Materiales compuestos de matriz metálica de alta conductividad térmica.

Un proceso para preparar un material compuesto de matriz metálica con conductividad térmica muy alta,

comprendiendo dicho material compuesto una matriz metálica que contiene un polvo formado de partículas de diamante dispersadas en su interior, que comprende las etapas de:

(a1) proporcionar las partículas de diamante respectivas que comprenden el polvo de diamante con una capa fina de SiC poniendo en contacto dichas partículas de diamante con una especie gaseosa que contiene Si mientras se somete dichas partículas a calor a una temperatura suficiente para provocar que el Si del gas reaccione con el carbono de la superficie de las partículas de diamante, convirtiendo de esta manera la capa superficial de las partículas de diamante en una capa fina de SiC, o

(a2) proporcionar las partículas de diamante respectivas que comprenden el polvo de diamante con una capa fina de SiC preparando una mezcla de resina fenólica, polvo de Si y dicho polvo de diamante, comprimiendo dicha mezcla para formar una preforma y calentando dicha preforma a una temperatura suficiente para provocar una reacción química entre el polvo de Si y las superficies de carbono de las partículas de diamante respectivas, lo que da como resultado la formación de una capa de conversión superficial de SiC fina sobre las partículas de diamante respectivas,

(b) colocar las partículas de diamante estratificadas con SiC en una cavidad del troquel de un aparato de colada por compresión,

(c) introducir a presión la colada por compresión de un metal fundido seleccionado para formar la matriz en dicha cavidad del troquel que contiene el polvo de diamante revestido, en condiciones de calor y presión eficaces para infiltrar por presión el polvo de diamante con el metal fundido y enfriar el troquel, en el que el metal empleado para la matriz metálica consiste en aluminio, magnesio o cobre, o una aleación de uno o más de dichos metales, y el material compuesto de matriz metálica resultante tiene una conductividad térmica mayor de 300 W/m.k.

Materiales compuestos de matriz metálica de alta conductividad térmica

La invención se refiere, en general, a estructuras compuestas de matriz metálica de conductividad térmica muy alta; y, más particularmente, a tales estructuras compuestas que contienen partículas de diamante que tienen una capa fina superficial de conversión de beta-S¡C formada sobre las mismas mediante un proceso de reacción química en fase vapor. El revestimiento de SiC en estas partículas está presente como una zona de reacción, o una capa graduada, en oposición a una acumulación distinta de SiC/revestimiento sin una interfaz de conversión por difusión, que se habría obtenido mediante un proceso de revestimiento, tal como una deposición química en fase vapor de SiC sobre la superficie de diamante.

Antecedentes de la invención

Hay un considerable cuerpo bibliográfico que describe los intentos de producir materiales compuestos con conductividad térmica muy alta, por ejemplo, para su uso en encapsulado electrónico de alta potencia y otras aplicaciones de gestión térmica. Gran parte de esta bibliografía se refiere a la adición de cargas en forma de partículas a una matriz metálica, formando un material compuesto de matriz metálica (MMC). Se conoce bien el beneficio de añadir una carga en forma de partículas con una alta conductividad térmica a un metal para formar un material compuesto de matriz metálica. Las propiedades del MMC a menudo pueden optimizarse para adecuarse a los requisitos de una aplicación particular, seleccionando apropiadamente las propiedades de la carga en forma de partículas y la matriz metálica. Los ejemplos incluirían la adición de partículas de SiC a una matriz de aluminio. El SiC se humedece fácilmente con aluminio fundido y aleaciones de aluminio cuando entra en contacto con las partículas de carga. Se ha informado que los materiales compuestos de Al/SiC consiguen resistencias de 4 MPa a una carga de relleno >4 % en volumen, indicando que se ha formado un buen enlace entre las partículas de SiC y Al. El MMC compuesto de SiC en partículas y una matriz de aluminio tiene ventajas sobre las estructuras de Al puro en términos de coeficiente de expansión térmica (CTE), rigidez y resistencia al desgaste.

