一种改性金刚石颗粒、改性方法、作为增强相的应用及得到的金属基复合材料

摘要

本发明公开了一种改性金刚石颗粒、改性方法、作为增强相的应用及得到的金属基复合材料，属于复合材料领域。本发明的金刚石颗粒的改性方法，采用真空滚动镀膜设备，在滚筒内对颗粒进行搅拌，增加了金刚石颗粒镀膜的均匀性；采用多弧离子镀工艺，从靶材表面直接产生等离子体，附着于基体的粒子能量高，镀膜的致密度高，金属更易与金刚石形成碳化物，从而由机械结合变为冶金结合，能够大大降低界面热阻；并采用磁控溅射方法镀膜，改善了多弧离子镀层的表面，使表面更平整，增加金刚石颗粒的流动性，提高热压成型能力，减少气孔的形成；另一方面阻挡多弧离子镀层金属向基体金属中扩散，以防降低基体的热导性能。发明的改性金刚石颗粒，镀层紧致不易脱落。

权利要求

1.一种金刚石颗粒的改性方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将金刚石颗粒进行金属化处理，使其表面生成金属碳化物和金属的镀层，所述镀层厚度为100-500 nm，所述镀层中的金属元素为Cr、W、Ti和Zr中的一种或者多种；

2）在所述镀层上生成厚度为5-15 μm的金属层；

步骤1）和步骤2）均在真空滚动镀膜设备中进行；

步骤1）金刚石颗粒表面金属化采用多弧离子镀法；

步骤2）在所述镀层上生成金属层采用磁控溅射镀膜法。

2.根据权利要求1所述的金刚石颗粒的改性方法，其特征在于，金刚石颗粒的粒径为

20-400 μm。

3.根据权利要求1所述的金刚石颗粒的改性方法，其特征在于，多弧离子镀法的具体工艺参数为：工作气氛为Ar，工作气压为0.6-1.2 Pa，弧源功率为600-1500 W，镀膜时间为10-

30 min，真空室加热温度为60-150 ℃。

4.根据权利要求1所述的金刚石颗粒的改性方法，其特征在于，磁控溅射镀膜法的具体工艺参数为：工作气氛为Ar，工作气压为0.2-0.6 Pa，磁控溅射功率为800-1200 W，溅射时间为50-120 min，真空室加热温度为40-80 ℃。

5.根据权利要求1所述的金刚石颗粒的改性方法，其特征在于，真空滚动镀膜设备的转速为10-30 r/min。

6.一种根据权利要求1-5任一项所述的金刚石颗粒的改性方法得到的改性金刚石颗粒。

7.一种根据权利要求6所述的改性金刚石颗粒作为增强相在金属基体中的应用，其特征在于，所述金属层的元素种类与金属基体的金属元素种类相同。

8.一种根据权利要求7所述的应用得到的金属基复合物。

说明书

一种改性金刚石颗粒、改性方法、作为增强相的应用及得到的

金属基复合材料

技术领域

[0001] 本发明属于复合材料领域，一种改性金刚石颗粒、改性方法、作为增强相的应用及得到的金属基复合材料。

背景技术

[0002] 电子封装用热沉材料经历了三代的发展，已经不能满足功率器件日益增长的散热需求，散热问题成为电子信息产业发展的一个技术瓶颈。金属基金刚石复合材料是一种新型的电子封装热沉材料，具有热导率高、热膨胀系数低的优异性能，作为最具潜力的新一代电子封装用热沉材料而成为该领域科研人员的探究热点。金刚石为天然物质中导热率最高的材料，其一直是散热材料的研究热点，但其价格昂贵让研究人员望而却步。随着人造金刚石技术的成熟，人造金刚石颗粒的价格逐步下滑，使金刚石复合材料的应用可成为现实。

[0003] 经理论研究，将金刚石作为第二相，与高导热的金属基体复合后得到的金刚石颗粒弥散强化金属基复合材料理论上可以获得极为优异的热导性能，热导率理论上能达到1000W/(m·K)。然而，传统工艺制备的金属基金刚石复合材料实际上热导率仅为200W/(m·K)，这是由于金刚石与金属基体两相润湿性差，因此开发优化界面的方法，改善金刚石与金属基体的界面结合，来降低金刚石与金属基体间的界面热阻，成为相关研究工作的核心。研究发现，改善两者界面结合的方式主要有两种：基体合金化和金刚石表面金属化改性。相比较而言，基体合金化虽然操作便捷，且可选元素范围广，但其工艺条件苛刻，且难以控制合金化金属与金刚石的界面形貌和成分，碳化物膜的完整性也很难保证；金刚石表面金属化的最大优点就是可以直接、有效地控制两相界面形貌和成分。

