低密度高导热铜基石墨热沉材料的制备方法

170 编辑：中冶有色技术网来源：西安稀有金属材料研究院有限公司

2024-12-20 16:15:02

权利要求

无

说明书

技术领域

[0001]本发明涉及铜基复合材料技术领域，具体涉及一种低密度高导热铜石墨热沉材料的制备方法。

背景技术

[0002]铜石墨复合材料是一种以铜或铜合金为基体并与石墨以特殊手段制备而成的复合材料，该类复合材料具备了优良的导热、导电性能，较好的摩擦磨损性能，抗电弧烧蚀性能，以及原料来源广、价格低廉而深受市场应用的关注。铜石墨复合材料往往可以通过改变其成分、添加相、成型工艺等来应对不同的应用需求，如被应用于发动机密封环、电机转子、电极、轨道电车受电弓滑板等。尤其是近年来随着电子器件领域向轻质、高能量密度的发展，对散热材料提出了更高的要求，通过使用粉末冶金法制备出的有高石墨含量的铜基复合材料，兼具低密度、高热导率的优秀特质，相比传统的铜合金、钼铜复合材料等，是一种极具潜力的热沉材料。但是，由于铜与石墨具有极大的不兼容性，液态铜对石墨润湿角高，铜和石墨的线膨胀系数差别大，且两者的密度相差大，这些都极大影响了复合材料的制备以及综合性能。

[0003]目前相关研究表明，不断优化开发粉末冶金的制备工艺，可以通过实现石墨在铜基体的均匀分散和改善铜与石墨界面的结合能力来提高复合材料的综合性能，如弯曲强度、导热性能等。改善石墨分散性常常采用机械混合的方法，如在流体中加入粉料搅拌均匀形成浆料后烘干，或直接在球磨机中将粉料球磨混合，尽管前者更容易使石墨分散均匀，但也易使金属粉氧化而在烧结过程中引入孔隙影响复合材料性能。改善基体与石墨界面结合强度最为常用的方法就是对石墨表面进行改性修饰，改性修饰石墨方法有电镀法、化学镀法、化学气相沉积法、磁控溅射法等，通过该类方法可以实现在石墨表面形成金属镀层，如铜、镍镀层等，或金属碳化物陶瓷镀层，如TiC、ZrC等。尽管通过在石墨表面形成的致密镀层能提高复合材料的致密度和综合力学性能，但是在高石墨含量的复合材料中，材料的力学性能和加工性能仍较低无法满足使用需求，另外诸如此类的改性方法往往工序复杂繁琐、需求特殊的设备且成本较高，不适合工业化大规模生产和使用。因此需要研制出工艺简单成本低廉的铜石墨热沉材料的制备方法，以获得高性能的铜石墨热沉材料。

发明内容

[0004]本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种低密度高导热铜基石墨热沉材料的制备方法。该方法通过直接将增强相原料石墨粉末加入到铜合金粉末中混合并烧结，以原位生成碳化物陶瓷相并形成陶瓷相过渡层，改善了铜基体与石墨之间的界面结合能力，同时形成异构组织，改善铜基石墨热沉材料的强度和塑性，使得铜基石墨热沉材料兼具优异的力学性能和热导率，解决了现有技术工艺复杂、成本高昂且复合材料性能无法满足使用需求的难题。

[0005]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种低密度高导热铜基石墨热沉材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、选取CuZr粉末、CuCr粉末和CuCrZr粉末中的一种或两种以上的铜合金粉末作为基体粉末，与石墨粉末进行机械球磨混合，获得铜合金粉石墨粉均匀混合的粉体;

步骤二、将步骤一中获得的铜合金粉石墨粉均匀混合的粉体装入石墨模具进行压力烧结处理，获得烧结体;

步骤三、将步骤二中获得的烧结体进行时效热处理，获得低密度高导热铜基石墨热沉材料。

[0006]本发明通过在铜基体中添加低密度石墨粉末，使得铜基石墨热沉材料整体密度低于铜密度，同时高热导率石墨粉末的加入改善铜基体的导热性能，使得铜基石墨热沉材料的导热系数高于铜的热导率，从而获得具有低密度高导热性能的铜基石墨热沉材料;通常铜基石墨热沉材料的密度小于8.96g/cm3，热导率大于400W/mK。

