一种高硬度高导热低膨胀系数Al-Cu-CNT材料及其制备方法 |
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| 申请号 | CN201710691027.3 | 申请日 | 2017-08-14 | 公开(公告)号 | CN107435112A | 公开(公告)日 | 2017-12-05 |
| 申请人 | 江苏大学; | 发明人 | 许晓静; 王浩; 朱宸煜; 杨松; 杜东辉; 刘志刚; 王亚; | ||||
| 摘要 | 一种高硬度高导热低膨胀系数Al-Cu-CNT材料及其制备方法，其特征在于：它的制备原料为Al粉、Cu粉和CNT；制备方法为首先，将Al粉、Cu粉和CNT混合均匀干燥后进行高能球磨，使其机械 合金 化，再将球磨后的粉末进行压制成 块 ，然后用 石墨 粉 覆盖 样品进行 烧结 ，使其进一步充分机械合金化，最后将烧结后的样品进行固溶时效处理。本 发明 提供的Al-Cu-CNT材料成分均匀，硬度高， 弹性模量 和导热性有很大的提高， 热膨胀 系数较低，在 电子 封装领域具有广泛的应用前景。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种高硬度高导热低膨胀系数Al-Cu-CNT材料，其特征是它由Al粉、Cu粉和碳纳米管（CNT）组成，各组分以质量百分比计算，Cu粉为：2.8 5.2 wt.%，CNT为：0 0.7 wt.%，余量为~ ~ |
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| 说明书全文 | 一种高硬度高导热低膨胀系数Al-Cu-CNT材料及其制备方法技术领域[0001] 本发明涉及一种材料技术，尤其是Al-Cu材料及其制备方法，具体地说是一种具有高硬度、高导热和低膨胀系数性能的Al-Cu-CNT材料及其制备方法。 背景技术[0002] 随着微电子技术的高速发展，电子元器件应具有更高的集成度、更快的运行速度和更大的容量，这就使得电子器件和电子装置中元器件的复杂性和及密集性日益提高，这必然会导致电路发热量的提高、工作温度上升，而稳定性下降。电子封装作为为电路的一个重要组成部分起着电路支撑、密封、内外点连接、散热和屏蔽作用，对电路的性能和可靠性具有重要影响。 [0003] 铝基材料的具有导热系数高、体积变化小、稳定性好等优点，近年来受到广泛关注和研究。而铜本身的具有很高的导热性，因此Al-Cu材料的研究具有很广阔的应用前景，其具有其他材料所不具有的优点：设计自由度大；热膨胀系数低，有很高的导热率和低的密度；具有相对好的机械性能；材料制造灵活，生产费用不高。 [0004] 碳纳米管（CNT）具有优异的力学、电学、热学等性能，是制备铝基材料最为理想的增强体之一。由于碳纳米管中碳原子采取SP2杂化，相比SP3杂化，SP2杂化中S轨道成分比较大，使碳纳米管具有高模量和高强度。对于具有理想结构的单层壁的碳纳米管，其抗拉强度约800GPa，硬度与金刚石相当；碳纳米管有着较高的热导率，室温下单壁CNT的导热系数为3980W/（m·K），只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管，该复合材料的导热性能将会可能得到很大的改善；同时CNT的热膨胀系数极低（CTE为-12×10-6/℃）。因此在材料中添加CNT，能提高材料的弹性模量和导热性能、降低热膨胀系数。 [0005] 但是，CNT存在着难以与铝基体形成有效界面结合的问题，因而，如何突破原有技术的限制，找到更好的制备方法来提高Al-Cu-CNT材料的性能，是电子封装材料的重要发展方向，也是本领域前沿学者一直致力研究的主要问题。 发明内容[0006] 本发明针对现有的Al-Cu材料整体性能不高的问题，发明一种高硬度高导热低膨胀系数Al-Cu-CNT材料，同以提供一种以“机械合金化-粉末压制-烧结-热处理”制备高硬度Al-Cu材料的方法，通过添加CNT，制备一种综合性能较好的，高硬度高导热低膨胀系数的Al-Cu-CNT材料。 [0007] 本发明的技术方案之一是：一种高硬度高导热低膨胀系数Al-Cu-CNT材料，其特征是它由Al粉、Cu粉和碳纳米管（CNT）组成，各组分以质量百分比计算，Cu粉为：2.8 5.2 wt.%，CNT为：0 0.7 wt.%，余量为~ ~ 铝粉，各组份的质量百分比之和为100%。 [0008] 本发明的技术方案之二是：一种高硬度高导热低膨胀系数Al-Cu-CNT材料的制备方法，其特征是它包括以下步骤： （1）机械合金化：按成分配置Al、Cu和CNT混合粉末，放入球磨罐，置于球磨机内以一定球磨参数球磨，使得Al、Cu和CNT混合粉末充分合金化； （2）粉末压制：将步骤（1）制备的混合粉末进行压制成型，得到压块； （3）烧结：将步骤（2）压制成型的压块进行烧结，使得Al，Cu和CNT进一步合金化； （4）热处理：将步骤（3）中烧结后的压块进行固溶时效处理。 [0010] 机械合金化前将混合粉末置于烘干箱中，随烘干箱升温至100 120℃烘干至少1h。~ [0011] 所述的球磨参数为：球料比(3 6):1，200 400 r/min球磨至少24 h，每球磨60 min~ ~停机10±5 min。 [0012] 所述的粉末压制的工艺参数为：模具直径为20 30mm，在100t四柱液压机上压制成~圆块，厚度2 5mm。 ~ [0013] 所述的烧结的工艺参数为：用石墨粉覆盖压块放置于热处理炉中，烧结工艺为200℃×2h＋350℃×2h＋500℃×2h＋600℃×6h，每段烧结阶段的升温时间为１h，也即从常温升温到200℃用时1小时，从200℃升温到350℃也用时1小时，以此类推，每升温一档，用时1小时，烧结结束后随炉冷却。 [0014] 所述的固溶时效处理的工艺参数为:510±10℃×2±0.5h固溶,191±5℃×8±1h时效。 [0015] 所述的最佳固溶时效处理的工艺参数为：510℃×2h固溶，191℃×8h时效。 [0016] 本发明的有益效果是：（1）本发明创造性地提出一种“机械合金化-粉末压制-烧结-热处理”制备Al-Cu以及Al-Cu-CNT材料的方法，本工艺使得粉末的合金化更加充分，为高硬度高导热低膨胀系数的电子封装材料提供了一种可工业化生产的制备方法。 [0017] （2）本发明CNT的加入能提高材料的弹性模量，降低热膨胀系数，提高导热性，并且能保证Al-Cu材料的强度不会降低。 [0019] 图1是本发明实施例中球磨后Al-4Cu粉末的SEM形貌图。 [0020] 图2是本发明实施例中球磨后Al-4Cu-0.5CNT粉末的SEM形貌图。 [0021] 图3是本发明实施例中热处理后Al-4Cu材料的SEM形貌图和EDS分析。 [0022] 图4是本发明实施例中热处理后Al-4Cu-0.5CNT材料的SEM形貌图和EDS分析。 [0023] 图5是本发明实施例中热处理腐蚀后Al-4Cu材料的SEM形貌图和EDS分析。 [0024] 图6是本发明实施例中热处理腐蚀后Al-4Cu-0.5CNT材料的SEM形貌图和EDS分析。 具体实施方式[0025] 下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明，但本发明不仅限于实施例。 [0026] 实施例一。 [0027] 如图1、3、5所示。 [0028] 一种Al-4Cu材料的制备方法：首先，配制40 g的Al，Cu单质混合粉末，其中Al粉96wt.%（38.4 g），Cu粉4wt.%（1.6 g），将混合粉末置于烧杯中搅拌均匀，置于烘干箱中100℃烘干1h； 其次，按照球料比4:1先称量160 g玛瑙球置于500 ml尼龙球磨罐中，再将烘干并混合均匀的混合粉末置于尼龙球磨罐中，加盖密封； 然后，将球磨罐安装在行星球磨机上，开始球磨，球磨参数设置为250 r/min，球磨60 min停机10 min，求磨24 h后，取出球磨罐中的粉料； 之后，将所得粉末装入直径为30mm的模具中，在100t四柱液压机上进行压制，得到厚度为3mm的圆块； 随后，用石墨粉覆盖样品放置于热处理炉中进行烧结，烧结工艺为200℃×2h＋350℃×2h＋500℃×2h＋600℃×6h以上（每个阶段升温时间为１h），然后随炉冷却。 [0029] 最后，将烧结后的样品放入热处理炉中510℃温度下固溶2h，固溶后以191℃温度时效8h。 [0030] 采用上述步骤制得的Al-4Cu混合粉末机械合金化现象明显，图1为球磨后的形貌图，从图中可以看出，粉末尺寸在10微米以下，有很好的机械合金化效果；图3和图5分别为热处理后腐蚀前和腐蚀后的形貌图和EDS分析，从SEM-EDS分析来看，该材料成分与预设构想一致，Al和Cu合金化后能有效提高硬度和导热性，表1中有Al-Cu材料的硬度值，经分析发现，在经过固溶时效处理后，其硬度明显提高，从56.9HV提高到95HV左右。 [0031] 实施例二。 [0032] 如图2、4、6所示。 [0033] 一种Al-4Cu-0.5CNT材料的制备方法：本实施例与实施例一相似，不同之处在于添加了CNT，有Al粉95.5wt.%（38.2 g），Cu粉 4wt.