一种螺旋体增强金属基或聚合物基复合材料及制备方法

摘要

一种螺旋体增强金属基复合材料及制备方法，所述复合材料，是在金属基体中分布由若干螺旋增强体组成的阵列，经表面改性的螺旋增强体与金属基体冶金结合；所述金属基体为Al、Cu、Ag等常用电子封装金属材料；所述螺旋增强体是在螺旋体状衬底上采用化学气相沉积方法沉积金刚石，获得衬支撑金刚石螺旋体，再于垂直表面方向上生长石墨烯或碳纳米管，得到表面具有竖立阵列的石墨烯墙或碳纳米管林的螺旋金刚石导热体结构。本发明通过螺旋增强体在金属基体中阵列排布，并通过添加增强颗粒进一步提高热导率，得到一种高导热的复合材料，可用作电子封装和热沉材料等，解决了高温、高频、大功率电子器件的封装问题。

说明书

技术领域：

本发明公开了一种螺旋体增强金属基或聚合物复合材料及制备 方法，属于复合料制备技术领域。

背景技术：

热管理材料是用于将电子元件或系统产生的热量及时散除、以保 证系统工作稳定性和可靠性的材料，主要包括电子封装材料和热沉材 料两类。电子封装材料是具有高的热导率，低的热膨胀系数，良好的 机械支撑、物理保护、电气连接、散热防潮、外场屏蔽、尺寸过渡以 及稳定元件参数等作用的材料，是集成电路的密封体。随着电子信息 技术的迅猛发展，电子仪器正向着高性能、低成本、小型化、便捷化、 多功能集成化方向快速发展，电子元器件集成度和运行速度不断升 高，导致集成电路产品发出的热量大幅增加，从而影响电子器件的稳 定性，而以Cu、Al/SiC等合金为代表的传统的电子封装材料已经不能 够满足要求。

近年来，以金刚石增强金属基复合材料为代表的新一代电子封装 材料，凭借其极高的热导率，可调的热膨胀系数迅速成为研究热点。 现有的研究成果几乎绝大多数都集中在金刚石颗粒增强金属基复合 材料，但所得到的热导率远远没有达到预期。2004年，O.Beffort 等采用传统压力熔渗法制备金刚石颗粒增强铝基复合材料，但复合材 料热导率只有130W/(m·K)。而2008年，俄罗斯Ekimov等人在金刚石 颗粒质量分数达90～95％的极限条件下，高温高压烧结制备了一种新型 的金刚石粉/铜复合材料，该复合型材料的基体为金刚石粉(粒径范 围为0～500μm)，铜作为粘结剂使金刚石在高温高压下形成的连续骨 架结构，该复合材料的热导率也只达到了900W/(m·K)，远远低于金 刚石的热导率。

专利申请号201510660439.1公开了一种螺旋线增强金属基复合 热沉材料及其制备方法，然而此种复合材料具有以下不足：(1)线性 表面制备增强相体量较低、与金属基体接触是线接触，接触面积小， 热导性能受到局限；(2)线性增强体强度低，螺旋线增强体在与金属 进行高压成型(如高压溶渗)过程中易于断裂。

理论上，金刚石/金属基复合材料的热导率应在金刚石与金属基 体之间，这样将大大提高复合材料的导热性；但实际上，金刚石/铝 的热导率往往不足300W/(m·K)，而金刚石/铜复合材料的热导率往 往不足400W/(m·K)。这是因为金刚石和铝、铜的润湿性极差，两相 结合不紧密会造成很多结构缺陷和空隙，致使复合材料界面处形成了 很大的热阻。同时根据导热理论，金刚石颗粒增强铜基复合材料属于 串联导热模式，晶粒间存在粘结相，大量的界面数量带来了额外的界 面热阻，因而导致导热性能很不理想。

发明内容

本发明的目的在于可否现有技术之不足，提供一种螺旋体增强金 属基或聚合物基复合材料及制备方法，本发明制备的复合材料中增强 相与基体接触面积大，热导率高，复合材料强度好。

本发明一种螺旋体增强金属基或聚合物基复合材料，是在所述的 复合材料基体中分布有若干螺旋增强体，所述螺旋增强体为强化层包 覆的金属螺旋体，基体材料为金属材料或聚合物材料。