[0004] 金刚石表面金属化改性的方法有很多，传统工艺有电镀的方法，新型方法目前也有化学气相沉积、盐浴镀膜法、覆盖燃烧镀膜法、真空微蒸发镀膜等方法。但是，电镀或化学镀等方法操作技术性比较高，要精确控制溶液配比，且会引入其他杂质，所镀的膜与基底结合较差，对镀膜的形态及厚度不能精确的控制。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于克服金属基金刚石界面结合差的问题，提供一种改性金刚石颗粒、改性方法、作为增强相的应用及得到的金属基复合材料。

[0006] 为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

[0007] 一种金刚石颗粒的改性方法，包括以下步骤：

[0008] 1)将金刚石颗粒进行金属化处理，使其表面生成金属碳化物和金属的镀层，所述镀层厚度为100-500nm，所述镀层中的金属元素为Cr、W、Ti和Zr中的一种或者多种；

[0009] 2)在所述镀层上生成厚度为5-15μm的金属层；

[0010] 步骤1)和步骤2)均在真空滚动镀膜设备中进行。

[0011] 进一步的，金刚石颗粒的粒径为20-400μm。

[0012] 进一步的，步骤1)金刚石颗粒表面金属化采用多弧离子镀法。

[0013] 进一步的，多弧离子镀法的具体工艺参数为：工作气氛为Ar，工作气压为0.6-1.2Pa，弧源功率为600-1500W，镀膜时间为10-30min，真空室加热温度为60-150℃。

[0014] 进一步的，步骤2)在所述金属碳化物层上生成金属层采用磁控溅射镀膜法。

[0015] 进一步的，磁控溅射镀膜法的具体工艺参数为：工作气氛为Ar，工作气压为0.2-0.6Pa，磁控溅射功率为800-1200W，溅射时间为50-120min，真空室加热温度为40-80℃。

[0016] 进一步的，真空滚动镀膜设备的转速为10-30r/min。

[0017] 上述的金刚石颗粒的改性方法得到的改性金刚石颗粒。

[0018] 上述的改性金刚石颗粒作为增强相在金属基体中的应用，所述金属层的元素种类与金属基体的金属元素种类相同。

[0019] 上述的应用得到的金属基复合物。

[0020] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0021] 本发明的金刚石颗粒的改性方法，采用真空滚动镀膜设备，在滚筒内对颗粒进行搅拌，大大增加了金刚石颗粒镀膜的均匀性；采用多弧离子镀工艺，从靶材表面直接产生等离子体，附着于基体的粒子能量高，镀膜的致密度高，金属更易与金刚石形成碳化物，从而由机械结合变为冶金结合，附着强度更好，能够大大降低界面热阻；并采用磁控溅射方法镀膜，一方面改善多弧离子镀层的表面，使表面更平整，增加金刚石颗粒的流动性，提高热压成型能力，减少气孔的形成；另一方面阻挡多弧离子镀层金属向基体金属中扩散，以防降低基体的热导性能。本发明采用多弧离子镀工艺与磁控溅射工艺相结合在金刚石表面性能双层膜结构，不仅能解决金刚石与金属不润湿的问题，同时能提高热压成型能力，保证基体金属热导性能良好。

[0022] 本发明的改性金刚石颗粒，镀膜表面平整，紧致不易脱落，与金属基体有良好的润湿性。

[0023] 本发明的改性金刚石颗粒的作为增强相在金属基中的应用，得到的复合物具有良好的导热性。

附图说明

[0024] 图1为实施例1多弧离子镀工艺镀Cr后金刚石颗粒的SEM图；

[0025] 图2为实施例1镀膜磁控溅射镀Cu后金刚石颗粒的SEM图；

[0026] 图3为电镀法镀Cr后金刚石颗粒的SEM图；

[0027] 图4为未改性金刚石、电镀改进金刚石和实施例1的改性金刚石作为增强相与金属复合后的热导率。

具体实施方式

[0028] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

[0029] 需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

[0030] 本发明采用多弧离子镀工艺与磁控溅射工艺复合镀的方法，对金刚石颗粒进行表面金属化改性，能大幅降低金刚石颗粒与金属基体的界面热阻，从而使金属基金刚石复合材料作为热沉材料的性能得到提高。