[0007]上述的一种低密度高导热铜基石墨热沉材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述CuZr粉末、CuCr粉末和CuCrZr粉末由气雾化法、旋转电极法或机械合金化法制备而得，且粒径为10μm~100μm，所述石墨粉末为片状石墨或球形石墨，且粒径为5μm~200μm。

[0008]上述的一种低密度高导热铜基石墨热沉材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述CuZr粉末中Zr的质量含量为0.1%~2.0%，余量为Cu，所述CuCr粉末中Cr的质量含量为1.0%~10.0%，余量为Cu，所述CuCrZr粉末中Zr的质量含量为0.1%~1.0%，Cr的质量含量为0.1%~1.0%，余量为Cu。

[0009]上述的一种低密度高导热铜基石墨热沉材料的制备方法，其特征在于，步骤一中当选取CuZr粉末和CuCr粉末作为基体粉末时，基体粉末中Zr的质量含量为0.01%~1.8%，Cr的质量含量为0.1%~9%，余量为Cu;当选取CuZr粉末和CuCrZr粉末作为基体粉末时，基体粉末中Zr的质量含量为0.1%~1.9%，Cr的质量含量为0.01%~0.9%，余量为Cu;当选取CuCr粉末和CuCrZr粉末作为基体粉末时，基体粉末中Zr的质量含量为0.01%~0.9%，Cr的质量含量为0.19%~9.1%，余量为Cu。

[0010]上述的一种低密度高导热铜基石墨热沉材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述铜合金粉石墨粉均匀混合的粉体中石墨粉末的体积含量为20%~80%，基体粉末的体积含量为20%~80%。

[0011]上述的一种低密度高导热铜基石墨热沉材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述机械球磨混合的球料比为5~10：1，球磨转速为150rpm~300rpm，球磨时间为6h~12h。

[0012]上述的一种低密度高导热铜基石墨热沉材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述压力烧结处理为真空热压烧结或放电等离子烧结。

[0013]上述的一种低密度高导热铜基石墨热沉材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述压力烧结处理的烧结温度为800℃~1000℃，保温时间为0.15h~2h，烧结环境为真空，烧结压强为30MPa~50MPa。

[0014]上述的一种低密度高导热铜基石墨热沉材料的制备方法，其特征在于，步骤三中所述时效热处理的温度为400℃~600℃，时间为1h~3h。

[0015]本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、针对现有技术在石墨表面镀层工艺复杂且成本较高的缺陷，本发明直接将石墨粉末与铜合金粉末混合后烧结，通过控制烧结工艺，利用元素扩散在铜合金与石墨之间原位生成中间碳化物陶瓷层，方法简单，制备成本较低，且各元素分布均匀，扩散形成的中间碳化物陶瓷层界面紧致均匀，使得铜基石墨热沉材料兼具优异的力学性能和热导率。

[0016]2、本发明选用不同成分、粒径的铜合金粉末作为基体原料，可形成具有强度和尺寸不一的异质结构，即形成以大粉末粒径的铜合金基体为骨架，间隙被小粉末粒径的铜合金填充的异质结构，石墨在异质结构基体中均匀分布，通过改变铜合金粉末的成分和粒径的比例，可以调控异质结构基体“软区”和“硬区”的强塑性以及尺寸差异，发挥异质结构高强塑性的优势。另外，小尺寸铜合金粉末能够提供更大的表面积和石墨接触以改善致密度。异质结构保证了铜基石墨热沉材料在受到外力变形时的应力传递，避免了脆断，使材料的强塑性得到进一步提升。

[0017]3、本发明通过调节时效热处理的温度和时间，减少了铜合金骨架中的固溶元素含量和促进第二相的均匀析出，同时也能调控中间层的生长，从而进一步提升了铜基石墨热沉材料的热导率和力学性能。