本发明一种螺旋体增强金属基或聚合物基复合材料，所述强化层 为金刚石膜层或金刚石膜与石墨烯墙和/或碳纳米管林构成的复合膜 层，所述复合膜层在垂直于金刚石膜表面设有阵列布置的石墨烯墙和 /或碳纳米管林,构成金刚石/石墨烯墙/、金刚石/碳纳米管林、金刚 石/石墨烯墙/碳纳米管林膜层；强化层厚度为1-2000μm。

本发明一种螺旋体增强金属基或聚合物基复合材料，所述金属基 体选自金属铜、铝中的至少一种或铜基合金、铝基合金中的至少一种； 所述铜基合金、铝基合金中，铜或铝的含量大于等于50％；聚合物基 体为热塑性聚合物或热固性聚合物；所述热塑性聚合物选自聚乙烯、 聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、尼龙、聚碳酸酯、聚甲 基丙烯酸甲酯、乙二醇酯、聚对苯二甲酸、聚甲醛、聚酰胺、聚砜中 的一种；所述热固性聚合物选自环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、氨 基树脂、三聚氰胺树脂、不饱和聚酯树脂、有机硅树脂、硅橡胶、发 泡聚苯乙烯、聚氨酯中的一种。

本发明一种螺旋体增强金属基或聚合物基复合材料，所述金属螺 旋体的材料选自金属钨、钼、铜、钛、铬、钽、铌中的一种或选自铜 基合金、钼基合金、钨基合金、钛基合金中的一种，所述铜基合金、 钼基合金、钨基合金、钛基合金中铜、钼、钨、钛的质量百分含量大 于等于50％；金属螺旋体上螺纹厚度为50μm‐2000μm，螺旋体外径为 3‐50mm。

本发明一种螺旋体增强金属基或聚合物基复合材料，复合材料中 还包含高导热颗粒，所述高导热颗粒选自金刚石颗粒、石墨烯粉、碳 纳米管、石墨烯包覆金刚石颗粒的复合微球、表面具有石墨烯墙或碳 纳米管林阵列的金刚石颗粒中的一种或多种。

本发明一种螺旋体增强金属基或聚合物基复合材料，所述螺旋体 占复合材料总体积的1-60％，所述基体材料体积为40％‐99％，所述高 导热增强颗粒占复合材料总体积的百分含量为0‐50％，各组分体积百 分之和为100％。

本发明一种螺旋体增强金属基或聚合物基复合材料的制备方法， 包括下述步骤：

第一步：将螺旋衬底用丙酮超声波处理去除表面油污和污渍后， 采用化学气相沉积在螺旋体表面沉积强化层；强化层中金刚石膜的沉 积工艺参数为：

金刚石CVD沉积参数为：含碳气体占炉内全部气体质量流量百 分比为0.5-10％；生长温度为600-1000℃，生长气压10³-10⁴Pa；

通过对CVD沉积炉内施加等离子和磁场诱导，并实时调节碳气 流量、生长温度、生长气压，实现强化层中金刚石/石墨烯墙、金刚 石/碳纳米管林、金刚石/石墨烯墙/碳纳米管林膜层的CVD沉积，沉 积参数为：

石墨烯CVD沉积参数为：含碳气体占炉内全部气体质量流量百 分比为0.5-80％；生长温度为400-1200℃，生长气压为5-10⁵Pa；等离 子电流密度为0-50mA/cm²；沉积区域中磁场强度为100高斯至30特 斯拉；

碳纳米管CVD沉积参数为：含碳气体占炉内全部气体质量流量 百分比为5-50％；生长温度为400-1300℃，生长气压为10³-10⁵Pa； 等离子电流密度为0-30mA/cm²；沉积区域中磁场强度为100高斯至 30特斯拉；

