专利摘要

本发明公开了一种镀W金刚石/W‑Cu梯度复合材料的制备方法，是按照梯度复合材料中各层所需的W与Cu的质量比，称取各层所需的W粉和Cu粉原料，混匀获得各层所需的W‑Cu复合粉，且在Cu含量最高的W‑Cu复合粉中同时添加通过盐浴镀方法制得的镀W金刚石颗粒，最后将各层原料依次平铺、压制、烧结，即获得镀W金刚石/W‑Cu梯度复合材料。本发明将镀W金刚石加入W‑Cu梯度复合材料的高铜层中，利用金刚石极高的热导率，提高了W‑Cu梯度复合材料的整体热导率。

权利要求

1.一种镀W金刚石/W-Cu梯度复合材料的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：

(1)将金刚石颗粒、W粉、NaCl和BaC12混合均匀，得混合物料；将所述混合物料置于加热炉中，在N2-H2混合气体保护下加热至900～1200℃，保温10～60min；所得产物冷却后，经清洗、烘干处理，得到镀W金刚石颗粒；

(2)按照梯度复合材料中各层所需的W与Cu的质量比，称取各层所需的W粉和Cu粉原料，分别加入V型混料机中混合均匀，获得各层所需的W-Cu复合粉；

且在Cu含量最高的W-Cu复合粉中同时添加所述镀W金刚石颗粒作为原料，混合均匀，获得镀W金刚石/W-Cu复合粉；镀W金刚石颗粒的添加量占Cu含量最高的W-Cu复合粉质量的1～20wt％；

(3)按Cu含量由低到高的顺序，在成型模具中分层平铺各层的W-Cu复合粉，并在最上层平铺镀W金刚石/W-Cu复合粉，然后将其在200～500MPa压力下压制成形，得到层状生坯；层状生坯的层数范围为3～20层，相邻层之间Cu质量分数的变化范围为5～30wt％；

(4)将所述层状生坯置于烧结炉中，在H2保护气氛下加热至1000～1300℃烧结60～240min，随炉冷却，即得到镀W金刚石/W-Cu梯度复合材料。

2.根据权利要求1所述的一种镀W金刚石/W-Cu梯度复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述金刚石颗粒的粒度为50～200μm，W粉的粒度为0.5～10μm。

3.根据权利要求1所述的一种镀W金刚石/W-Cu梯度复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的金刚石颗粒和W粉的质量比为5～20:1，NaCl和BaC12的质量比为1:2～20，金刚石颗粒和W粉的混合粉与NaCl和BaC12的混合盐的质量比为1～2:1。

4.根据权利要求1所述的一种镀W金刚石/W-Cu梯度复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，W-Cu复合粉中Cu含量的变化范围是0～100wt％、W含量的变化范围是100～0wt％。

说明书

技术领域

本发明涉及一种金刚石/W-Cu梯度复合材料的制备方法，属于金属基复合材料制备领域。

背景技术

W-Cu功能梯度材料一端是高熔点、高硬度的W或低含Cu的W-Cu，另一端是高导热导电和较好塑性的Cu或高含Cu的W-Cu，由于其具有低热膨胀，高导热、导电和高强度等方面的优点，能够满足大功率微波器件以及电子器件中热沉材料的性能要求。周张键等制备了5层W-Cu梯度复合材料(质量比为100％W、75％W-25％Cu、50％W-50％Cu、25％W-75％Cu和100％Cu)，该梯度材料的微观形貌中无裂纹、孔洞等缺陷存在，表现出较好的热力学性能，热导率为113W·m-1·K-1(Zhang-Jian Zhou,Juan Du,Shu-Xiang Song,et al.Microstructuralcharacterization of W/Cu functionally graded materials produced by a one-stepresistance sintering method[J].Journal of Alloys and Compounds,2007,428:146-150.)。王涂根制备了W-20Cu/W-35Cu/W-50Cu三层梯度热沉材料，其相对密度达到95％，具有较为理想的显微组织和较好的物理、力学性能，表观热导率达到151.4W·m-1·K-1(王涂根.W-Cu三层梯度热沉材料的制备和性能研究[D]，功能材料.安徽：合肥工业大学，2007.30-37)。