[0018]下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

附图说明

[0019]图1为本发明实施例1制备的铜基石墨热沉材料的组织形貌显微图。

具体实施方式

[0020]本发明实施例1~10和对比例1~2中采用的CuZr粉末、CuCr粉末和CuCrZr粉末由气雾化法、旋转电极法或机械合金化法制备而得，且粒径为10μm~100μm，采用的石墨粉末为片状石墨或球形石墨，且粒径为5μm~200μm。

[0021]实施例1

本实施例包括以下步骤：

步骤一、选取96.09g平均粒径D50为50μm 的CuZr粉末作为基体粉末，CuZr粉末的制备方法及成分见下表1的B，与23.91g平均粒径D50为20μm的球形石墨粉末置入不锈钢球磨罐中，并按照球料比8：1配置不锈钢研磨球，以200rpm的转速进行机械球磨混合8h，获得铜合金粉石墨粉均匀混合的粉体;所述铜合金粉石墨粉均匀混合的粉体中石墨粉末的体积含量为50%，基体粉末的体积含量为50%;

步骤二、将步骤一中获得的铜合金粉石墨粉均匀混合的粉体装入石墨模具进行真空热压烧结，烧结温度为900℃，保温时间为1h，烧结环境为真空，烧结压强为40MPa，获得烧结体;

步骤三、将步骤二中获得的烧结体放入热处理炉中进行时效热处理，温度为500℃，时间为2h，获得铜基石墨热沉材料。

[0022]经检测，本实施例制备的铜基石墨热沉材料的弯曲强度为78.7MPa，热导率为153.4W/mK，致密度为95.0%。

[0023]图1为本实施例制备的铜基石墨热沉材料的组织形貌显微图，从图1可以看出，明亮处的铜合金粉末基本实现互连，黑色区域为石墨，且石墨大多均匀分散填充在铜合金骨架之间，该形貌结构保证了铜基石墨热沉材料具有良好的可加工性和抗弯曲性能。

[0024]实施例2

本实施例包括以下步骤：

步骤一、选取112.97g平均粒径D50为10μm 的CuCr粉末作为基体粉末，CuCr粉末的制备方法及成分见下表1的D，与7.03g平均粒径D50为5μm的片状石墨粉末置入不锈钢球磨罐中，并按照球料比5：1配置不锈钢研磨球，以150rpm的转速进行机械球磨混合6h，获得铜合金粉石墨粉均匀混合的粉体;所述铜合金粉石墨粉均匀混合的粉体中石墨粉末的体积含量为20%，基体粉末的体积含量为80%;

步骤二、将步骤一中获得的铜合金粉石墨粉均匀混合的粉体装入石墨模具进行放电等离子烧结，烧结温度为800℃，保温时间为0.15h，烧结压强为30MPa，烧结环境为真空，获得烧结体;

步骤三、将步骤二中获得的烧结体放入热处理炉中进行时效热处理，温度为400℃，时间为1h，获得铜基石墨热沉材料。

[0025]经检测，本实施例制备的铜基石墨热沉材料的弯曲强度为98.3MPa，热导率为164.1W/mK，致密度为93.7%。

[0026]实施例3

本实施例包括以下步骤：

步骤一、选取60.13g平均粒径D50为100μm 的CuCrZr粉末作为基体粉末，CuCrZr粉末的制备方法及成分见下表1的H，与59.87g平均粒径D50为200μm的片状石墨粉末置入不锈钢球磨罐中，并按照球料比10：1配置不锈钢研磨球，以300rpm的转速进行机械球磨混合12h，获得铜合金粉石墨粉均匀混合的粉体;所述铜合金粉石墨粉均匀混合的粉体中石墨粉末的体积含量为80%，基体粉末的体积含量为20%;

步骤二、将步骤一中获得的铜合金粉石墨粉均匀混合的粉体装入石墨模具进行真空热压烧结，烧结温度为1000℃，保温时间为2h，烧结环境为真空，烧结压强为50MPa，获得烧结体;