第二步：将螺旋体与基体进行复合，得到螺旋体增强金属基或聚 合物基复合材料；螺旋体在基体中均匀平行排布成阵列或随机设置；

螺旋体与金属基体复合时，采用冷压烧结、热压烧结、等离子烧 结、无压熔渗、加压熔渗、铸造中的一种技术进行复合；

螺旋体与聚合物基体复合时，采用浸渍固化成型、注射成型、压 制成型、滚塑成型、注塑成型、挤塑成型、层压成型、流延成型中的 一种技术进行复合。

本发明一种螺旋体增强金属基或聚合物基复合材料的制备方法， 第一步中，将螺旋体清洗、烘干后；先采用电镀、化学镀、溶胶凝胶 法、磁控溅射中的一种方法在螺旋体表面沉积钨、钼、银、镍、铬、 钛中的一种或复合金属层后，再采用化学气相沉积强化层；金属层厚 度为10nm-5000nm。

本发明一种螺旋体增强金属基或聚合物基复合材料的制备方法， 螺旋体表面制备金属层后，先浸泡于纳米或微米金刚石粉悬浊液中进 行超声震荡种植籽晶，然后，采用化学气相沉积高导热材料。

本发明一种螺旋体增强金属基或聚合物基复合材料的制备方法， 螺旋体与金属基体复合时，先采用物理气相沉积、化学气相沉积、化 学镀、电镀中的一种，对螺旋体表面沉积一层过渡层后再与金属基体 复合，过渡层材料选自金属钨、钼、钛、镍、铬中的一种或多种，或 过渡层材料选自碳化物TiC、WC、Cr₇C₃，NiC、Mo₂C中的一种或多种， 过渡层厚度为1nm‐2μm。

本发明一种螺旋体增强金属基或聚合物基复合材料，在金属基体 中加入稀土元素，如Zr、B、Y等稀土元素中的一种或几种来增强金属 与金刚石的结合性能；或在聚合物内添加偶联剂以改变聚合物的亲水 性或亲有机性，使得聚合物和增强体通过偶联剂相连接，改善其结合 性能。

发明人发现，提高金刚石/金属基复合材料热学性能的主要途径， 除了增强体和金属的品质、尺寸及其复合界面热导外，通过对高导热 金刚石在复合材料体系中的结构进行优化设计，使金刚石形成有利于 热扩散的连续导热通道，对提升复合材料热学性能具有更大的潜力。 由于金刚石大尺寸块体非常昂贵，极高的硬脆性和弹性模量导致复杂 结构的金刚石更是难以按照设计进行加工成型，迄今为止复杂结构的 金刚石连续导热通道增强金属基复合材料鲜有报道。化学气相沉积金 刚石膜是由含碳活性基团连续生长而成，金刚石晶粒间结合紧密。化 学气相沉积技术可在复杂形状的衬底表面制备晶粒间连续致密的高 质量多晶金刚石涂层，可按照设计构建具有复杂结构的多晶金刚石连 续导热通道。

本发明针对以上不足，采用化学气相沉积方法在螺旋体状衬底上 沉积金刚石，并在其表面生长石墨烯墙和/或碳纳米管林，此种螺旋 体状复合结构与金属或聚合物基体复合获得螺旋体增强金属基或聚 合物基复合材料，CVD金刚石薄膜将构成连续的导热通道，产生并联 式导热。将此种螺旋体体状复合结构与基体材料进行复合，具有以下 优势：(1)带状螺旋体相当于若干个紧密排列的螺旋线，其表面增强 相体量显著提升，与基体接触方式变“线接触”为“面接触”，接触 面积大，热传导性能更好；(2)带状螺旋体强度较高，螺旋体与金属 进行高压成型(如高压溶渗)过程中不易断裂；(3)螺旋体表面增强 体为金刚石膜与石墨烯墙和/或碳纳米管林复合结构，表面具有竖立 阵列的石墨烯墙或碳纳米管林结构具有较大的比表面积，增大了与基 体的结合面积，更有利于与基体牢固结合；(4)此种复合增强结构 中，金刚石膜就好比“主动脉”，表面具有竖立阵列的石墨烯墙或碳 纳米管林就好比与“主动脉”紧密相连的“毛细血管”，这些网络交 错的特点更有利于与基体间的热流传输。与本发明人课题组前期的发 明专利(申请号201510659346.7“一维金刚石增强铝基复合材料及其 制备方法”)相比，螺旋体增强相的导热面积更大，使得导热效果更 好；与前期的另一发明专利(申请号201510660439.1“一种片状金刚 石增强金属基复合材料及制备方法”)相比，导热增强性能可以由二 维平面拓展到三维空间，使得导热更均匀；同时相比上述两个发明只 在单个方向具有优异导热性能，本发明通过合理的紧密排布可以实现 横向与纵向两个方向的导热，构成串并联模型，有效克服了现有技术 专利中存在热导率不够理想的缺陷。