%（1.6 g），CNT 0.5wt.%（0.2 g）； 图1为Al-4Cu-0.5CNT球磨后的形貌图，可以看出CNT与Al、Cu机械合金化充分，这能明显降低材料的热膨胀系数，进一步提高材料的导热性；图4和图6分别为热处理后腐蚀前和腐蚀后的形貌图和EDS分析，从SEM-EDS分析来看，该材料成分与预设构想一致，能有效保证材料的性能；表1中有Al-4Cu-0.5CNT材料的硬度值，经分析发现，CNT的加入没有降低材料的硬度，即强度保持不变。因此，CNT的加入不仅没有降低Al-Cu材料的硬度，而且能进一步提高材料的导热性，保证较低的热膨胀系数。 [0034] 表1 样品在不同状态下的硬度状态 Al-4Cu 硬度/HV Al-4Cu-0.5CNT 硬度/HV 烧结后 56.9 60.9 热处理后 99 85.1 热处理腐蚀后 86.45 86.65 实施例三。 [0035] 一种Al-2.8Cu-0.7CNT材料的制备方法：首先，配制40 g的Al、Cu和CNT单质混合粉末，其中Al粉96.5wt.%（38.6 g），Cu粉 2.8wt.%（1.12 g），CNT 0.7wt.%（0.28 g）将混合粉末置于烧杯中搅拌均匀，置于烘干箱中 120℃烘干1.5h； 其次，按照球料比3:1先称量120 g玛瑙球置于500 ml尼龙球磨罐中，再将烘干并混合均匀的混合粉末置于尼龙球磨罐中，加盖密封； 然后，将球磨罐安装在行星球磨机上，开始球磨，球磨参数设置为200 r/min，球磨60 min停机15 min，球磨24 h后，取出球磨罐中的粉料； 之后，将所得粉末装入直径为25mm的模具中，在100t四柱液压机上进行压制，得到厚度为2mm的圆块； 随后，用石墨粉覆盖样品放置于热处理炉中进行烧结，烧结工艺为200℃×2h＋350℃×2h＋500℃×2h＋600℃×6h以上（每个阶段升温时间为１h），然后随炉冷却。 [0036] 最后，将烧结后的样品放入热处理炉中520℃温度下固溶2.5h，固溶后以196℃温度时效9h。 [0037] 本实施例球磨后的形貌图与图1相近似，可以看出CNT与Al、Cu机械合金化充分，这能明显降低材料的热膨胀系数，进一步提高材料的导热性；热处理后腐蚀前和腐蚀后的形貌图和EDS分析均与图4和图6相近似，从SEM-EDS分析来看，该材料成分与预设构想一致，能有效保证材料的性能；材料的硬度值也与表1相近似，经分析发现，CNT的加入没有降低材料的硬度，即强度保持不变。因此，CNT的加入不仅没有降低Al-Cu材料的硬度，而且能进一步提高材料的导热性，保证较低的热膨胀系数。 [0038] 实施例四。 [0039] 一种Al-5.2Cu-0.2CNT材料的制备方法：首先，配制40 g的Al、Cu和CNT单质混合粉末，其中Al粉94.6wt.%（37.84 g），Cu粉 5.2wt.%（2.08 g），CNT 0.7wt.%（0.08 g）将混合粉末置于烧杯中搅拌均匀，置于烘干箱中 110℃烘干1.5h； 其次，按照球料比6:1先称量240 g玛瑙球置于500 ml尼龙球磨罐中，再将烘干并混合均匀的混合粉末置于尼龙球磨罐中，加盖密封； 然后，将球磨罐安装在行星球磨机上，开始球磨，球磨参数设置为400 r/min，球磨60 min停机10 min，球磨24 h后，取出球磨罐中的粉料； 之后，将所得粉末装入直径为30mm的模具中，在100t四柱液压机上进行压制，得到厚度为5mm的圆块； 随后，用石墨粉覆盖样品放置于热处理炉中进行烧结，烧结工艺为200℃×2h＋350℃×2h＋500℃×2h＋600℃×6h以上（每个阶段升温时间为１h），然后随炉冷却。 [0040] 最后，将烧结后的样品放入热处理炉中500℃温度下固溶1.5h，固溶后以186℃温度时效7h。 [0041] 本实施例球磨后的形貌图与图1相近似，可以看出CNT与Al、Cu机械合金化充分，这能明显降低材料的热膨胀系数，进一步提高材料的导热性；热处理后腐蚀前和腐蚀后的形貌图和EDS分析均与图4和图6相近似，从SEM-EDS分析来看，该材料成分与预设构想一致，能有效保证材料的性能；材料的硬度值也与表1相近似，经分析发现，CNT的加入没有降低材料的硬度，即强度保持不变。因此，CNT的加入不仅没有降低Al-Cu材料的硬度，而且能进一步提高材料的导热性，保证较低的热膨胀系数。 [0042] 本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。 |
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