金剛石/鋁復合材料的制備

    金屬基復合材料由于結構特殊，因此在傳熱性能方面具有極大的優勢。其中，金剛石／鋁復合材料由于具有低密度、高導熱和熱膨脹系數可調等優勢而成為熱管理領域的研究熱點和發展方向，例如作為導熱性能優異的熱管理材料，可以協調逐漸增大的功率密度與周圍環境的溫差，實現高效散熱并降低與芯片材料熱膨脹系數不匹配的目的，提高系統的穩定性和可靠性。

 

    金剛石／鋁復合材料導熱性能的優劣很大程度上依賴于制備工藝，因此，復合工藝方法在材料研究中顯得尤為重要。金屬基復合材料的制備方法多種多樣，隨著工藝技術和裝備的進步，逐漸衍生出更多的新方法、新工藝。目前，金剛石／鋁復合材料主流的制備方法主要包括無壓浸滲、真空氣壓浸滲和擠壓鑄造、放電等離子燒結、真空熱壓燒結等。

 

1、無壓浸滲

 

    無壓浸滲制備工藝是1989年美國lanxide公司在直接金屬氧化法工藝的基礎上提出來的，其主要流程為首先通過膠黏劑或預先燒結成型將增強體粉末制成預制體，再將基體金屬放置于增強體的上部或者下部，在氣氛保護下加熱使得金屬熔化自發滲入預制體的間隙中，最后冷卻凝固成型。無壓浸滲法可實現低成本制備平面尺寸大、復雜表面形狀的復合材料，適合于批量生產，然而限制該工藝性能的關鍵是致密度問題，因此，無壓浸滲制備的復合材料性能對制備工藝參數十分敏感；同時，較高的制備溫度也給金剛石和鋁基體界面反應的控制帶來了難度。

 

2、真空氣壓浸滲

 

    真空氣壓浸滲是將預制塊放在模具中，利用真空排除預制體中的氣體，然后將惰性氣體按一定壓力注入熔煉爐，將液態金屬擠入模腔中，浸滲預制體的孔隙中，從而獲得復合材料坯料。該工藝對增強相的種類、形態和合金種類沒有限制，通過模具設計可實現材料的凈成形，同時克服了無壓浸滲的不充分和致密度問題，鑄造缺陷少。

 

3、擠壓鑄造

 

    擠壓鑄造是利用外界的壓力將液態或半液態金屬基體浸滲到含有增強相的預制體中，凝固成型獲得復合材料的方法。該工藝對于增強相的形狀、種類和基體合金的成分等也幾乎沒有限制，可以在較寬的范圍內進行組分設計。由于復合材料是在高壓下凝固成型，降低了對合金浸潤性的要求，鑄造組織缺陷也較少。

 

4、放電等離子燒結

 

    放電等離子燒結又稱”等離子活化燒結”，該技術最早起源于20世紀30年代美國引入的“脈沖燒結技術”；后來日本在此基礎上研制了更為先進的電火花燒結，并獲得了相應的專利，但由于該技術較低的生產效率而未能得到推廣應用；直到1988年，日本首先研制出了第一臺最大燒結壓力可達5噸的SPS設備，在新材料研究領域得以推廣。該工藝流程是直流脈沖電流通過預先裝入模具內的金屬和陶瓷顆粒，使各個顆粒瞬間產生焦耳熱而進行燒結的，具有加熱均勻，升溫速率高，燒結溫度低，燒結時間短，生產效率高的優勢。SPS工藝制備的金剛石／鋁復合材料的致密度、組織缺陷（如顆粒損傷、雜質）和界面結合狀態是影響其導熱性能的關鍵因素。

 

上海皓越研發生產的SPS設備

 

5、真空熱壓燒結

 

    真空熱壓燒結作為傳統的粉末冶金法制備金屬基復合材料，其制備流程主要包括將金屬粉末和陶瓷顆粒等進行篩分、混合、冷壓固結、除氣、熱壓燒結，然后壓制得到鋁基復合材料。真空熱壓燒結技術獲得的復合材料呈現微米尺度的擴散連接界面，有利于熱導率的提高。

 

上海皓越研發生產的真空熱壓爐

 

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