根据本发明的加压浸渍型金属基复合材料的制备方法的示意图，图4是图3的预成型体组件60的示意图。

[预成型体组件60的准备步骤]

将多孔性预成型体30直接装入模具10时，在侧压及浮力作用下，可能会发生多孔性预成型体30的位置及姿势发生变动的问题，并且通过这种位置及姿势变动等，多孔性预成型体30将移动到熔融浸渍剂40早期固化的部分而出现不均匀的浸渍的情况，根据本发明的特征，如图4所示，往模具10中装入将多孔性预成型体（perforate preform）30被收纳于预成型体壳体50内而形成的预成型体组件（preform assembly）60。

预成型体壳体50内部设有通过闸口54与外部相连通的空间凹处53，多孔性预成型体30收纳于空间凹处53内。可设置一个空间凹处53，但如图所示也可设有多个。当设置多个空间凹处53时，不同于以往的方式，具有通过一次加压浸渍工序而能够制备多个金属基复合材料的优点。

优选地，由于在空间凹处53内向多孔性预成型体30实施加压浸渍，因此在空间凹处53和多孔性预成型体30之间存在缝隙，使得熔融浸渍剂能够进入其中。优选地，空间凹处53略大于多孔性预成型体30。

由于熔融浸渍剂40能够流入空间凹处53的上部或侧面，因此，考虑到产品的质量及生产性，闸口54能够形成于预成型体壳体50的上表面或侧面等。在附图中，图示了形成于上表面的情况。

优选地，为了能够将多孔性预成型体30轻松地收纳于空间凹处53，预成型体壳体50由多个外壳51、52通过螺栓56或焊接等来实现结合。

当预成型体壳体50的底部整体接触模具10的底部时，预成型体组件60的热量通过模具10的底部来快速释放到外部，因此，不建议采取这种方式。所以，考虑到这种问题，优选地，在预成型体壳体50的底部设置支座55，使得预成型体壳体50由支座55提供支撑并从底部略微上浮设置。

而根据具体情况，当熔融浸渍剂40流入预成型体壳体50的底部时，熔融浸渍剂40在预成型体壳体50和模具10的底部之间形成早期固化，从而会导致熔融浸渍剂40的流动受到阻碍，而且也导致熔融浸渍剂40的浪费，反而不使用支座55的情况会更好。在这种情况下，应特别确保足够的多孔性预成型体30的底部和模具10的底部的间隙（图3的A1）。

[预热步骤]

作为用于加压浸渍的结构因素包括模具10、冲压机20、预成型体组件60，而这些部件的温度低于熔融液（即熔融浸渍剂40），因此，在此附近可能会发生熔融浸渍剂40的早期固化。因此，优选地，为了防止这种早期固化，在加压浸渍之前需要对模具10、冲压机20及预成型体组件60进行预热的过程。

关于模具10和冲压机20，由于其材料为钢材，预热只能在这种钢材的刚性能够得以保持的范围内实施。优选地，具体在100～350℃范围内进行预热。

关于预成型体组件60，由于在预成型体组件60内将会发生加压浸渍，因此优选以高于模具10或冲压机20的温度进行预热。更优选地，在其温度接近或高于熔融浸渍剂40的熔融温度的550～950℃范围内进行预热。例如，作为熔融浸渍剂40来使用铝熔融液并且作为预成型体30来使用碳成形体的情况下，预成型体组件60应在高于约550℃的温度下进行预热。

[加压浸渍步骤]

如图3a所示，当结束上述预热过程时，将预成型体组件60装入模具10内，注入熔融浸渍剂40。此时，虽然处于未进行加压浸渍的状态，但熔融浸渍剂40将通过闸口54来渗入空间凹处53而落脚。接着，如图3b所示，当使用冲压机20来堵压模具10的入口时，在其加压力的作用下，熔融浸渍剂40在空间凹处53内加压浸渍于多孔性预成型体30的空隙内。

作为预成型体壳体50，将使用比重高于熔融浸渍剂40的材料，因此在加压浸渍过程中，不会发生因熔融浸渍剂40的侧压或浮力而导致预成型体壳体50的位置或姿势发生变动的情况。并且，空间凹处53虽然大于多孔性预成型体30使得熔融浸渍剂40能够流动，但不至于大到通过多孔性预成型体30的旋转等而改变姿势，因此也不会发生在空间凹处53内多孔性预成型体30的姿势发生变化的情况。

如上所述，在本发明中并不是将多孔性预成型体30直接装入模具10，而是将预成型体组件60装入模具10，因此防止因侧压或浮力等发生的熔融浸渍剂40的摇动而多孔性预成型体30的位置或姿势发生不必要的变动。