[0031] 一种金刚石颗粒的改性方法，包括以下步骤：

[0032] 1)金刚石颗粒的预处理

[0033] 将金刚石颗粒放入丙酮溶液中，用超声波振荡清洗0.5h，清洗去除碳氢化合物，取出后用去离子水清洗至中性；

[0034] 将该金刚石颗粒放置于10g/L的NaOH溶液中，用超声波振荡清洗0.5h，清洗除油，取出后用去离子水清洗至中性；

[0035] 接着将该金刚石颗粒放置于质量分数浓度为10％的HNO3中，用超声波振荡清洗0.5h，清洗粗化，取出后用去离子水清洗至中性。最后将该金刚石颗粒放置于烘箱中干燥。

[0036] 2)采用真空滚动镀膜设备，将步骤1得到的金刚石颗粒放入滚筒中，沉积过程中保证滚筒转速为10-30r/min；

[0037] 首先采用多弧离子镀工艺，工作气氛为Ar，工作气压为0.6-1.2Pa，弧源功率为600-1500W，镀膜时间为10-30min，真空室加热温度为60-150℃，得到单层镀覆的金刚石颗粒；

[0038] 3)在步骤2)得到的金刚石颗粒表面，采用磁控溅射工艺，工作气氛为Ar，工作气压为0.2-0.6Pa，磁控溅射功率为800-1200W，溅射时间为50-120min，真空室加热温度为40-80℃。

[0039] 实施例1

[0040] 用分析天平称取50g金刚石粉末(粒径为100～150μm)，首先将金刚石颗粒放入丙酮溶液中，用超声波振荡清洗0.5h，清洗去除碳氢化合物，取出后用去离子水清洗至中性；接着将该金刚石颗粒放置于10g/L的NaOH溶液中，用超声波振荡清洗0.5h，清洗除油，取出后用去离子水清洗至中性；接着将该金刚石颗粒放置于10％的HNO3中，用超声波振荡清洗
0.5h，清洗粗化，取出后用去离子水清洗至中性；最后将该金刚石颗粒放置于烘箱中干燥。

[0041] 采用真空滚动镀膜设备，将预处理得到的金刚石颗粒放入滚筒中，沉积过程中保证滚筒转速为20r/min，保证真空室内真空度。首先采用多弧离子镀的方法，采用Cr靶，功率为1300W，镀膜时间为20min，得到单层镀覆金刚石颗粒；

[0042] 然后采用磁控溅射的方法，采用Cu靶，功率为1000W，溅射时间为70min，得到具有双膜层结构的表面改性金刚石颗粒。

[0043] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

[0044] 参见图1，图1为实施例1多弧离子镀工艺镀Cr后金刚石颗粒的SEM图；从图1可以看出通过该方法制备出的镀铬金刚石表面有一层包裹均匀、致密的Cr镀层。

[0045] 图2是实施例1镀膜磁控溅射镀Cu后金刚石颗粒的SEM图，从图2可以看出通过该方法制备出的镀钨金刚石表面有一层表面光滑、致密的Cu镀层，经分析测试镀层将金刚石颗粒全部包覆，表面光滑且有紧密感，烧结成型后的热沉材料，热导率达到540W/m·K。

[0046] 参见图3，图3为电镀法镀Cr后金刚石颗粒的SEM图，可以看出，金刚石的镀层很粗糙，镀层上的颗粒并不是结合成一个面，而是程珊瑚礁状，由于其结合力较弱，在后续加工使用时容易脱落，并不能完全发挥镀层的作用。

[0047] 参见图4，图4为未改性金刚石、电镀改进金刚石和实施例1的改性金刚石作为增强相与金属复合后的热导率，金刚石与Cu粉的体积之比为0.6：1，后续烧结条件相同，可以看出未改性的热导率为80W/m·K，电镀改性的热导率为260W/m·K，而实施例1得到的复合物的热导率为540W/m·K。

[0048] 表1和表2分别是利用多弧离子镀法和利用磁控溅射法给金刚石镀膜的具体参数，经过多多弧离子镀法形成的镀层中包括金属碳化物和金属单质，实施例2-7生成的镀层厚度分布范围为100-500nm；利用实施例2-7得到的改性金刚石去做磁控溅射，磁控溅射的具体参数如表2，得到的镀层为上层金属层，厚度分布为5-15μm。

[0049] 表1利用多弧离子镀法的具体参数

[0050]

[0051] 表2利用磁控溅射法的具体参数

[0052]

[0053] 表3实施例2-7得到的复合物的热导率和致密度数值

[0054]

[0055]

[0056] 相比较未改性的热导率为80W/m·K，电镀改性的热导率为260W/m·K，本发明制备的复合物的热导率有很大程度的提高。

[0057] 以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。