附图说明

附图1为本发明螺旋体导热材料示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例进一步描述本发明的技术方案

实施例一：

螺旋体增强铝基复合材料(螺旋导热增强相占复合材料总体积的 体积分数为15％)，具体制备步骤为(1)选用厚度为0.05mm的钨 箔作为金属衬底，并通过一定塑性加工扭转成如图1中的立体螺旋结 构；(2)采用热丝CVD沉积金刚石膜，沉积工艺参数：热丝距离6mm， 基体温度800℃，热丝温度2200℃，沉积压强3KPa，CH₄/H₂体积流 量比1:99，控制沉积时间得到金刚石膜厚度150μm，即得到带金属衬 底金刚石螺旋体；(3)采用磁控溅射方法在金刚石螺旋体表面先溅 射一层金属Ni膜，溅射功率为200W，压强0.3Pa，基体温度350℃， 氩气流量50sccm，Ni膜厚度为0.5μm；(4)利用等离子辅助化学气 相沉积在镀Ni的衬底表面生长石墨烯，沉积过程中在泡沫骨架衬底 上施加等离子辅助生长，并通过在衬底底部添加磁场把等离子体约束 在衬底近表面，强化等离子对衬底表面的轰击，使石墨烯垂直于金刚 石表面生长，石墨烯墙沉积参数为：基体温度为950℃，沉积气压为 5.0kPa，CH₄/H₂体积流量比20:80，等离子电流密度10mA/cm²，沉积 区域中磁场强度为500高斯，沉积时间5h；(5)采用电镀方法在具 有竖立的石墨烯墙阵列的螺旋体表面电镀一层金属铜膜，铜膜厚度为 500nm；(6)将具有竖立的石墨烯墙阵列的螺旋体定向均匀排布于 模具中，排布距离1mm，得到高导热螺旋体阵列骨架；(7)将高导 热螺旋体阵列骨架固定放入模具中，同时将纯铝在坩埚中加热熔化至 800℃，将纯铝熔体浇注到模具内，采用液压机施压60Mpa的压力， 迫使铝或铝合金熔体浸渗进入骨架中金刚石线的间隙处，保持压力 15秒，冷却脱模，取出复合材料。性能测试结果：热导率为 548W/(m·K)。

实施例二：

螺旋体增强铝合金复合材料(螺旋导热增强相占复合材料总体积的体 积分数为20％)，具体制备步骤为(1)选用厚度为0.05mm的铜箔 作为金属衬底，并通过一定塑性加工扭转成如图1中的立体螺旋结 构；(2)采用热丝CVD沉积金刚石膜，沉积工艺参数：热丝距离6mm， 基体温度850℃，热丝温度2200℃，沉积压强3KPa，CH₄/H₂体积 流量比1:99，控制沉积时间得到金刚石膜厚度200μm，即得到带金属 衬底金刚石螺旋体；(3)利用等离子辅助化学气相沉积在镀Ni的衬 底表面生长石墨烯，沉积过程中在泡沫骨架衬底上施加等离子辅助生 长，并通过在衬底底部添加磁场把等离子体约束在衬底近表面，强化 等离子对衬底表面的轰击，使石墨烯垂直于金刚石表面生长，石墨烯 墙沉积参数为：基体温度为1000℃，沉积气压为5.0kPa，CH₄/H₂体 积流量比10:90，等离子电流密度20mA/cm²，沉积区域中磁场强度为 450高斯，沉积时间2h；(4)采用真空蒸发法在具有竖立的石墨烯 墙阵列的螺旋体表面镀一层金属铬膜，蒸发电流为36A，压强0.1Pa， 基体温度400℃，铬膜厚度为0.5μm，再真空蒸发一层金属铜膜，蒸 发电流为30A，压强0.1Pa，基体温度300℃，膜层厚度2.0μm；(5) 将表面镀Cr/Cu的高导热螺旋体定向均匀排布于模具中，排布距离 2mm，即得到高导热螺旋体阵列骨架；(6)将高导热螺旋体阵列骨 架固定放入模具中，将高导热螺旋体阵列骨架体积的2倍Al-Si合金 放置在骨架上方，其中Si的质量含量为10％，然后放入加热炉中， 在高纯氮气保护下850℃保温60min，即可制得高导热螺旋体增强铝 合金复合材料，复合材料热导率分别为622W/(m·K)。

