一种叠层金刚石-石墨铜基复合材料及其制备方法

本发明涉及金属基复合材料、热管理领域，具体涉及一种具有导热连通构型的叠层金刚石-石墨铜基复合材料及其制备方法。

背景技术：

0、技术背景

1、随着电子设备的小型化和高性能化，电子元器件的功率密度不断增加，产生的热量也随之增多。高性能计算机、通信设备、led照明、功率电子器件等领域迫切需要性能优良的散热材料，以便有效降低电子元件的工作温度，提高设备的可靠性和寿命。石墨/铜复合材料因其较高的热导率而受到广泛关注。

2、高导热的石墨膜在其水平方向热导率高达2000w/(m﹒k)，纵向方向热导率不到水平方向的百分之一。石墨膜与铜层叠复合后在水平方向上展现出较好的热导率。文章《fabrication of graphite films/copper composites by vacuum hot pressing forhigh-efficiency thermal management property》使用真空热压烧结法制备了叠层石墨膜/铜复合材料，其水平方向热导率为485.2w/(m﹒k)。受限于石墨膜的各向异性，复合材料纵向方向热导率较低，例如：中国专利cn103864067b制备了一种超高导热石墨膜/铜复合材料，其纵向热导率仅为60w/(m﹒k)，由于石墨的加入复合材料的纵向导热率明显过低。另一方面，随着石墨层叠数目的增加，复合材料纵向热导率下降明显。在很多电子设备中，散热材料的要求厚度为1-4mm。这往往需要层叠数十层石墨膜。由于石墨纵向的热导率仅为10w/(m﹒k)左右，在纵向方向上石墨更像是热障层，而非热导层。

3、利用高导热相将层叠的石墨相互链接，将隔离的石墨散热平面纵向打通，形成三维立体传输的导热网络是解决层叠石墨膜/铜复合材料纵向热导率差的一个思路。在这里面有两个关键问题有待解决：其一，高导热相和石墨需要紧密接触，尽量保证界面热阻较低，这是形成三维立体导热网络的前提。其二，需要对高导热相的构型分布进行可控调，针对电子元器件局部热点散热问题突出的问题，在热点位置配置更多的纵向导热通道，这样热量既可水平散出又可高效的纵向传输至各个石墨层，将各个石墨层的散热功效最大化。

4、本发明针对上述问题通过添加金刚石导热颗粒来连接上下石墨层，使用多孔铜模板法进行烧结制备，设计的多孔铜模板可以精确调控金刚石的分布构型，最大限度优化其在不同场景下的热学性能；在金刚石-石墨/铜复合材料烧结成型的过程中，金刚石-石墨膜的界面处发生化学反应形成碳化铬，使界面连接更紧密，并连接竖直方向的热流通道，提升纵向热导率；同时通过本发明的制备方法能够使叠层金刚石-石墨/铜复合材料一步成形，解决了热管理材料厚度难以调控的问题。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中的缺陷，本发明提供一种具有导热连通构型的叠层金刚石-石墨铜基复合材料及其制备方法，利用金刚石表面镀覆的金属铬层在烧结时形成碳化铬与各石墨层相连，形成了一个三维的导热网络通道，从而提升复合材料纵向方向上的热导率，实现复合材料厚度方向上导热通道的可控制备。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种叠层金刚石-石墨铜基复合材料，所述叠层为石墨-金刚石交替层叠结构，所述复合材料结构为铜填充所述交替层叠结构，所述石墨-金刚石之间层间以碳化铬为连接层，上下为片状石墨层，中间为嵌有金刚石颗粒的铜层，金刚石两端高出铜层并刺入石墨层中，石墨和金刚石的接触界面有一层碳化铬层。

3、所述叠层金刚石-石墨铜基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

4、(1)将金刚石颗粒镀覆铬层；

5、(2)金刚石、石墨膜和多孔铜模板形成预制体；

6、(3)预制体经过真空热压烧结，制备得到叠层金刚石-石墨铜基复合材料。

7、优选的，所述叠层金刚石-石墨铜基复合材料的制备方法，步骤(1)中所述金刚石为人工合成单晶颗粒，粒径为300μm，体积分数为30％。

8、优选的，步骤(1)中所述石墨膜厚度为70μm，密度为2.1g/cm3。

9、优选的，所述多孔铜模板为铜铬合金基板，铬含量为0.2wt％，孔径为300μm，厚度为320μm。

10、优选的，步骤(1)中所述金刚石表面镀覆铬层厚度为100nm。

11、优选的，步骤(2)中所述金刚石、石墨膜和多孔铜模板形成预制体具体过程为：金刚石颗粒均匀分散在多孔铜模板孔洞中，含有金刚石的多孔铜模板与石墨膜层叠交替放置，最终形成总厚度为0.5-10mm厚的复合材料，

12、优选的，多孔铜模板的堆叠时使金刚石颗粒在竖直方向上成一条直线，是为了在纵向方向上(也就是竖直方向上)达到最佳散热效果。

13、优选的，步骤(3)中所述真空热压烧结具体为将预制体在真空低于10pa，升温速率20℃/min加热至600℃，保温10min，同样的升温速率，继续升温到950℃，同时施加15mpa的压力，保压保温60min，使金刚石刺入石墨层15μm并与铬层反应形成碳化铬，冷却得到叠层金刚石/碳化铬/石墨铜基复合材料，叠层所得复合材料厚度为0.5-10mm。