然而，随着电子技术的发展，电子封装系统朝着高密度化、微型化、功能化方向发展，使电子封装设备热能密度增大、工作温度升高，必须在短时间内将热量传递出去，否则将影响电子元器件的正常使用，降低其使用寿命。W-Cu梯度复合材料在用作电子封装的热沉材料时，热导率的提高成为亟待解决的问题之一。

金刚石的热导率高达2200W·m-1·K-1，同时具有低的热膨胀系数(0.86×10-6/℃)和低的密度(3.52g·cm-3)。李建伟等利用粉末覆盖烧结法成功在金刚石表面镀覆W，并采用气体压力熔渗法制备金刚石/Cu复合材料，当镀覆温度为1050℃、保温15min时，镀层厚度为2000nm，复合材料的热导率最高可达670W·m-1·K-1(李建伟,张海龙,张少明,张洋,王西涛.金刚石表面镀钨对铜/金刚石复合材料热导率的影响([J])，功能材料,2016,47(1):1034-1037.)。张纯等首先将金刚石进行镀W处理，然后在镀W金刚石外进行化学镀Cu处理，将制备得到的双镀层粉末进行真空热压烧结得到镀W金刚石/Cu复合材料，其热导率最高可达721W·m-1·K-1(Chun Zhang,Richu Wang,Zhiyong Cai,et al.Effects of duallayercoatings on microstructure and thermal conductivity of diamond/Cu compositesprepared by vacuum hot pressing[J].Surface and Coatings Technology,2015,277:299-307.)。将镀W金刚石添加入梯度W-Cu复合材料的高铜层中，制备得到镀W金刚石/W-Cu梯度复合材料，将有望进一步提高W-Cu梯度复合材料的热导率，使其更好得满足电子封装材料对热量传输的要求。

发明目的

本发明提供了一种镀W金刚石/W-Cu梯度复合材料的制备方法，旨在改善W-Cu梯度复合材料的热导率。

本发明为实现发明目的，采用如下技术方案：

本发明公开了一种镀W金刚石/W-Cu梯度复合材料的制备方法，是按如下步骤进行：

(1)将金刚石颗粒、W粉、NaCl和BaC12混合均匀，得混合物料；将所述混合物料置于加热炉中，在N2-H2混合气体保护下加热至900～1200℃，保温10～60min；所得产物冷却后，经清洗、烘干处理，得到镀W金刚石颗粒；

(2)按照梯度复合材料中各层所需的W与Cu的质量比，称取各层所需的W粉和Cu粉原料，分别加入V型混料机中混合均匀，获得各层所需的W-Cu复合粉；

且在Cu含量最高的W-Cu复合粉中同时添加所述镀W金刚石颗粒作为原料，混合均匀，获得镀W金刚石/W-Cu复合粉；

(3)按Cu含量由低到高的顺序，在成型模具中分层平铺各层的W-Cu复合粉、镀W金刚石/W-Cu复合粉，然后将其在200～500MPa压力下压制成形，得到层状生坯；

(4)将所述层状生坯置于烧结炉中，在H2保护气氛下加热至1000～1300℃烧结60～240min，随炉冷却，即得到镀W金刚石/W-Cu梯度复合材料。

进一步地，步骤(1)中所述的金刚石颗粒的粒度为50～200μm，W粉的粒度为0.5～10μm。

进一步地，步骤(1)中所述的金刚石颗粒和W粉的质量比为5～20:1，NaCl和BaC12的质量比为1:2～20，金刚石颗粒和W粉的混合粉与NaCl和BaC12的混合盐的质量比为1～2:1。

进一步地，步骤(2)中，W-Cu复合粉中Cu含量的变化范围是0～100wt％、W含量的变化范围是100～0wt％。

进一步地，步骤(2)中，镀W金刚石颗粒的添加量占Cu含量最高的W-Cu复合粉质量的1～20wt％。

进一步地，步骤(3)中，层状生坯的层数范围为3～20层，相邻层之间Cu质量分数的变化范围为5～30wt％。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明通过对金刚石进行盐浴镀W处理获得表面镀W金刚石颗粒，可以改善金刚石和Cu之间的润湿性，增强界面结合，提高材料的致密度。