实施例三：

螺旋体增强铜基复合材料(螺旋导热增强相占复合材料总体积的 体积分数为40％)，具体制备步骤为(1)选用0.3mm硅片作为金属 衬底，并通过一定塑性加工扭转成如图1中的立体螺旋结构；(2)采 用热丝CVD沉积金刚石膜，沉积工艺参数：热丝距离6mm，基体温 度900℃，热丝温度2300℃，沉积压强3KPa，CH₄/H₂体积流量比1:99， 控制沉积时间得到金刚石膜厚度600μm，刻蚀片状硅衬材后，获得自 支撑金刚石螺旋体；(3)采用磁控溅射方法在金刚石螺旋体表面先 溅射一层金属Ni膜，溅射功率为200W，压强0.3Pa，基体温度350℃， 氩气流量50sccm，镍膜厚度为0.5μm；(4)再采用热丝CVD沉积在 Ni膜表面碳纳米管林，沉积工艺：CH₄/H₂含碳气体质量流量百分比为 10.0％；生长温度为900℃，生长气压10⁴Pa；等离子电流密度 15mA/cm²；沉积区域中磁场强度为600高斯，沉积时间1h，即得到具 有竖立的碳纳米管林阵列包覆金刚石的螺旋体导热增强相；(5)采 用真空蒸镀的方法在具有竖立的碳纳米管林阵列的螺旋体表面镀一 层金属铜膜，铜膜厚度为200nm；(6)将具有竖立的碳纳米管林阵 列的螺旋体定向均匀排布于模具中，排布距离3mm；(7)高导热螺 旋体的间隙处填充纯铜粉和金刚石粉混合粉末(铜粉纯度为99.9％， 金刚石颗粒形貌规则，颗粒尺寸：80～100μm，金刚石颗粒体积分数 为5％)，金刚石颗粒采用真空蒸发技术在表面制备了Mo/Cu复合膜 层，钼蒸发电流为32A，压强0.1Pa，基体温度400℃，钼膜厚度为0.3μm， 再真空蒸发一层金属铜膜，蒸发电流为30A，压强0.1Pa，基体温度300 ℃，膜层厚度1.0μm；然后将试样进行热压烧结，气氛为真空，烧结 压力60MPa，烧结温度为1070℃，保温时间90min，冷却脱模，取出 复合材料。性能测试结果：热导率为1223W/(m·K)。