14、因此，本发明的有益效果在于：在金刚石上镀覆铬层，金刚石分散在定制多孔铜模板孔洞中，多孔铜模板可以根据不同应用场景设计不同孔洞分布的构型。孔对金刚石起到定位效果，有效避免金刚石出现团聚现象，放置金刚石的多孔铜模板与石墨膜交替放置，并形成各层金刚石点位一一对应的特殊构造预制体。通过真空热压烧结，使金刚石刺入石墨层并与铬层反应形成碳化铬，冷却得到叠层的金刚石/碳化铬/石墨化学连接的铜基复合材料。本发明在金刚石上镀覆铬层，并将经过物理气相沉积镀覆铬层的金刚石、石墨膜与多孔铜模板形成预制体从而进行热压烧结，铬金属层在700℃时开始与石墨生成碳化铬，在900-950℃时生成cr7c3和cr3c2，烧结后得到叠层的金刚石-碳化铬-石墨的高导热桥梁。大大提升了铜基体与金刚石增强体的结合强度，实现复合材料的热导性能的提升。金刚石和石墨作为导热通道的好处。实现了界面的化学链接。所得的金刚石-碳化铬-石墨界面避免了与铜基体的接触，界面纯净、热阻小。利用铜模板烧结法，可根据热流不同走向，金刚石的排布可以设计变化，达到最高的利用效率。该方法简单高效，将界面链接的热处理和复合材料致密化烧结步骤合并，可实现厚度方向上导热通道的梯度制备。

15、本发明可以通过激光或机械打孔等方式在铜箔上设计不同的网状构型，金刚石填充在设计的孔洞中作为纵向导热通道，通过真空热压烧结法制备出横纵向高导热且具有一定机械强度的叠层金刚石-石墨铜基复合材料，其中复合材料的厚度可以通过层数进行调整，其制备工艺简单，应用场景广泛。

技术特征：

1.一种叠层金刚石-石墨铜基复合材料，其特征在于，所述叠层为石墨-金刚石交替层叠结构，所述复合材料结构为铜填充所述交替层叠结构，所述石墨-金刚石之间层间以碳化铬为连接层，上下为片状石墨层，中间为嵌有金刚石颗粒的铜层，金刚石两端高出铜层并刺入石墨层中，石墨和金刚石的接触界面有一层碳化铬层。

2.如权利要求1所述叠层金刚石-石墨铜基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

3.如权利要求2所述叠层金刚石-石墨铜基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述金刚石为人工合成单晶颗粒，粒径为100-500μm，密度为3.47-3.56g/cm3，体积分数为10-30％。

4.如权利要求2所述叠层金刚石-石墨铜基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述石墨膜厚度为30-100μm，密度为1.7-2.3g/cm3。

5.如权利要求2所述叠层金刚石-石墨铜基复合材料的制备方法，其特征在于，所述多孔铜模板为铜铬合金基板，铬含量为0.1-5wt％，孔径为110-510μm，厚度为100-520μm。

6.如权利要求2所述叠层金刚石-石墨铜基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述金刚石表面镀覆铬层厚度为10-110nm。

7.如权利要求2所述叠层金刚石-石墨铜基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述金刚石、石墨膜和多孔铜模板形成预制体具体过程为：金刚石颗粒均匀分散在多孔铜模板孔洞中，含有金刚石的多孔铜模板与石墨膜层叠交替放置，最终形成总厚度在0.2mm以上厚的复合材料。

8.如权利要求7所述叠层金刚石-石墨铜基复合材料的制备方法，其特征在于，多孔铜模板的堆叠时使金刚石颗粒在竖直方向上成一条直线。

9.如权利要求2所述叠层金刚石-石墨铜基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述真空热压烧结具体为将预制体在真空低于10pa，升温速率20℃/min加热至600℃，保温10min，同样的升温速率，继续升温到850-1000℃，同时施加10-30mpa的压力，保压保温30-60min，使金刚石刺入石墨层10-30μm并与铬层反应形成碳化铬，冷却得到叠层金刚石/碳化铬/石墨铜基复合材料，叠层所得复合材料厚度为0.5-5mm。

技术总结本发明公开了一种叠层金刚石‑石墨铜基复合材料及其制备方法，所述叠层为石墨‑金刚石交替层叠结构，复合材料结构为铜填充所述交替层叠结构，所述石墨‑金刚石之间层间以碳化铬为连接层，上下为片状石墨层，中间为嵌有金刚石颗粒的铜层，金刚石两端高出铜层并刺入石墨层中，石墨和金刚石的接触界面有一层碳化铬层。复合材料的制备方法包括如下步骤：将金刚石颗粒镀覆铬层；金刚石、石墨膜和多孔铜模板形成预制体；预制体经过真空热压烧结，制备得到叠层金刚石‑石墨铜基复合材料。复合材料连接了竖直方向的热流通道，提升纵向热导率；同时通过本发明的制备方法能够使叠层金刚石‑石墨/铜复合材料一步成形，解决热管理材料厚度难以调控的问题。技术研发人员：鲁芬芳,刘骞,尹鑫瑶,陈一菲,宋典,张智豪,王佩琛受保护的技术使用者：湖南科技大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10