高导热金属基复合材料的制备与研究进展

高导热金属基复合材料的制备与研究进展

杨国栋

身份证号码：610122198103023410

摘要：随着电子器件芯片功率的不断提高，对散热材料的热物理性能提出了更高的要求。将高导热、低膨胀的增强相和高导 热的金属进行复合得到的金属基复合材料，能够兼顾高的热导率和可调控的热膨胀系数，是理想的散热材料。本文对以 Si、 SiCp、金刚石、鳞片石墨为增强相的铜基及铝基复合材料的研究进展进行了总结，并就金属基复合材料目前存在的问题及未来 的研究方向进行了展望。

关键词：制备；研究进展；金属复合材料

提升相和基体原材料的润滑性对复合材料的热性能有很大影响。 除此之外，基体中加强相的趋向和分布、复合材料的相组成和微观结构也会影响到原材料的导热系数。为了防止复合材料中加强相分别不匀、趋向不匀等问题造成导热系数降低，在挑选复合材料制备方式时，应充分考虑各种方法的优缺点，并完善相关工艺指标，就可以获得导热系数最理想的金属基复合材料。现阶段，铜基和铝基复合材料的制备技术大概可以分为固相法和液相法两类。固相法有热压烧结 法、高温高压烧结法和等离子放电烧结法等，液相 法有搅拌铸造法和熔渗法等。

一、热压烧结法

热压是制备复合材料传统的方式，主要加工工艺是将基体与加强相粉末混合匀称，然后放入磨具中增加工作压力，除气后升温至固相线环境温度下，在空气、真空泵及保护气中致密化，产生复合材料。热压烧结法是金属基复合材料的重要制备方式，此方法的优势是生产出的复合金属质量稳定，加强相和金属粉占比可调。 可是，缺陷非常明显，烧结必须使用磨具，无法制备外观繁杂、尺寸大的金属基复合材料，且工艺成本高。

Goryuk 研发了电子元件基材使用于SiC/Al复合材料的压合工艺流程之中， 通过隔热保温时间与压力对SiC/Al复合材料相对密度和导热系数产生的影响。通过Goryuk的研究最佳的制备参数为：烧结环境温度700摄氏度、烧结工作压力20 MPa、隔热保温时长1 h、保护气为N2。选用该加工工艺所得到的复合材料导热系数为240 W m-1K-1。Run选用热压法制备块状高纯石墨提高铜基复合材料，通过在铜基体中加入铬来提升GFs/Cu基体间的页面融合。在基体中加入2.0%Cr时，基准面内50%GFs/Cu复合材料(容积)的热传导率为560 WM-1至628 WM-1之间。为了能抑止金刚石与铝的界面反应，王剑桥等选用持续高温盐浴电镀原理在金刚石表层镶上钛层，选择持续高温压合烧结法制备了金刚石/铝复合材料。 镀层增强了金刚石与铝基体间的界面融合，进一步降低了复合材料的线膨胀系数，增强了复合材料的密度，增强了复合材料的导热系数。

二、高温高压法

在金属基复合材料的制备中，原材料的相对密度和基材与增强界面相特性是提升综合性能的关键因素 结果显示，工作压力效用合理原材料的相对密度可能会在髙压下制备的情况下无法制备的新型材料。现阶段，超高压高温下制备金刚石提高金属基复合材料的大部分参考文献都是关于铜基的，此方法的优势是相对密度高、时间较短、效率高，主要缺点必须使用专业高温高压设备，成本相对较高，不益于大批量生产，不可以生产制造外形复杂的金属复合材料。

Yoshida和Morigami选用金刚石粉与不同大小的铜屑混和，在超高压下制备金刚石/铜复合材料，最大导热系数为742 Wm-1K -1。这时高压工艺的参数为金刚石粒度分布为90 ~ 110μm，容积为70%。此外，通过研究发现，当金刚石容积较大时，超高压高温下的金刚石颗粒集聚，可能进一步提升原材料的导热系数。 胡美华等通过不同粒度的金刚石颗粒物和铜屑为主要原料，选用超高压高温烧结法制备金刚石/铜复合材料。复合材料的相对密度明显提高，导热系数为310 ~ 320 Wm-1k-1，主要是因为金刚石和铜相溶性差，界面热阻提升，复合材料的导热特性减少。在1200摄氏度和2 GPa烧结环境下，超高压高温法制备的金刚石/铜复合材料具有较好的致密性，但是其导热系数小于期待值。

如上所述，超高压高温环境下制造出来的金刚石/铜复合材料的热传导率差别较大，主要是因为超高压高温情况下的生产制造标准可以提高相对密度，但是不能处理金刚石和铜无法相结合的难题，润滑性差所引起的界面孔隙会受到破坏导热系数。