实施例四：

螺旋体增强环氧树脂复合材料(螺旋导热增强相占复合材料总体 积的体积分数为40％)，具体制备步骤为(1)选用0.3mm钨铜合金 片作为金属衬底，并通过一定塑性加工扭转成如图1中的立体螺旋结 构；(2)采用热丝CVD沉积金刚石膜，沉积工艺参数：热丝距离6mm， 基体温度850℃，热丝温度2200℃，沉积压强3KPa，CH₄/H₂体积流 量比1:99，控制沉积时间得到金刚石膜厚度400μm，即得到带金属衬 底金刚石螺旋体；(3)采用磁控溅射方法在金刚石螺旋体表面先溅 射一层金属Ni膜，溅射功率为200W，压强0.3Pa，基体温度350℃， 氩气流量50sccm，Ni膜厚度为0.5μm；(4)利用等离子辅助化学气 相沉积在镀Ni的衬底表面生长石墨烯，沉积过程中在泡沫骨架衬底 上施加等离子辅助生长，并通过在衬底底部添加磁场把等离子体约束 在衬底近表面，强化等离子对衬底表面的轰击，使石墨烯垂直于金刚 石表面生长，石墨烯墙沉积参数为：基体温度为900℃，沉积气压为 5.0kPa，CH₄/H₂体积流量比0.5:99.5，等离子电流密度20mA/cm²，沉 积区域中磁场强度为1特斯拉，沉积时间5h，即得到具有竖立的石 墨烯墙阵列的螺旋体导热增强相；(5)采用电镀的方法在具有竖立 的石墨烯墙阵列的螺旋体表面电镀一层金属铜膜，铜膜厚度为 500nm；(6)将具镀有铜膜的高导热螺旋体定向排布于模具中，排 布距离随机，得到高导热螺旋体阵列骨架；(7)将100g环氧树脂(牌 号E-51)加入到烧瓶中，在60℃下搅拌并超声1小时后，真空脱泡 30min，加入4g2-乙基-4-甲基咪唑，用磁力搅拌器搅拌10min，加入 0.4g改性氧化锌晶须，磁力搅拌15min，高速均质分散5min，得到均 匀的混合物；将混合物浇入到模具中的高导热螺旋体阵列骨架，真空 脱泡20min，按照80℃/2h+100℃/2h+120℃/2h和140℃/4h工艺进行 热固化，脱模取出即得到高导热螺旋体增强环氧树脂复合材料，性能 测试结果：热导率为372W/(m·K)。

实施例五：

螺旋体增强酚醛树脂复合材料(螺旋导热增强相占复合材料总体 积的体积分数为20％)，具体制备步骤为(1)选用厚度为0.1mm的钼 片作为金属衬底，并通过一定塑性加工扭转成如图1中的立体螺旋结 构；(2)采用热丝CVD沉积金刚石膜，沉积工艺参数：热丝距离6mm， 基体温度900℃，热丝温度2300℃，沉积压强3KPa，CH₄/H₂体积流量 比1:99，控制沉积时间得到金刚石膜厚度200μm，即得到带金属衬底 金刚石螺旋体；(3)利用等离子辅助化学气相沉积在镀Ni的衬底表 面生长石墨烯，沉积过程中在泡沫骨架衬底上施加等离子辅助生长， 并通过在衬底底部添加磁场把等离子体约束在衬底近表面，强化等离 子对衬底表面的轰击，使石墨烯垂直于金刚石表面生长，石墨烯墙沉 积参数为：基体温度为1000℃，沉积气压为5.0kPa，CH₄/H₂体积流量 比4:96，等离子电流密度30mA/cm²，沉积区域中磁场强度为500高斯， 沉积时间2h，即得到具有竖立的石墨烯墙阵列的螺旋体导热增强相； (4)采用电镀的方法在带芯石墨烯螺旋线表面电镀一层金属镍膜， 镍膜厚度为500nm；(5)再采用热丝CVD沉积在Ni膜表面碳纳米管 林，沉积工艺：CH₄/H₂含碳气体质量流量百分比为10.0％；生长温度 为900℃，生长气压10⁴Pa；等离子电流密度15mA/cm²；沉积区域中磁 场强度为600高斯，沉积时间1h；即得到具有竖立的碳纳米管林/石墨 烯墙包覆金刚石的螺旋体导热增强相；(6)采用电镀的方法在带芯 石墨烯螺旋线表面电镀一层金属铜膜，铜膜厚度为500nm；(7)将 具镀有铜膜的高导热螺旋体定向均匀排布于模具中，排布距离2mm， 得到高导热螺旋体阵列骨架；(6)将1克氧化石墨烯粉、5克水合肼、5 克十二烷基苯磺酸钠，浓度为44％的260克甲醛溶液加入到模具中， 开动搅拌，缓慢升温至100℃下反应6小时；(8)反应液降温至75℃时， 加入酸调节pH到2.3，然后加入600g苯酚后，在95℃下反应2小时，反 应后，将反应混合物升温脱水至温度160℃，脱膜取出即得高导热螺 旋体增强酚醛树脂复合材料。复合材料热导率分别为173W/(m·K)。

从以上实施例得到的热导率数据可知，本发明制备的高导热螺旋 体增强金属基复合材料的热导率高达1223W/(m·K)，明显高于传统的 金属基或聚合物基复合材料的热导率。