本發明屬于金屬材料領域，涉及一種金剛石/銅復合材料，特別涉及一種高導熱近凈形的金剛石/銅復合材料及制備方法。
背景技術：
隨著電子信息技術的高速發展，電子器件中的芯片的運算速度越來越快，芯片集成度也越來越高，高功率集成電路的最高功率密度已經達到660W/cm2，不久可達1000W/cm2。快速微處理器及高功率半導體器件在應用中常常因為溫度過高而無法正常工作，因此，高導熱性能的電子封裝材料的開發成為了電子信息技術發展的一大瓶頸。另外，電子封裝材料的熱膨脹系數需要與半導體芯片保持匹配。
金剛石具有優異的物理、化學性能，其導熱率與硬度都是自然界已知天然存在的物質之最，熱導率高達2000W·m-1·K-1,硬度高達100GPa，熱膨脹系數為0.8-1.0×10-6k-1。隨著人造金剛石工業的發展，金剛石價格大幅度下降。目前，人造金剛石的價格已接近難熔金屬W、Mo的價格，性能也接近天然金剛石的性能。作為工程材料的銅，有著優良的導熱導電性能，其熱導率在金屬中僅次于銀，高達400W·m-1·K-1，熱膨脹系數為17×10-6k-1。
金剛石/銅復合材料（DCC，Diamond-Copper Composites）具有優異的導熱潛能，且可以通過控制復合材料中金剛石的體積分數來獲得匹配的熱膨脹系數。金剛石/銅復合材料優異的潛能成為了新一代高導熱電子封裝材料的重點研究對象。目前制備金剛石/銅復合材料比較成熟的方法主要集中在高溫高壓法、壓力浸滲法、熱壓燒結、放電等離子燒結（SPS）法，但通過這些方法制備復合材料，需要龐大的設備，耗能成品高，生產成本高，且得到的復合材料形狀單一，金剛石和金屬相容性差，難以機加工，表面質量不高。
技術實現要素：
針對現有技術存在的問題，本發明的目的是提供一種致密度高、組織分布均勻、界面厚度可控、導熱率高的金剛石/銅復合材料，其熱導率能達到370-670W.m-1.K-1,熱膨脹系數在4.5-12×10-6K之間可調，能滿足熱管理或電子封裝領域需求。
本發明還提供了一種金剛石/銅復合材料的制備方法，該工藝設備簡單、可操作性強、能耗成本低廉、可實現批量生產。
為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：
一種高導熱近凈形的金剛石/銅復合材料，所述的金剛石/銅復合材料具有三維連通結構，其從內至外依次包括金剛石顆粒骨架、過渡層、金屬銅、滲出銅。
優選地，所述過渡層從內至外依次為WC→W2C→W。
優選地，所述金屬銅填充金剛石顆粒骨架。
優選地，所述金剛石/銅復合材料的表面是一層光滑的滲出銅。
優選地，所述金剛石顆粒的粒度為80μm-130μm。
優選地，所述金剛石顆粒和良性過渡層占金剛石/銅復合材料總體積的51%-67%。
優選地，所述金屬銅和滲出銅占金剛石/銅復合材料總體積的33%-49%。
優選地，所述過渡層的厚度為0.03-4μm。
進一步優選地，所述過渡層的厚度為1-3μm。
優選地，所述滲出銅的厚度為100-250μm。
進一步優選地，所述滲出銅的厚度為180-250μm。
所述金剛石/銅復合材料的形狀可以根據產品需要進行靈活設計，其最終形狀由金剛石預制坯的成形決定。
上述的高導熱近凈形的金剛石/銅復合材料的制備方法，包括以下步驟：
（1）將金剛石顆粒進行表面凈化、除油、粗化處理；
（2）經過步驟（1）處理的金剛石顆粒與W粉按體積分數比為1:2-5投入到球磨機中，混合均勻后取出，在混合鹽浴的保護下加熱至1100℃-1200℃，保溫20-120min，隨爐冷卻，得到表面W化的金剛石顆粒；
（3）將表面W化的金剛石顆粒與粘結劑按重量比為12-16：1充分混合后，在注射成形機或金屬模具中壓制成形，脫脂后得到多孔金剛石預制坯；