一方面，即便经过如上所述的预热过程，模具10和冲压机20的温度仍然显著低于熔融浸渍剂40的温度，因此在该接触部分中热量迅速向外部释放，熔融金属浸渍剂40在接触模具10和冲压机20的附近发生早期固化与以往的情况相同。这种早期固化从加压浸渍还未进行的如图3a所示的注入熔融浸渍剂40后开始发生。

因此，最大限度地缩短将熔融浸渍剂40注入到模具10内后到开始浸渍的时间尤为重要，并且关键在于设置多孔性预成型体30时，确保其与模具10和冲压机20保持规定距离。

具体而言，优选地，当多孔性预成型体30的底部和模具10的底部的间隙为A1、多孔性预成型体30的侧面和模具10的侧面之间的间隙为A2时，在5mm≤A1≤110mm，5mm≤A2≤110mm的条件下进行加压浸渍。

当上述A1和A2的值过小时，模具10的低温将影响预成型体组件60，在空间凹处53中熔融浸渍剂40形成早期固化，从而可能会导致出现在加压浸渍过程中熔融液的流动性恶化的问题。

并且，当上述A1和A2的值过大时，模具10的尺寸应变大，熔融浸渍剂40的投入量也随之增多，熔融浸渍剂40的注入时间也将变长，因此，当需要实施加压浸渍时，将导致出现全部熔融液的温度已经下降的问题。因此，优选地，按照如上方式以适当的程度分隔多孔性预成型体30和模具10。

在此情况下，预成型体壳体50也应适当地从模具10中隔离开来，当预成型体壳体50的底部和模具10的底部的间距为B1、预成型体壳体50的侧面和模具10的侧面之间的间隔为B2时，优选地，在预成型体壳体50的0mm≤B1≤100mm、3mm≤B2≤100mm的条件下，形成上述加压浸渍。上述B1为0的情况就是预成型体壳体50无支座55地直接接触模具10的底部的时点。

一方面，当熔融浸渍剂40被填充的高度为C3、从模具10的底部到多孔性预成型体30的上表面之间的高度为A3时，如上述C3和A3的差异过小，则导致预成型体组件60的上部的熔融浸渍剂40的厚度过小。

具体而言，当预成型体组件60的上部的熔融浸渍剂40的厚度过小时，在通过冲压机20施加于熔融浸渍剂40的力量当中向下的力量的矢量成分很难作用于熔融浸渍剂40，导致熔融浸渍剂40无法正常流入闸口54，从而导致整体的加压浸渍速度非常缓慢，此时，在冲压机20接触部分附近发生熔融浸渍剂40的早期固化，同时引起熔融浸渍剂40的流动性下降的现象，上述缓慢的加压浸渍速度将加速这种早期固化的速度，在这种综合作用下将发生熔融浸渍剂40很难流入闸口54的问题。

在设置有多个空间凹处53的情况下，各空间凹处53出现这种现象的程度有所不同，因此，从成品的可靠性方面考虑，不应该使上述C3和A3的差异过小。

并且，当预成型体组件60的上部的熔融浸渍剂40的厚度过小时，冲压机20和预成型体组件60之间的距离过短，通过冲压机20的加压力无法通过熔融浸渍剂40而得以缓冲，事实上，将直接导致作用于预成型体组件60的结果，从而也可能会引起预成型体壳体50或多孔性预成型体30的形状变形或崩解的问题。

与此相反，当上述C3和A3的差异过大时，将导致注入不必要的过量熔融浸渍剂40，在这种情况下熔融浸渍剂40的注入时间变长，使整体熔融液的温度下降，因熔融浸渍剂40的浪费导致生产费用的增加。

考虑到这一点，优选地，上述C3应处于满足A3+50mm≤C3、A3×1.5≤C3、C3≤B3×3的条件的范围。其中，B3为从模具10的底部到预成型体壳体50的上表面之间的高度。

如上所述，根据本发明，虽然在模具10或冲压机20接触部位发生熔融浸渍剂40的早期固化，而在形成实际的加压浸渍的空间凹处53中，通过预成型体壳体50在一定程度上阻断热量的外部转移，并且，多孔性预成型体30在预成型体壳体50作用下与模具10或冲压机20保持规定程度的隔离状态。因此，在形成加压浸渍的部位中，熔融浸渍剂40的流动性仍然活跃。

并且，当设计成预成型体组件60具备足够的重量以使能够克服浮力的影响时，不会发生多孔性预成型体30因侧压及浮力作用而移动的情况。

产业上的可利用性

根据本发明的加压浸渍型金属基复合材料的制备方法，能够有效地用于解决各种电子部件的散热问题所需的金属基复合材料的制作，由此，能够有效地改善金属基复合材料的生产效率。