超高导热金属基复合涂层材料制备.pdf

总第2 11期2023年第8 期试（实）验研究摘要：随着电子技术的迅猛发展、集成电路的密集化以及电子器件的小型化，对系统热管理及散热技术提出了更高要求。制备一种超高导热涂层，应用在汽车散热器上，通过特性测定，该涂层材料相比以往，有效提高了其散热系数，大大缓解了由于发动机温度过高，使发动机燃烧不正常、机油变质、点火系统工作不正常等影响汽车正常行驶的情况得以解决。关键词：超高导热涂层；汽车散热器；散热系数中图分类号：TB3320引言随着电子工业的发展和电子器件不断趋于小型化、多功能化和集成化，高功率电子器件在运行过程中会产生芯片与封装材料间热失配,从而显著降低器件的工作效率和使用寿命1。为有效解决器件的散热问题，迫切需要具有高热导率和低热膨胀系数的热管理材料2-3 。1实验材料及设备1.1实验材料涂层材料制备实验过程中所用的实验铝片和金刚石等原料的相关规格及生产厂商如表1所示。铝片表面较为干净平滑，导电性较好，说明铝片表面氧化程度较小，外加后期对铝片的预处理使其更加适于作为复合材料金属基体，制备高导热金刚石增强铝基复合涂层材料。金刚石颗粒的形状为规则的十四面体，棱角分明,表面结构较为平整，粒径分布集中,大约为 2 0 0 m。表1实验原料与化学试剂原料纯度铝片(AI)99%天津市恒兴化学试剂制造有限公司金刚石颗粒（c)一硝酸银(AgNO,)99.1%硝酸(HNO)63%氢氧化钠(NaOH)10%1.2实验设备1)赫尔槽。赫尔槽是一种实验效果好、操作简单、所需溶液体积小的小型电镀试验容器。它可以较好地在短时间内确定获得外观合格镀层的电流密度及其他工艺条件，如温度、PH值等,用于研究电镀溶液中主要组分和添加剂的相互影响，帮助分析电镀溶液产生故障的原因。此外赫尔槽还可以测定电镀溶液的分散能力、整平能力以及镀层的内应力。因此,赫尔槽在收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 2基金项目：齐齐哈尔市科技计划创新激励项目工业攻关类：超高导热金属基复合材料电铸制备研究（CGYGG-2021002）第一作者简介：邓敏(19 8 4一),女，硕士研究生，毕业于长春理工大学光学工程专业，副教授，研究方向为材料分析。山西冶金ShanxiMetallurgy超高导热金属基复合涂层材料制备邓敏，刘智，张莹，王洪春（齐齐哈尔工程学院，黑龙江齐齐哈尔16 10 0 5）文献标识码：A电镀实验研究和现场生产质量控制方面得到了广泛的应用。2)QG-5金相试样切割机。QG-5金相试样切割机依靠其内部转动的磨砂盘片对试样进行切割，在金属切割实验室中应用广泛。为了防止切割时产生过多的热量，切割机内部的样品切割器带有冷却装置，通过两侧的水柱可将切削过程中的热量带走，从而防止样品在受热时发生金属结构的变化。金相试样机的切削砂轮直接与电机主轴连接，通过摇动锯刀来切断夹持在夹具内的样品。马达与基座相连,轴套与马达的轴相连，砂轮片用螺丝帽及卡板固定，安装于马达前的托架上，带有一个能围绕横向轴线旋转的锯架,通过旋转手柄带动钳头将样品夹在钳座内。冷却系统是依靠两个可全方位调节的水管手动调节，通过安装在阀座背面的橡胶管来控制冷却水柱方向。机器运转时，用透明罩壳防止冷却时水柱飞溅夹杂砂轮碎片飞出切割机发生危险。QG-5金相试样切割机在本实验中用于切割铜片等试样。3)恒温磁力搅拌器。磁力搅拌器是利用其内部的生产厂商微型电动机带动耐高温强力磁铁旋转产生旋转磁场郑州黄河旋风有限公司来使搅拌棍旋转，进而对烧杯内的物质进行搅拌、混天津市赢达稀贵化学试剂厂合或辅助加热，以便溶液在设定温度进行充分混合。珠海市华威达化工有限公司在本实验中恒温磁力搅拌器用于搅拌液体进行加热广州和为医药有限公司和对实验对象进行烘干。4)PS-1505稳压电源与功率为5W的空气泵。由于电镀实验需要固体颗粒在镀液中充分搅拌悬浮，使固体颗粒均匀地沉积电镀到目标镀件上，故需要用到压缩空气搅拌原理。