2、本发明的镀W金刚石/W-Cu梯度复合材料，将镀W金刚石添加到W-Cu梯度复合材料的高铜层中，利用金刚石高的热导率，改善了W-Cu复合材料的热量传输性能，提高了W-Cu梯度复合材料的整体热导率。

3、本发明的镀W金刚石/W-Cu梯度复合材料，有效地缓和了W、Cu之间因热膨胀系数不匹配产生的热应力。

4、本发明的方法操作简单、能耗少、成本低、生产效率高。

附图说明

图1是本发明实施例1制备得到的镀W金刚石/W-Cu梯度复合材料的区域扫描图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作详细说明，下述实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例一种镀W金刚石/W-Cu梯度复合材料的制备方法，具体步骤如下：

(1)将质量比10:1的金刚石颗粒与W粉放入研钵中，并加入质量比1:10的NaCl和BaC12混合盐，均匀混合，得混合物料，其中金刚石和W粉的混合粉与NaCl和BaC12混合盐的质量比范围是1:1。然后将混合物料置于微波炉中，在N2-H2混合气体(N2-H2体积比为85％：15％)保护下加热到1150℃并保温20min；所得产物冷却后，经清洗、烘干处理，得到镀W金刚石颗粒；

(2)称取质量比分别为20％:80％、30％:70％、40％:60％的Cu粉和W粉，同时在质量比为40:60的W-Cu混合粉中加入5％wt的镀W金刚石，然后将其分别在V型混料机中混合8h，得到W-Cu复合粉和镀W金刚石/W-Cu复合粉；

(3)按Cu含量由低到高的顺序，在成型模具中依次平铺Cu与W质量比为20％:80％、30％:70％的W-Cu复合粉，最后再在最上层铺上镀W金刚石/W-Cu复合粉，接着在300MPa压力下压制成型，得到层状生坯；

(4)将层状生坯置于烧结炉中，在H2保护下1200℃烧结120min，即得到镀W金刚石/W-Cu梯度复合材料。

图1是本实施例制备得到的金刚石/W-Cu梯度复合材料的元素面扫描图，其中(a)为扫描图，(b)～(d)分别为(a)相应区域的元素分布图。从图中可以看出，Cu元素在每层中的质量比依次为41.8％、31.1％、21.2％。在高铜层出现明显的碳峰，在扫描电镜中可以明显看出金刚石分布在高铜层中。

经测试，本实施例所得产物的致密度为95.21％，热导率为197W/(m·K)。

实施例2

本实施例一种镀W金刚石/W-Cu梯度复合材料的制备方法，具体步骤如下：

(1)将质量比10:1的金刚石颗粒与W粉放入研钵中，并加入质量比1:10的NaCl和BaC12混合盐，均匀混合，得混合物料，其中金刚石和W粉的混合粉与NaCl和BaC12混合盐的质量比范围是1:1。然后将混合物料置于微波炉中，在N2-H2混合气体(N2-H2体积比为85％：15％)保护下加热到1150℃并保温20min；所得产物冷却后，经清洗、烘干处理，得到镀W金刚石颗粒；

(2)称取质量比分别为20％:80％、30％:70％、40％:60％、50％:50％的Cu粉和W粉，同时在质量比为50％:50％的W-Cu复合粉中加入5％wt的镀W金刚石，然后将其分别在V型混料机中混合8h，得到W-Cu复合粉和金刚石/W-Cu复合粉；

(3)按Cu含量由低到高的顺序，在成型模具中依次平铺Cu与W质量比为20％:80％、30％:70％、40％:60％的W-Cu复合粉，最后再在最上层铺上镀W金刚石/W-Cu复合粉，接着在300MPa压力下压制成型，得到层状生坯；

(4)将层状生坯置于烧结炉中，在H2保护下1200℃烧结120min，即得到镀W金刚石/W-Cu梯度复合材料。

经表征，本实施例所得镀W金刚石/W-Cu梯度复合材料中，Cu元素在每层中的质量比依次为22.1％、30.4％、39.2％、47.6％，且在高铜层分布有金刚石。

经测试，本实施例所得产物的致密度为95.83％，热导率为218W/(m·K)。

以上所述仅为本发明的示例性实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

一种镀W金刚石/W-Cu梯度复合材料的制备方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。