En general, sin embargo, la conductividad térmica de los MMC de Al/SiC no satisfacen las expectativas deseadas. La conductividad térmica del aluminio puro es -2 W/m.k y la conductividad térmica de las partículas de SiC cristalino puro es -32 W/m.k. Los valores de conductividad térmica para los MMC de Al/SiC generalmente son <2 W/m.k y típicamente <18 W/m.k (ref. 1-5). Estos MMC de Al/SiC se consolidaron mediante procesos tales como colada con agitación, metalurgia en polvo o infiltración en estado fundido a baja presión o sin presión. Estos métodos son relativamente lentos y tienen un tiempo de residencia considerable cuando el aluminio está en el estado fundido, permitiendo que el SiC reaccione con el Al fundido formando carburo de aluminio. Una reacción ejemplares:

Al + 3SÍC = AI4C3 + 3S¡ (1)

Por esta razón, estos procesos generalmente requieren el uso de aleaciones Ai-Si que disminuyen la actividad del Si y reducen la cinética de la reacción adversa del carburo durante los largos tiempos de contacto con el aluminio fundido. Estas aleaciones Al/Si generalmente tienen una menor conductividad térmica que el aluminio puro, reduciendo de esta manera la conductividad térmica del MMC de SiC/AI. Como alternativa, el uso de infiltración metálica rápida a alta presión (denominada también colada por compresión) para consolidar los materiales compuestos de aluminio reforzados con partículas da como resultado una consolidación mucho más rápida del material compuesto. Los tiempos de exposición de las partículas al aluminio fundido generalmente son segundos al contrario de horas para los procesos sin presión descritos anteriormente. Como resultado de la rápida consolidación con la colada por compresión, puede usarse aluminio puro y podrían esperarse conductividades térmicas de hasta aproximadamente 225 W/m.k para cargas de SiC de -55 % en volumen del material compuesto.

Ciertas propiedades del diamante lo hacen particularmente atractivo como una posible carga para los MMC de alta conductividad térmica. La conductividad térmica del diamante es de aproximadamente 7-2 W/m.k dependiendo de la perfección cristalina. También tiene un bajo CTE (aproximadamente 1 p.p.m/grado centígrado). Sin embargo, los investigadores que usan procesos de consolidación para MMC de diamante/aluminio con un largo tiempo de exposición para el contacto del diamante con el aluminio fundido han sido incapaces de obtener altos niveles de conductividad térmica. Se ha informado que los materiales compuestos que comprenden una matriz de aluminio que contiene un 5 % en volumen de partículas de diamante industriales tienen una conductividad térmica <2 W/m.k (Johnson y Sonuparlac, ref. 3). Un examen micro-estructural de los diamantes en el material compuesto reveló la presencia de una capa superficial gruesa de carburo de aluminio (AI4C3) sobre las partículas de diamante. Esta capa superficial se forma mediante la reacción mostrada en la ecuación (2).

3C + 4AI = AI4C3 (2)

En general, se reconoce que el carburo de aluminio tiene una baja conductividad térmica y es hidroscópico. Las partículas de diamante con la capa gruesa de carburo de aluminio formada sobre la superficie, en efecto, funcionan más como una partícula de carburo de aluminio que como una partícula de diamante, dando como resultado una pobre conductividad térmica para el material compuesto.

El revestimiento de las partículas de diamante con una capa protectora antes de poner en contacto las partículas de diamante con aluminio fundido formando el material compuesto de aluminio puede evitar la reacción para formar AI4C3. La aplicación de un revestimiento de SiC distinto sobre las partículas de diamante y la posterior formación del material compuesto con Al se ha descrito en la biografía (ref. 6). Un lecho suelto de polvo de diamante industrial (Beta Diamond Products), con un tamaño de partícula de 4-5 micrómetros, se revistió con SiC usando un proceso de deposición química en fase vapor de la serie de partículas de diamante, que se denominó infiltración química en fase vapor, o CVI, por otros autores. En este proceso CVI, se aplica o deposita un revestimiento de SiC distinto sobre la superficie de las partículas de diamante. (Se sabe que la técnica que la deposición de SiC por el proceso CVI ocurre a aproximadamente 1 grados centígrados). Johnson y Sonuparlac estimaron que el espesor del revestimiento de SiC variaba entre ,41 y 1,6 micrómetros, dependiendo de las condiciones del proceso. Estimaron adicionalmente que el contenido de SiC total de las partículas de diamante revestidas era del 3% al 11 % en volumen. Se observó que la serie de partículas preformadas se habían endurecido mediante el revestimiento de SiC por CVI. Las preformas de diamante revestidas con SiC se infiltraron mediante un proceso de infiltración de metal sin presión, usando una aleación AI-15 Si-5 Mg % en peso. Las condiciones de proceso se optimizaron para asegurar una infiltración completa de la preforma. Las propiedades pertinentes de los MMC se muestran en la tabla I.