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　　申請?zhí)枺?01610162466.0
　　申請人：中南大學(xué)
　　發(fā)明人：魏秋平 周科朝 馬莉 余志明 張龍

　　摘要：本發(fā)明提供一種泡沫金剛石骨架增強(qiáng)銅基復(fù)合材料及其制備方法，所述復(fù)合材料由泡沫襯底、金剛石強(qiáng)化層、基體材料組成。其中泡沫襯底為泡沫金屬或泡沫陶瓷或泡沫碳，基體材料為銅及其合金，金剛石強(qiáng)化層為金剛石或金剛石與石墨烯或/和碳納米管。本發(fā)明制得的復(fù)合材料增強(qiáng)相與基體相在三維空間內(nèi)保持連續(xù)分布，使金剛石和基體形成了網(wǎng)絡(luò)互穿構(gòu)形，從而可弱化復(fù)合界面對材料熱學(xué)性能的顯著影響，既能不降低金屬基體在復(fù)合材料中的良好塑韌性，又能使增強(qiáng)相成為一個(gè)整體，最大限度地發(fā)揮增強(qiáng)體的導(dǎo)熱效率，使復(fù)合材料的熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率及機(jī)械強(qiáng)度相比較傳統(tǒng)復(fù)合材料有極大提高，是一種很有潛力的新型多功能復(fù)合材料。 　　主權(quán)利要求：1.泡沫金剛石骨架增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，其特征在于，所述復(fù)合材料包括增強(qiáng)體、基體材料，所述增強(qiáng)體包括泡沫骨架襯底、金剛石強(qiáng)化層，所述泡沫骨架襯底表面設(shè)有金剛石強(qiáng)化層；所述泡沫骨架襯底選自泡沫金屬骨架、泡沫陶瓷骨架、泡沫碳骨架中的至少一種，所述基體材料選自銅及銅基合金。
　　2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泡沫金剛石骨架增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，其 特征在于，所述泡沫金屬骨架選自泡沫鎳、泡沫銅、泡沫鈦、泡沫鈷、 泡沫鎢、泡沫鉬、泡沫鉻、泡沫鐵鎳、泡沫鋁中的一種；所述泡沫陶 瓷骨架選自泡沫A12O3、泡沫ZrO2、泡沫SiC、泡沫Si3N4、泡沫BN、 泡沫B4C、泡沫AlN、泡沫WC、泡沫Cr7C3中的一種。
　　3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的泡沫金剛石骨架增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，其 特征在于，所述泡沫骨架襯底中，泡沫孔徑為0.01-10mm，開孔率 40-99.9％，泡沫孔洞均勻分布或隨機(jī)分布；泡沫骨架為平面結(jié)構(gòu)或三 維立體結(jié)構(gòu)。
　　4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泡沫金剛石骨架增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，其 特征在于，所述金剛石強(qiáng)化層選自金剛石膜、石墨烯包覆金剛石、碳 納米管包覆金剛石、石墨烯/碳納米管包覆金剛石中的至少一種。
　　5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的泡沫金剛石骨架增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，其 特征在于，金剛石強(qiáng)化層中，石墨烯包覆金剛石是指在金剛石表面原 位生長石墨烯，且石墨烯垂直于金剛石表面形成石墨烯墻； 碳納米管包覆金剛石是指在金剛石表面催化生長碳納米管，且碳 納米管垂直于金剛石表面形成碳納米管林； 石墨烯/碳納米管包覆金剛石是指在金剛石表面原位生長石墨烯 膜后再催化生長碳納米管林，且石墨烯在金剛石表面鋪展成膜，碳納 米管垂直于金剛石和石墨烯表面形成碳納米管林。
　　6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任意一項(xiàng)所述的泡沫金剛石骨架增強(qiáng)銅基復(fù) 合材料，其特征在于，基體材料中還添加有強(qiáng)化顆粒，強(qiáng)化顆粒選自 高導(dǎo)熱顆粒、超硬耐磨顆粒、導(dǎo)電顆粒中的至少一種；所述高導(dǎo)熱顆 粒選自金剛石粉、石墨烯、碳納米管、石墨烯包覆金剛石微球、碳納 米管包覆金剛石微球、碳納米管包覆石墨烯中的至少一種；超硬耐磨 顆粒選自金剛石粉、SiC、TiC、TiN、AlN、Si3N4、Al2O3、BN、WC、 MoC、Cr7C3中的至少一種；導(dǎo)電顆粒選自石墨、碳納米管、石墨烯 中的至少一種。
　　7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的泡沫金剛石骨架增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，其 特征在于，復(fù)合材料中，各組分的體積百分含量為：基體材料體積分 數(shù)為20-95％，增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)為5-80％，強(qiáng)化顆粒體積分?jǐn)?shù)為0-30％， 各組分體積百分之和為100％。
　　8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的泡沫金剛石骨架增強(qiáng)銅基復(fù)合材料，其 特征在于，在基體中，增強(qiáng)體以單體增強(qiáng)或多體陣列增強(qiáng)，所述多體 陣列增強(qiáng)是指增強(qiáng)體以層片狀平行分布或以柱狀平行分布于基體中。