三、放电等离子烧结法

放电等离子烧结是融合了活性烧结和热压烧结优势的新一代烧结方式，该方法根据粉末状放电造成高温等离子体，在相对较低的温度下保持迅速致密化。  等离子烧结工艺特点是加热匀称、升温速率快、烧结温度低、时间较短、生产制造高效率。 此外，因为烧结时烧结温度低，升温速率高，有益于界面反应抑止。 成品组织细微匀称，可以保持原料正常状态，可得到密度高、结构复杂的制备成品。

杨玄依等选用放电等离子烧结法配制了不一样容积的高纯石墨提高铜基复合材料，并且用比较有限容积法根据显微组织图象仿真模拟了复合材料的导热系数。通过观查微观结构，发现高纯石墨侧重于平行分布。利用有限 体积法可由显微组织模拟复合材料的相变行为，虽 然石墨具有不规则取向，但模拟结果与实测结果吻 合较好。因此，该模拟方法可以用来计算二维各向 异性材料增强复合材料的热转变温度，这对预测复 合材料的热转变温度具有重要意义。 Mizuuchi等根据放电等离子烧结制取了金刚石颗粒物提高铝基复合材料，在金刚石容积25.5%-45.5%范围之内，制取的复合材料的密度可以达到97%之上 ，当金刚石容积为45.5%时，分散化有金刚石颗粒的铝基复合材料的导热系数可达到403 wm

-1k-1。

四、铸造法

通过铸造法制备的金属基复合材料根据送粉设备将预备处理后的加强相粒子送入熔体中，然后在气体保护氛围中以施压或搅拌将加强相粒子与熔体混和，最终制冷凝结获得铸造复合材料。按铸造方式可以分为压挤铸造和搅拌铸造。 铸造方法的优点是低成本，机器设备简易，生产流程短，便于完成大批量生产。 主要缺点是易出现出气孔和夹杂物，制备的成品润滑性差，加强相成分太高。以SiC/Al复合材料为例子，含SiC量为10% 至 40%的铝基复合材料一般采用铸造法制备，若是在基材里加入较多的SiC粒子，则固液混合物的粘稠度增多，分散混合无法越来越匀称，成型越来越难。如果不用稀有气体保护或者在真空中生产制造，汽体和其它残渣非常容易混和，产生缩松和结团，危害成品特性。

结语

高导热金属基复合材料具备传热系数高、线膨胀系数可调等特点，在航天航空、车辆、电子封装等行业具备广阔的发展趋势。现阶段，大中型磨具交付使用的热管理材料导热系数在200 Wm-1K -1上下，以金钢石和片状石墨为加强相的铜基或铝基复合材料传热系数可以达到600 Wm -1K -1以上。 因为成本较高等因素限制，这种高导热金属基复合材料都还没大规模生产，如果可以大规模生产并产品化，就可推动更高热传导性能电子元器件的高速发展，在相同的电力环境下增加设备的使用寿命。依据高导热金属基复合材料的制取及应用现况，给出了下列未来展望。

（1）对目前普遍研究的铜基和铝基复合材料，提高导热系数和各相基体界面热阻的理论模型还处在探索环节。金钢石、块状高纯石墨等加强相的表层细晶强化能够影响复合材料的微观结构，学者需要结合计算机技术对复合材料的微观结构和性能作出评价和预测分析，这是现阶段这一领域的主要研究方向之一。

（2）航空航天、电子封装等行业对原材料的加工精度和外表粗糙度提出了一定的需求，而以SiC或金钢石为增强相的金属基复合材料还存在着加工产品性能差、基本生产加工艰难等诸多问题。探索复合材料的近净成型技术，能够实现复杂金属基复合材料的制取。

（3）在中国金属基复合材料制取研究应用起步较晚、不够成熟，缺少产业化运用，必须增加科学研究幅度。现阶段存有在的主要问题是加工工艺繁杂、产品成本高、无法大规模生产等。 总体来说探索低成本大规模生产方案是由于该领域内的主要研究方向。

参考文献：

[1]陈贞睿,刘超,谢炎崇,等. 高导热金属基复合材料的制备与研究进展[J]. 粉末冶金技术,2022,40(1):40-52.

[2] 王剑桥,雷卫宁,薛子明,等. 石墨烯增强金属基复合材料的制备及应用研究进展[J]. 材料工程,2018,46(12):18-27.

[3] 陈彩英,杨玄依,张硕程,等. 激光增材技术制备金属基石墨烯复合材料研究进展[J]. 稀有金属材料与工程,2022,51(3):1125-1135.

[4] 常国,段佳良,王鲁华,等. 新一代高导热金属基复合材料界面热导研究进展[J]. 材料导报,2017,31(7):72-78,87.