從專利角度分析鎂基復(fù)合材料中可借鑒的技術(shù)

汪玲玲

（有色金屬技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100080）

1 引言

隨著我國航空航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，對空間遙感器、高精度機(jī)載雷達(dá)天線、精密導(dǎo)航等光學(xué)測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件用的金屬基復(fù)合材料的要求越來越苛刻。一方面要求材料具有低的熱膨脹系數(shù)和較高的熱導(dǎo)熱系數(shù)，另一方面要求材料為輕質(zhì)金屬。SiC/Al復(fù)合材料已經(jīng)應(yīng)用于空間遙感器、月球探測器等領(lǐng)域，但鎂作為結(jié)構(gòu)材料中最輕的金屬，其密度只有1.74g/cm3，僅為鋁的2/3，熱導(dǎo)率為156W/(m·K)，僅次于鋁。且鎂的礦藏非常豐富，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)60多種含鎂礦藏，同時(shí)，海水中更是蘊(yùn)藏了豐富的鎂，溶解在海水中鎂的總量高達(dá)6×1016噸。鎂合金具有高的比強(qiáng)度和比剛度、較強(qiáng)的電磁屏蔽能力、良好的導(dǎo)熱性、阻尼性能好、較好的機(jī)械加工性能和優(yōu)良的鑄造性能，加之其容易回收，被譽(yù)為21世紀(jì)的綠色功能材料。因此，鎂基復(fù)合材料有望替代目前空間用的鋁基復(fù)合材料。

2 鎂基復(fù)合材料的熱性能研究現(xiàn)狀及存在的問題

低膨脹、高導(dǎo)熱鎂基復(fù)合材料的增強(qiáng)相主要為SiC、金剛石以及石墨顆粒等。SiC顆粒是目前顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料研究最多的增強(qiáng)相，原因是：SiC與Mg復(fù)合之后，其界面光滑，無界面反應(yīng)層，另外，SiC具有高硬度、耐磨性好、穩(wěn)定性好、與鎂合金潤濕性較好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。金剛石的熱導(dǎo)率是已知材料中最高的，室溫下為2000W/(m·K)，大約是良導(dǎo)體銅的5倍。金剛石熱膨脹系數(shù)與溫度成正比關(guān)系，隨溫度的上升而線性增大，一般為15×10-5～48×10-5/K。納米金剛石除具納米材料和金剛石的一些基本性質(zhì)外還具有其特殊的性質(zhì)，如化學(xué)活性大，德拜溫度低等，因此將其作為增強(qiáng)相與高導(dǎo)熱金屬復(fù)合，理論上應(yīng)具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能。但金剛石由于本身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和顯著的化學(xué)惰性而極難與金屬基體實(shí)現(xiàn)良好的界面結(jié)合，從而限制了金剛石優(yōu)異性能的充分發(fā)揮。除了金剛石和SiC增強(qiáng)相提高金屬基復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能之外，石墨增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料也是研究的熱點(diǎn)之一，但石墨材料的種類很多，由于微晶大小及取向的差異，或者形狀及空間分布的不同，其熱導(dǎo)率表現(xiàn)出極大的差異。

目前，國內(nèi)對鎂基復(fù)合材料的熱性能方面的研究較少，大部分的研究還基于提高鎂基復(fù)合材料的力學(xué)性能，如提高其抗拉強(qiáng)度、硬度或彈性模量等。僅有幾所大學(xué)研究了鎂基復(fù)合材料的熱物理性能，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)丁超研究了金剛石顆粒增強(qiáng)AZ91鎂基復(fù)合材料的應(yīng)力、第二相及顆粒對復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的影響，南昌大學(xué)的陳超采用真空地壓浸滲法制備了體積分?jǐn)?shù)47%的SiCp/Mg基復(fù)合材料，并結(jié)合現(xiàn)有的理論模型討論了分析了SiC顆粒尺寸、基體合金和熱處理對復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率的影響規(guī)律。其中，SiCp/AZ91D復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)隨著顆粒尺寸的增大呈現(xiàn)先降低后波動上升的趨勢，其值在1.25-1.35×10-5/K；SiCp/AZ91D復(fù)合材料的熱導(dǎo)率隨著顆粒尺寸的增加表現(xiàn)出先降后緩慢升高的趨勢，其值在85-110 W/(m .K)。但檢索近幾年的專利發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)許昌學(xué)院、青海大學(xué)已經(jīng)申請了納米金剛石增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料相關(guān)專利，該專利中提及了研制出的納米金剛石增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)最高為330W/(m .K)，熱膨脹系數(shù)2.4-3.2×10-5/K。而國外有文獻(xiàn)已報(bào)道了通過添加高導(dǎo)熱碳纖維、金剛石顆粒獲得具有較好的熱物理性能的鎂基復(fù)合材料，如日本住友電工已經(jīng)可以提供SiCp/Mg復(fù)合材料熱管理產(chǎn)品，熱導(dǎo)率(230W/m·K))比SiCp/Al復(fù)合材料產(chǎn)品提高15%以上，同時(shí)密度可降低6%以上 (小于2.8g/cm3) ，從而比熱導(dǎo)率提高18%以上，對航天領(lǐng)域“克克計(jì)較”的輕量化設(shè)計(jì)而言有著特殊的重要意義。西班牙阿利坎特大學(xué)報(bào)道了采用氣體壓力液相浸滲制備的體積分?jǐn)?shù)61%～76%的金剛石/鎂(Diamond/Mg)復(fù)合材料，熱導(dǎo)率高達(dá)700W/m·K)，密度為3.03g/cm3，比相同導(dǎo)熱性能的Diamond/Al復(fù)合材料降低8%，拉開了熱管理用高熱導(dǎo)率鎂基復(fù)合材料的研究序幕。