步骤三、将步骤二中获得的烧结体放入热处理炉中进行时效热处理，温度为600℃，时间为3h，获得铜基石墨热沉材料。

[0027]经检测，本实施例制备的铜基石墨热沉材料的弯曲强度为22.7MPa，热导率为425.9W/mK，致密度为92.6%。

[0028]实施例4

本实施例包括以下步骤：

步骤一、选取11.30g 平均粒径D50为10μm 的CuZr粉末和101.67g平均粒径D50为100μm 的CuCr粉末作为基体粉末，CuZr粉末和CuCr粉末的制备方法及成分见下表1的A和F，与7.03g平均粒径D50为5μm的片状石墨粉末置入不锈钢球磨罐中，并按照球料比5：1配置不锈钢研磨球，以150rpm的转速进行机械球磨混合6h，获得铜合金粉石墨粉均匀混合的粉体;

步骤三、将步骤二中获得的烧结体放入热处理炉中进行时效热处理，温度为400℃，时间为1h，获得铜基石墨热沉材料。

[0029]经检测，本实施例制备的铜基石墨热沉材料的弯曲强度为132.8MPa，热导率为174.5W/mK，致密度为97.9%。

[0030]实施例5

本实施例包括以下步骤：

步骤一、选取86.48g 平均粒径D50为50μm 的CuZr粉末和9.61g平均粒径D50为50μm 的CuCr粉末作为基体粉末，CuZr粉末和CuCr粉末的制备方法及成分见下表1的B和E，与23.91g平均粒径D50为20μm的球形石墨粉末置入不锈钢球磨罐中，并按照球料比8：1配置不锈钢研磨球，以200rpm的转速进行机械球磨混合8h，获得铜合金粉石墨粉均匀混合的粉体;

步骤二、将步骤一中获得的铜合金粉石墨粉均匀混合的粉体装入石墨模具进行真空热压烧结，烧结温度为900℃，保温时间为1h，烧结压强为40MPa，烧结环境为真空，获得烧结体;

步骤三、将步骤二中获得的烧结体放入热处理炉中进行时效热处理，温度为500℃，时间为2h，获得铜基石墨热沉材料。

[0031]经检测，本实施例制备的铜基石墨热沉材料的弯曲强度为105.3MPa，热导率为183.6W/mK，致密度为95.1%。

[0032]实施例6

本实施例包括以下步骤：

步骤一、选取54.12g 平均粒径D50为100μm 的CuZr粉末和6.01g平均粒径D50为10μm 的CuCr粉末作为基体粉末，CuZr粉末和CuCr粉末的制备方法及成分见下表1的C和D，与59.87g平均粒径D50为200μm的片状石墨粉末置入不锈钢球磨罐中，并按照球料比10：1配置不锈钢研磨球，以300rpm的转速进行机械球磨混合12h，获得铜合金粉石墨粉均匀混合的粉体;

步骤二、将步骤一中获得的铜合金粉石墨粉均匀混合的粉体装入石墨模具进行真空热压烧结，烧结温度为1000℃，保温时间为2h，烧结压强为50MPa，烧结环境为真空，获得烧结体;

步骤三、将步骤二中获得的烧结体放入热处理炉中进行时效热处理，温度为600℃，时间为3h，获得铜基石墨热沉材料。

[0033]经检测，本实施例制备的铜基石墨热沉材料的弯曲强度为56.4MPa，热导率为487.2W/mK，致密度为98.5%。

[0034]实施例7

本实施例包括以下步骤：

步骤一、选取11.30g 平均粒径D50为10μm 的CuZr粉末和101.67g平均粒径D50为50μm 的CuCrZr粉末作为基体粉末，CuZr粉末和CuCrZr粉末的制备方法及成分见下表1的A和G，与7.03g平均粒径D50为5μm的片状石墨粉末置入不锈钢球磨罐中，并按照球料比5：1配置不锈钢研磨球，以150rpm的转速进行机械球磨混合6h，获得铜合金粉石墨粉均匀混合的粉体;