在本实验中通过PS-1505稳压电源为功率为5W的空气泵提供稳定电压产生均匀、稳定、持续的气泡通向镀液中以充分搅拌镀液。2实验原理复合电镀就是通过金属电沉积的方法，用电镀方Total 211No.8,2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.08.007文章编号：16 7 2-1152(2 0 2 3)0 8-0 0 15-0 3山西冶金16E-mail:第46 卷法使固体颗粒与金属共沉积从而在基体上获得基质金属（或称为主体金属）上弥散分布颗粒结构的复合镀层。用于沉积的金属或合金叫做复合镀层的基质，固体颗粒被叫做分散剂。与普通的电镀相比,复合电镀要求沉积速度快、电流效应高，固体颗粒在镀液中要有充分搅拌悬浮，这样才有利于固体颗粒均匀地沉积。3铝基金刚石复合涂层的制备3.1铝基电镀金刚石的制备工艺流程铝基电镀金刚石制备的第一步是将铝片进行脱脂和浸蚀处理，后进行水洗，再对金刚石进行预处理去除其表面杂质。金刚石本身不导电，故对其进行金属化，利用化学镀的方式制成金刚石银复合材料使其具有导电性。最后利用柠檬酸盐电镀金刚石银的方式将其电镀至处理过的铝片表面制得铝基金刚石涂层。3.2脱脂化学脱脂是利用碱性溶液对皂化性油脂的皂化作用和乳化剂对非皂化性油脂的乳化作用，去除工件表面油污的处理方法。常用的脱脂方法有有机溶剂脱脂、化学脱脂、电化学脱脂、超声波脱脂等。本文主要采用对铝片进行化学脱脂的方法，因为化学脱脂操作简便、成本低,适用于一般零件的脱脂3.3浸蚀此步工艺主要是将镀件铝片浸人到酸、酸性盐或缓蚀剂等溶剂中，以除去金属表面的氧化膜和锈蚀。常用的浸蚀方法有两种，分别是化学浸蚀和电化学浸蚀。本文主要采用化学浸蚀的方法，依靠酸洗去除电镀件表面的氧化物。成分及工艺条件见表2 所示。表2 浸蚀配方侵蚀条件参数指标数值硝酸质量浓度/（g/L）30硫酸锌质量浓度/（g/工）80100温度室温时间/s10303.4金金刚石表面预处理3.4.1金刚石的清洁由于金刚石颗粒表面可能附着多种杂质,需要先对金刚石颗粒进行清洗处理。首先，将金刚石置于超声波清洗机中清洗2 3 次后，去除附着在金刚石颗粒上的杂质，从蒸馏水中滤出；再用无水酒精洗涤2 3遍，去除表面的有机物质；然后从无水酒精中滤出,放人烤箱干燥。3.4.2金刚石的活化由于金刚石具有良好的结构和稳定的化学性能，不能直接对其进行表面金属化处理。采用真空环境对金刚石进行热处理，使其表面产生一定的缺陷，以提高其反应活性。为了防止高温对金刚石的结构产生较大的损伤，必须通过热力学分析来确定适当的热处理温度。3.5金刚石颗粒表面金属化金刚石颗粒表面金属化实验采用金刚石表面化学镀银方法制备金刚石银复合材料。把0.3 g的金刚石单晶微粉用盛有乙醇的超声清洗器清洗，然后使用蒸馏水将其冲洗至PH值约等于7，再将其加人配制好的化学镀液中，加热KOH将镀液PH值调整在8.5左右，超声振荡使金刚石分散均匀。3 0 min后,加人还原剂cHO后进行镀覆反应2 min。反应结束后，将所得产物反复离心、去离子水冲洗至PH值约等于7。最后放入恒温磁力搅拌器中烘干待用。通过观察，化学镀银后金刚石颗粒不再呈现明显的多边形形状且颗粒边缘及表面被银纳米粒子所包裹。银纳米粒子直径在50 10 0 nm左右,而且在金刚石表面分布均匀。3.6铝基金刚石复合涂层材料的制备由于柠檬酸盐电镀工艺操作简单,且原料便于获得，可在被镀工件上直接电镀，铝基金刚石复合涂层材料的制备采用柠檬酸盐在铝基上电镀金刚石的工艺方法。柠檬酸盐电镀铝所得到的电镀层孔隙率较低,具有较好的均镀性能和深镀性能,且镀层光亮。通过采用柠檬酸盐在铝基上电镀金刚石的工艺方法所得的复合涂层材料表面有明显细致的颗粒感，其在光照处也具有些许的反光，这是因为材料表面具有一层细致均匀的金刚石光亮镀层,这也基本证实其电镀实验已成功完成。4汽车散热器涂层实验前后数据对比分析通过对金刚石/铝基复合涂层材料热导率的测试计算得到复合涂层材料的热导率达到43 7 W/（m K），较裸料汽车散热器材料的热导率有较为明显的提高。