作者：郑晓敏
采用挤压铸造制备了金刚石/Al基复合材料，但由于成形温度过高(770～800℃)，在基材与金刚石颗粒界面处发生了不良的界面反应，随机生成了脆性的A14C3化合物，影响了金刚石／Al基复合材斟的性能，且挤压后的复合材料中金刚石颗粒分布不均匀。为了避免基材金属与金刚石颗粒在高温时不良的界面反应，选择成形温度低于Al熔点的粉末冶金法制备了金刚石体积含量为50%的金刚石纯A1复合材料，所制备出的复合材料的热导率仅为237 W／(m．K)。其主要原因一是由于选择在低于Al熔点的温度下热压烧结成形，熔融态属Al的流动性有限，导致复合材料的致密度仅为95.8%；二是金刚石与基材金属界面结合性差，未形成紧密结合，导致基材金属与金刚石颗粒在界面处存在很多的“间隙”。也有通过改进基材金属成分的方式，将纯金属Al粉末、少量5056型Al-Mg合金粉末和金刚石颗粒三着一
起混料均匀后，再放电等离子烧结( SPS)，成功制备出了致密度在97%以上的金刚石体积含量为45. 5%的金刚石/Al基复合材料，但SPS工艺制备金刚石/Al基复合材料时能耗大，设备成本高，工业化生产困难。
本课题采用设备成本低、工序简单的真空热压烧结法制备了金刚石/Al基复合材料。具体方法是先将所需纯Al粉、少量纯Cu粉和金刚石颗粒混合均匀，冷压成块后，再热压烧结。烧结过程中，为了避免高温下金刚石颗粒石墨化和与基材金属产生不良的界面反应，采用低于Al熔点的温度下进行。
1 试验过程
1.1 金刚石／Al基复合材料的制备
采用平均粒度为55～70 F/m的金刚石颗粒，选用纯度在99. 5%以上且粒度为40 um左右的球形Al粉和Cu粉作为基体金属粉。Al-Cu合金的热导率低于纯Al的热导率，且随Cu含量的增加而降低。当Al-Cu合金中，Cu的质量分数为3%时，它的热导率仅为190W／(m．K)左右。为了尽量降低影响基体合金的热导率，在基体合金中加入2%的Cu。
表1为复合材料的配比，按表1称量、配比粉末混合均匀，其混料参数是球料比为2:1，转速为300 r／min，混料6 h。先将混合均匀的预烧结粉末放入钢制模具中冷压成型，取出，再放入石墨型中，真空热压烧结。真空热压烧结工艺见图1，在真空环境下，以10℃/min的加热速度从室温加热至600℃，保温35 min，随炉冷却。在烧结过程中，烧结压力为50 M Pa。考虑到熔融状态Al的流动性和基体与金刚石热膨胀系数的差异性，在600℃时开始加压，保持压力直到被烧结材料冷却到100℃时，卸压。
2 试验结果及讨论
2.1 复合材料XRD测试与分析
对热压烧结前后的6号试样进行XRD测试，测试结果见图2。可以发现，在烧结前有Cu峰的存在，经真空热压烧结后，Cu峰消失。这说明真空热压烧结过程中经Cu原子和Al原子的相互扩散，Cu在烧结后已不单独在复合材料中，与Al形成了固溶体或者AICu化合物。热压烧结前后石墨峰和金属氧化物峰都未出现，说明在此温度下真空热压烧结，金刚石颗粒不会出现石墨化现象，金属粉末也不会被氧化。
2.2 金刚石／AICu基复合材料的显微组织
图3为6号试样表面形貌及金刚石颗粒分布。可以看出，金刚石颗粒可均匀的分散于基材金属中，并与基材金属之间界面结合紧密，没有出现明显的“间隙”。通过热压烧结后，在基材金属中也未发现微孔、微裂纹等微观缺陷，基体金属结合也较致密。图4为3号试样的表面形貌。在相同条件下与金刚石/Al-Cu基复合材料的显微组织进行对比分析，发现纯Al作为基体时，热压烧结后金刚石颗粒与纯Al之间明显存在“间隙”。金刚石与基材金属界面结合较弱，且基材金属中也明显存在微孔、微裂纹等缺陷，基材金属本身也结合不够致
密，见图4圆圈处。
2.3致密度