（4）將銅置于金剛石預制坯的上方或下方，其中銅和金剛石預制坯的質量比為2-5:1，在氬氣氣氛中加熱至1250℃-1450℃，保溫30min-120min，隨爐冷卻，得到金剛石/銅復合材料。
優選地，所述的混合鹽為KCl和NaCl按重量比為1:1混合而得。
優選地，步驟（4）中添加的銅為銅塊。
優選地，所述的粘合劑包括以下按重量百分比計的原料：石蠟40-75%，高密度聚乙烯10-25%，硬脂酸5-10%，聚丙烯10-25%。
本發明的有益效果：
（1）本發明制備的金剛石/銅復合材料具有復雜形狀、高導熱性能、高表面質量。其熱導率可達370-670W.m-1.K-1，熱膨脹系數在4.5-12×10-6K之間可調，表面滲出銅表面質量高，為后續鍍鎳及封裝工藝提供了便利，這些性能能滿足大多數封裝材料性能需求。
（2）本發明金剛石金屬化方法工藝簡單，生成成本低，且能有效實現鍍層厚度的調控，使過渡層達到較佳狀態，既能效降低界面熱阻，又能提高兩相相容性。
（3）本發明采用近終成形+無壓熔滲工藝，有效解決了金剛石/金屬復合材料機加工難題，且能制備出具有復雜形狀的復合材料，為金剛石/銅復合材料向實際工業應用提供了多種可能。
具體實施方式
以下結合實施例對本發明的技術方案作進一步詳細描述，但本實施例并不用于限制本發明，凡是采用本發明的相似結構及其相似變化，均應列入本發明的保護范圍。
實施例1
將平均粒度為105μm的金剛石顆粒200g經表面凈化、除油、粗化處理后，與2380gW粉在球磨機中混合均勻后取出，在混合鹽浴（KCl和NaCl的質量比為1:1）保護下加熱至1150℃，保溫120min，隨爐冷卻，得到表面W化的金剛石顆粒，鎢鍍層與鎢的碳化物層厚度為3μm；將表面W化的金剛石顆粒與粘結劑（粘結劑包括以下按重量比計的原料：石蠟50%，高密度聚乙烯20%、硬脂酸10%和聚丙烯20%）按質量比為13：1充分混煉形成喂料，在注射成形機上注射成形，脫脂后得到多孔金剛石預制坯。將適量的銅置于金剛石預制坯的上方，其中銅和金剛石預制坯的質量比為3:1，在氬氣氣氛中加熱至1300℃，保溫60min，隨爐冷卻。得到的金剛石/銅復合材料熱導率為567 W.m-1.K-1，滲出銅層厚度為200μm。
實施例2
將平均粒度為105μm的金剛石顆粒200g經表面凈化、除油、粗化處理后，與3570gW粉在球磨機中混合均勻后取出，在混合鹽浴（KCl和NaCl的質量比為1:1）保護下加熱至1150℃，保溫120min，隨爐冷卻，得到表面W化的金剛石顆粒，鎢鍍層與鎢的碳化物層厚度為3μm；將表面W化的金剛石顆粒與粘結劑（粘結劑包括以下按重量比計的原料：石蠟40%，高密度聚乙烯25%、硬脂酸10%和聚丙烯25%）按質量比為13：1充分混煉形成喂料，在注射成形機上注射成形，脫脂后得到多孔金剛石預制坯。將適量的銅置于金剛石預制坯的上方，其中銅和金剛石預制坯質量比為4:1，在氬氣氣氛中加熱至1400℃，保溫60min，隨爐冷卻。得到的金剛石/銅復合材料熱導率為498 W.m-1.K-1，滲出銅層厚度為250μm。
實施例3
將平均粒度為105μm的金剛石顆粒20g經表面凈化、除油、粗化處理后，與357gW粉在球磨機中混合均勻后取出，在混合鹽浴（KCl和NaCl的質量比為1:1）浴保護下加熱至1150℃，保溫20min，隨爐冷卻，得到表面W化的金剛石顆粒，鎢鍍層與鎢的碳化物層厚度為1μm；將表面W化的金剛石顆粒與粘結劑（粘結劑包括以下按重量比計的原料：石蠟60%，高密度聚乙烯16%、硬脂酸8%和聚丙烯16%）按質量比為13：1充分混合，在模具中壓制成形，脫脂后得到多孔金剛石預制坯；將適量的銅置于金剛石預制坯的上方，其中銅和金剛石預制坯質量比為2:1在氬氣氣氛中加熱至1300℃，保溫60min，隨爐冷卻。得到的金剛石/銅復合材料熱導率為670 W.m-1.K-1，滲出銅層厚度為180μm。