　　9.一種泡沫金剛石骨架增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備方法，包括下 述步驟： 第一步：增強(qiáng)體的制備 將泡沫骨架襯底清洗、烘干后，采用化學(xué)氣相沉積在泡沫骨架表 面原位生長金剛石，得到增強(qiáng)體；沉積參數(shù)為： 沉積金剛石膜：含碳?xì)怏w占爐內(nèi)全部氣體質(zhì)量流量百分比為 0.5-10.0％；生長溫度為600-1000℃，生長氣壓為103-104Pa； 或 將泡沫骨架襯底清洗、烘干后，采用化學(xué)氣相沉積在泡沫骨架表 面原位生長石墨烯包覆金剛石、碳納米管包覆金剛石、石墨烯/碳納 米管包覆金剛石，沉積過程中在泡沫骨架襯底上施加等離子輔助生 長，并通過在襯底底部添加磁場把等離子體約束在泡沫骨架近表面， 強(qiáng)化等離子對泡沫骨架表面的轟擊，使石墨烯垂直于泡沫骨架表面生 長，形成石墨烯墻，得到增強(qiáng)體；沉積工藝為： 沉積石墨烯墻：含碳?xì)怏w占爐內(nèi)全部氣體質(zhì)量流量百分比為 0.5-80％；生長溫度為400-1200℃，生長氣壓為5-105Pa；等離子電流 密度為0-50mA/cm2；沉積區(qū)域中磁場強(qiáng)度為100高斯至30特斯拉； 沉積石墨烯包覆金剛石： 首先，采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)在襯底表面沉積金剛石，沉積參數(shù) 為：含碳?xì)怏w占爐內(nèi)全部氣體質(zhì)量流量百分比為0.5-10.0％；生長溫 度為600-1000℃，生長氣壓為103-104Pa；然后，再在金剛石表面沉積 石墨烯墻，石墨烯垂直于金剛石表面生長，形成石墨烯墻，沉積參數(shù) 為：含碳?xì)怏w占爐內(nèi)全部氣體質(zhì)量流量百分比為0.5-80％；生長溫度 為400-1200℃，生長氣壓為5-105Pa；等離子電流密度為0-50mA/cm2； 沉積區(qū)域中磁場強(qiáng)度為100高斯至30特斯拉； 沉積碳納米管包覆金剛石： 首先，采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)在襯底表面沉積金剛石，沉積參數(shù) 為：含碳?xì)怏w占爐內(nèi)全部氣體質(zhì)量流量百分比為0.5-10.0％；生長溫 度為600-1000℃，生長氣壓為103-104Pa；然后，在金剛石表面采用 電鍍、化學(xué)鍍、蒸鍍、磁控濺射、化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積中的 一種方法在沉積表面沉積鎳、銅、鈷的一種或復(fù)合催化層；再沉積碳 納米管，沉積參數(shù)為：含碳?xì)怏w占爐內(nèi)全部氣體質(zhì)量流量百分比為 5-50％；生長溫度為400-1300℃，生長氣壓為103-105Pa；等離子電流 密度為0-30mA/cm2；沉積區(qū)域中磁場強(qiáng)度為100高斯至30特斯拉； 沉積石墨烯/碳納米管包覆金剛石： 首先，采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)在襯底表面沉積金剛石，沉積參數(shù) 為：含碳?xì)怏w質(zhì)量流量百分比為0.5-10％；生長溫度為600-1000℃， 生長氣壓103-104Pa；然后，在金剛石表面沉積石墨烯膜，沉積參數(shù) 為：含碳?xì)怏w質(zhì)量流量百分比為0.5-80％；生長溫度為400-1200℃， 生長氣壓為5-105Pa；等離子電流密度為0-50mA/cm2；沉積區(qū)域中磁 場強(qiáng)度為100高斯至30特斯拉；最后，在石墨烯表面采用電鍍、化 學(xué)鍍、蒸鍍、磁控濺射、化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積中的一種方法 在襯底表面沉積鎳、銅、鈷的一種或復(fù)合催化層后，沉積碳納米管林， 沉積參數(shù)為：含碳?xì)怏w質(zhì)量流量百分比為5-80％；生長溫度為 400-1200℃，生長氣壓為5-105Pa；等離子電流密度為0-50mA/cm2； 第二步：采用壓力熔滲技術(shù)將具有金剛石強(qiáng)化層的增強(qiáng)體與銅基 體復(fù)合。
　　10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種泡沫金剛石骨架增強(qiáng)銅基復(fù)合材 料的制備方法，其特征在于：第一步中，泡沫骨架襯底清洗、烘干后， 先采用電鍍、化學(xué)鍍、蒸鍍、磁控濺射、化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉 積中的一種方法在襯底表面沉積鎳、銅、鎢、鉬、鈦、銀、鉻中的一 種或復(fù)合金屬層，然后，置于納米晶和微米晶金剛石混合顆粒的懸濁 液中，加熱至沸騰后，于超聲波中震蕩、分散均勻，得到網(wǎng)孔中間鑲 嵌大量納米晶和微米晶金剛石顆粒的泡沫骨架襯底；對泡面骨架襯底 采用化學(xué)氣相沉積在泡沫骨架表面或金剛石顆粒表面原位生長金剛 石膜、石墨烯包覆金剛石、碳納米管包覆金剛石、石墨烯/碳納米管 包覆金剛石，得到增強(qiáng)體。
　　11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的一種泡沫金剛石骨架增強(qiáng)銅基 復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：在增強(qiáng)體表面制備一層改性層后 采用壓力熔滲技術(shù)與銅基體復(fù)合；所述改性層選自鎢、碳化鎢、鉬、 碳化鉬、鉻、碳化鉻、鈦、碳化鈦、鎳、銅、鋁、鉑、鎢基合金、鉬 基合金、鉻基合金、鈦基合金、鎳基合金、銅基合金、鋁基合金、鉑 基合金中的至少一種；改性層采用電鍍、化學(xué)鍍、蒸鍍、磁控濺射、 化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積中的一種方法在增強(qiáng)體表面制備。