复合材料致密度测试结果见表2。从表2中发现，在相同金刚石含量条件下，金刚石/Al-Cu复合材料的致密度高于金刚石／纯Al复合材料。这主要是由于单质Cu颗粒的添加，在加热过程中，存在Al和Cu原子之间的相互扩散，通过扩散，在这些微区中Cu的含量可能在此微区某处达到了2. 5%以上。由Al-Cu相图可知，Cu含量在2.5%以上的Al-Cu合金，在600℃
时，会出现固液共存区，但这种固液共存区是短暂的，因为出现在液相中的Cu原子还会与周围的Al原子发生扩散，降低微区Cu的含量。正是这些短暂的微小的液相区促进了熔融状态的基体合金的流动性，也有利于基体合金去填充金刚石颗粒之间的微孔，从而提高了材料
的致密度。
2.4热膨胀系数(CTE)的测试与分析
在A r气保护下对复合材料进行热膨胀系数测试。图5为纯Al和3、6号试样热膨胀系数测试结果。从图5看出，在室温～300℃之间，3号试样的热膨胀系数高于6号的，这主要是两个原因造成的：一是在混料时，选择适当添加Cu粉的特殊方法，经热压烧结后促进了复合材料的致密度，使金刚石和基体金属之间的界面结合更加紧密，接触面积也增大，这样复合材料在热膨胀时，金刚石颗粒就能够更好地约束基体金属；二是此类复合材料热膨胀现象产生的主要原因是Al合金和金刚石增强体颗粒随温度升高产生塑性形变所致。在复合材料中材料塑性变形最有可能开始于界面，且当增强体颗粒附近基体某点的应力满足
时（
为基体的拉伸屈服强度，U为径向应力，印为环向应力，后两者是由于温度变化引起的应力）[143，才有可能产生塑性变形。试验表明，真空热压烧结金刚石/Al-Cu基复合材料后，在Al基中会有少量固溶体或者Al-Cu化合物的形成。由于位错的因素，会提高基体合金的屈服强度，致使金刚石含量为50%的Al-Cu复合材料的热膨胀系数低于纯Al复合材料的。
2.5热导率(TC)
图6是室温下复合材料热导率随金刚石体积含量变化图。从图6可知，金刚石/Al-Cu基复合材料和金刚石／纯Al基复合材料的热导率都会随金刚石含量的增加而增大。当金刚石含量为50%时，金刚石/Al-Cu基复合材料的热导率达到325 W／(m．K)，比金属纯Al高116 W／(m．K)。在金刚石含量一定时，金刚石／Al-Cu基复合材料比金刚石／纯Al基复合材料的热导率高，这是由于前者致密度高，金刚石与基材金属界面结合紧密，基材金属间微孔、间隙等缺陷少的原因。
所制备金刚石／Al-Cu复合材料的热导率有明显的提高，但与国际先进水平还存在一定差距，制备的金刚石含量为45. 5%的Al基复合材料的热导率为403 W／(m．K)。这是由于本课题组制备的复合材料的界面未得到优化，金刚石与基材界面间仅存在机械的物理结合，未形成化学结合，造成界面阻热大，热传导时会影响声子的平均自由程，从而降低了热导率；金刚石颗粒大小和形状对复合材料热导率也有一定的影响。
3 结 论
通过真空热压烧结法成功制备了金刚石/Al-Cu基复合材料，在室温～300 0C，金刚石体积含量为50%的Al-Cu基复合材料热膨胀系数为(7.3～11.3)×10-6/℃。在室温下，其热导率为325 W/(m．K)。由于少量Cu的添加，在真空热压烧结过程中形成了瞬间固液共存区，提高了复合材料的致密度。最终，使其热导率、热膨胀系数等热物理性能优于相同条件下制备的金刚石／纯Al体系的复合材料。
4摘要采用真空热压烧结法成功制备了金刚石/AI-Cu基复合材料。研究表明，少量Cu粉的添加，能优化金刚石／纯Al复合材料的热膨胀系数、热导率等热性能。在室温～300℃，金刚石体积含量为50%的复合材料热膨胀系数为(7.3～11.3)×10-6／℃。在室温下，热导率为325 W／(m．K)。