由此可見，我國鎂基復(fù)合材料的熱物理性能還有待于提高，而國外技術(shù)相對來說發(fā)展較成熟，況且，專利作為技術(shù)創(chuàng)新的成果體現(xiàn)和承載科學(xué)技術(shù)情報(bào)信息的工具，能反映出科學(xué)技術(shù)的發(fā)展方向，通過對專利說明書、權(quán)利要求書等專利信息進(jìn)行分析研究，可以將專利中的信息轉(zhuǎn)化為有用的技術(shù)情報(bào)，能夠給予技術(shù)人員一些技術(shù)啟發(fā)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低膨脹、高導(dǎo)熱鎂基復(fù)合材料的開發(fā)。

3 可借鑒的專利技術(shù)

日本有很多專利對我國低膨脹、高導(dǎo)熱鎂基復(fù)合材料的研發(fā)有很大的啟示，日本豐田汽車申請的JP2003183748A能夠?yàn)閲鴥?nèi)研究人員提供創(chuàng)新思路，該專利對SiC進(jìn)行了高溫氧化處理，使其表面生成了氧化層（SiO2），并嚴(yán)格控制了氧化層的厚度。通過對SiC進(jìn)行氧化處理后，獲得10%SiC的AZ91D鎂基復(fù)合材料的的熱導(dǎo)率為180 W/(m·K)以上，膨脹系數(shù)0.4-1×10-5/K，可以作為芯片的散熱元件。

另外，日本住友公司的專利JP5645048B2通過將熔化的鎂或熔化的鎂合金滲入到由金剛石粉末和硅粉制成的粉末壓坯中，在滲透之前，將粉末壓塊加熱到規(guī)定的Si熔點(diǎn)或更高的保持溫度，將粉末壓塊的表面轉(zhuǎn)化為SiC，并且進(jìn)一步氧化以便將SiC的至少表面?zhèn)炔糠洲D(zhuǎn)化為氧化硅。當(dāng)包括氧化硅的氧化壓塊與熔融的Mg接觸時(shí)，通過與氧化硅的反應(yīng)，生成Mg2Si。其中形成氧化硅的氧化壓塊與熔融鎂具有優(yōu)異的潤濕性，通過Mg2Si顆粒增強(qiáng)，能夠獲得導(dǎo)熱系數(shù)為500W/(m·K)以上，膨脹系數(shù)為0.2×10-5/K的鎂基復(fù)合材料，非常適用于半導(dǎo)體散熱元件，也可以作為空間材料應(yīng)用于火箭、導(dǎo)彈上。

類似的技術(shù)如美國專利US7988758B2，該專利提供了一種具有高導(dǎo)熱性的含不連續(xù)金剛石顆粒的金屬基復(fù)合材料及其制備方法，該方法在金剛石顆粒上產(chǎn)生薄的、具有擴(kuò)散連接的功能且梯度交互的SiC表面層。然后將交互表面轉(zhuǎn)化的SiC涂層金剛石顆粒置于模具中和顆粒之間，并允許其在壓力下快速固化。金剛石顆粒表面SiC涂層與金屬基體的界面熱阻最小，從而使復(fù)合材料具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和剛度，并使復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到650 W/(m·K)。

通過上述重點(diǎn)專利的分析，可以發(fā)現(xiàn)，利用在金鋼石表面涂覆SiC能夠獲得較高的導(dǎo)熱系數(shù)和低的膨脹系數(shù)的鎂基復(fù)合材料，因此，建議我國相關(guān)研究人員借鑒上述專利的技術(shù)思路，爭取早日突破低膨脹、高導(dǎo)熱鎂基復(fù)合材料的技術(shù)瓶頸，為相控陣?yán)走_(dá)、高能固體激光器提供優(yōu)質(zhì)的散熱材料。

4 總結(jié)與展望

國外已經(jīng)有很多鎂基復(fù)合材料應(yīng)用到螺旋槳、導(dǎo)彈尾翼等零件上，由此可知，國外鎂基復(fù)合材料制備技術(shù)已經(jīng)非常成熟，而我國鎂基復(fù)合材料還處于研發(fā)階段，實(shí)際應(yīng)用罕見報(bào)道，也未形成有規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。尤其是鎂基復(fù)合材料的熱物理性能研究方面，制備低膨脹、高導(dǎo)熱鎂基復(fù)合材料成為我國的技術(shù)瓶頸，日本，美國的相關(guān)專利為我國技術(shù)人員提供了突破瓶頸的技術(shù)研發(fā)思路，但同時(shí)也設(shè)置了專利壁壘，我國研發(fā)者應(yīng)該密切跟蹤國外相關(guān)專利技術(shù)，縮短技術(shù)研發(fā)時(shí)間，盡快研發(fā)出低膨脹、高導(dǎo)熱鎂基復(fù)合材料，助力我國航空航天事業(yè)蓬勃發(fā)展。