步骤三、将步骤二中获得的烧结体放入热处理炉中进行时效热处理，温度为400℃，时间为1h，获得铜基石墨热沉材料。

[0035]经检测，本实施例制备的铜基石墨热沉材料的弯曲强度为116.7MPa，热导率为152.5W/mK，致密度为96.4%。

[0036]实施例8

本实施例包括以下步骤：

步骤一、选取86.48g 平均粒径D50为100μm 的CuZr粉末和9.61g平均粒径D50为10μm 的CuCrZr粉末作为基体粉末，CuZr粉末和CuCrZr粉末的制备方法及成分见下表1的C和I，与23.91g平均粒径D50为20μm的球形石墨粉末置入不锈钢球磨罐中，并按照球料比8：1配置不锈钢研磨球，以200rpm的转速进行机械球磨混合8h，获得铜合金粉石墨粉均匀混合的粉体;

步骤二、将步骤一中获得的铜合金粉石墨粉均匀混合的粉体装入石墨模具进行真空热压烧结，烧结温度为 900℃，保温时间为1h，烧结压强为40MPa，烧结环境为真空，获得烧结体;

步骤三、将步骤二中获得的烧结体放入热处理炉中进行时效热处理，温度为500℃，时间为2h，获得铜基石墨热沉材料。

[0037]经检测，本实施例制备的铜基石墨热沉材料的弯曲强度为114.5MPa，热导率为158.1W/mK，致密度为97.2%。

[0038]实施例9

本实施例包括以下步骤：

步骤一、选取30.06g平均粒径D50为50μm 的CuZr粉末和30.07g平均粒径D50为100μm 的CuCrZr粉末作为基体粉末，CuZr粉末和CuCrZr粉末的制备方法及成分见下表1的B和H，与59.87g平均粒径D50为200μm的片状石墨粉末置入不锈钢球磨罐中，并按照球料比10：1配置不锈钢研磨球，以300rpm的转速进行机械球磨混合12h，获得铜合金粉石墨粉均匀混合的粉体;

步骤二、将步骤一中获得的铜合金粉石墨粉均匀混合的粉体装入石墨模具进行真空热压烧结，烧结温度1000℃，保温时间2h，烧结压强50MPa，烧结环境为真空，获得烧结体;

步骤三、将步骤二中获得的烧结体放入热处理炉中进行时效热处理，温度为600℃，时间为3h，获得铜基石墨热沉材料。

[0039]经检测，本实施例制备的铜基石墨热沉材料的弯曲强度为45.3MPa，热导率为473.5W/mK，致密度为98.1%。

[0040]实施例10

本实施例包括以下步骤：

步骤一、选取11.30g 平均粒径D50为10μm 的CuCr粉末和101.67g平均粒径D50为10μm 的CuCrZr粉末作为基体粉末，CuCr粉末和CuCrZr粉末的制备方法及成分见下表1的D和I，与7.03g平均粒径D50为5μm的片状石墨粉末置入不锈钢球磨罐中，并按照球料比5：1配置不锈钢研磨球，以150rpm的转速进行机械球磨混合6h，获得铜合金粉石墨粉均匀混合的粉体;

步骤三、将步骤二中获得的烧结体放入热处理炉中进行时效热处理，温度为400℃，时间为1h，获得铜基石墨热沉材料。

[0041]经检测，本实施例制备的铜基石墨热沉材料的弯曲强度为109.8MPa，热导率为158.3W/mK，致密度为95.9%。

[0042]对比例1

本对比例与实施例1的不同之处为：步骤一中未采用铜合金粉末，直接将铜粉末与石墨粉末机械球磨。

[0043]经检测，本对比例制备的铜基石墨热沉材料的弯曲强度为51.3MPa，热导率为161.8W/mK，致密度为93.7%。

[0044]对比例2

本对比例与实施例1的不同之处为：步骤二中将铜合金粉石墨粉均匀混合的粉体经冷等静压法压制成型，压强为100MPa，然后在管式炉中进行真空无压烧结，烧结温度为800℃，保温时间为0.5h。

[0045]经检测，本对比例制备的铜基石墨热沉材料的弯曲强度为40.8MPa，热导率为143.9W/mK，致密度为91.2%。

[0046]表1