测定铝片和复合涂层材料在室温2 5时将温度加热至110,其温度和时间变化如图1所示。120100806040200通过温度和时间变化结果分析，在室温2 5的情况下将铝片和复合涂层材料同时加热至110，复合涂层材料在40 110 区间内，其降温速率明显快于铝片的降温速率,并且通过热扩散系数公式计算得出涂层材料的热导率达到43 7 W/（m K）,而目前市场上的汽车散热器普遍采用铝制和铜制散热器，其散热0图1温度和时间变化结果24时间/s682023年第8 期邓敏，等：超高导热金属基复合涂层材料制备：17系数分别为2 3 7 W/（m K)和3 9 8 W/(mK）。通过对比分析，复合涂层材料有效提高了其散热系数，如果在汽车散热器中应用这种相关的复合涂层材料无疑可以显著提高汽车发动机的散热效率。5结论随着汽车产业的蓬勃发展，大排量汽车发动机的出现更是层出不穷，由此对汽车散热器的材料要求也必然越来越高，汽车散热器的研发也越来越受重视。金刚石铝基复合涂层材料在汽车散热器上的应用研究可以较为显著地提高汽车散热器的导热性能，更加符合未来大排量汽车对冷却系统(散热器)导热性Preparation of Ultra-high Thermal Conductivity Metal Matrix Composite Coating Materials(Qiqihar Institute of Engineering,Qiqihar Heilongjiang 161005,China)Abstract:The rapid development of electronic technology,the intensification of integrated circuits,and the miniaturization of electronicdevices have put forward higher requirements for system thermal management and heat dissipation technology.Prepare an ultra-high thermalconductivity coating and apply it to car radiators.Through characteristic testing,the coating material effectively improves its heat dissipationcoefficient compared to the past,greatly solves abnormal combustion,oil deterioration,ignition system malfunction,and other occurrence ofnormal driving of cars due to high engine temperature.Key words:ultra high thermal conductivity coatingi car radiator;heat dissipation coefficient能的要求。金属基复合涂层材料相较于普通散热器材料具有更加优异的强度，它在保留了优良的成型加工性能、较强的耐腐蚀性能、易于维修等特点的同时还具有比普通铝制汽车散热器优势更加明显的散热性能。参考文献1李政，李杨.铝质型管汽车散热器J.汽车零部件，2 0 18（10)：90-94.2赵鹏鹏，谭建波.金属基复合材料的制备方法及发展现状J.河北工业科技，2 0 17,3 4(3)：2 15-2 2 1.3苑孟颖.金刚石/铜基复合材料的界面设计及导热性能研究D上海：上海交通大学，2 0 19（编辑：杨光辉）Deng Min,Liu Zhi,Zhang Ying,Wang Hongchun(上接第 6 页)表2 图图6 中磨损表面各点EDS分析w(Fe)/w(N