從專利角度分析鎂基復合材料中可借鑒的技術

汪玲玲

（有色金屬技術經濟研究院有限責任公司，北京 100080）

1 引言

隨著我國航空航天事業的蓬勃發展，對空間遙感器、高精度機載雷達天線、精密導航等光學測量系統結構件用的金屬基復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和較高的熱導熱系數，另一方面要求材料為輕質金屬。SiC/Al復合材料已經應用于空間遙感器、月球探測器等領域，但鎂作為結構材料中最輕的金屬，其密度只有1.74g/cm3，僅為鋁的2/3，熱導率為156W/(m·K)，僅次于鋁。且鎂的礦藏非常豐富，現已發現60多種含鎂礦藏，同時，海水中更是蘊藏了豐富的鎂，溶解在海水中鎂的總量高達6×1016噸。鎂合金具有高的比強度和比剛度、較強的電磁屏蔽能力、良好的導熱性、阻尼性能好、較好的機械加工性能和優良的鑄造性能，加之其容易回收，被譽為21世紀的綠色功能材料。因此，鎂基復合材料有望替代目前空間用的鋁基復合材料。

2 鎂基復合材料的熱性能研究現狀及存在的問題

低膨脹、高導熱鎂基復合材料的增強相主要為SiC、金剛石以及石墨顆粒等。SiC顆粒是目前顆粒增強鎂基復合材料研究最多的增強相，原因是：SiC與Mg復合之后，其界面光滑，無界面反應層，另外，SiC具有高硬度、耐磨性好、穩定性好、與鎂合金潤濕性較好、價格低廉等優點。金剛石的熱導率是已知材料中最高的，室溫下為2000W/(m·K)，大約是良導體銅的5倍。金剛石熱膨脹系數與溫度成正比關系，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外還具有其特殊的性質，如化學活性大，德拜溫度低等，因此將其作為增強相與高導熱金屬復合，理論上應具有優良的導熱性能。但金剛石由于本身的結構穩定性和顯著的化學惰性而極難與金屬基體實現良好的界面結合，從而限制了金剛石優異性能的充分發揮。除了金剛石和SiC增強相提高金屬基復合材料的導熱性能之外，石墨增強金屬基復合材料也是研究的熱點之一，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，其熱導率表現出極大的差異。

目前，國內對鎂基復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合材料的力學性能，如提高其抗拉強度、硬度或彈性模量等。僅有幾所大學研究了鎂基復合材料的熱物理性能，如哈爾濱工業大學丁超研究了金剛石顆粒增強AZ91鎂基復合材料的應力、第二相及顆粒對復合材料熱膨脹系數的影響，南昌大學的陳超采用真空地壓浸滲法制備了體積分數47%的SiCp/Mg基復合材料，并結合現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合材料熱膨脹系數和熱導率的影響規律。其中，SiCp/AZ91D復合材料的熱膨脹系數隨著顆粒尺寸的增大呈現先降低后波動上升的趨勢，其值在1.25-1.35×10-5/K；SiCp/AZ91D復合材料的熱導率隨著顆粒尺寸的增加表現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現，國內許昌學院、青海大學已經申請了納米金剛石增強鎂基復合材料相關專利，該專利中提及了研制出的納米金剛石增強鎂基復合材料的導熱系數最高為330W/(m .K)，熱膨脹系數2.4-3.2×10-5/K。而國外有文獻已報道了通過添加高導熱碳纖維、金剛石顆粒獲得具有較好的熱物理性能的鎂基復合材料，如日本住友電工已經可以提供SiCp/Mg復合材料熱管理產品，熱導率(230W/m·K))比SiCp/Al復合材料產品提高15%以上，同時密度可降低6%以上 (小于2.8g/cm3) ，從而比熱導率提高18%以上，對航天領域“克克計較”的輕量化設計而言有著特殊的重要意義。西班牙阿利坎特大學報道了采用氣體壓力液相浸滲制備的體積分數61%～76%的金剛石/鎂(Diamond/Mg)復合材料，熱導率高達700W/m·K)，密度為3.03g/cm3，比相同導熱性能的Diamond/Al復合材料降低8%，拉開了熱管理用高熱導率鎂基復合材料的研究序幕。

由此可見，我國鎂基復合材料的熱物理性能還有待于提高，而國外技術相對來說發展較成熟，況且，專利作為技術創新的成果體現和承載科學技術情報信息的工具，能反映出科學技術的發展方向，通過對專利說明書、權利要求書等專利信息進行分析研究，可以將專利中的信息轉化為有用的技術情報，能夠給予技術人員一些技術啟發，進而實現低膨脹、高導熱鎂基復合材料的開發。

3 可借鑒的專利技術

日本有很多專利對我國低膨脹、高導熱鎂基復合材料的研發有很大的啟示，日本豐田汽車申請的JP2003183748A能夠為國內研究人員提供創新思路，該專利對SiC進行了高溫氧化處理，使其表面生成了氧化層（SiO2），并嚴格控制了氧化層的厚度。通過對SiC進行氧化處理后，獲得10%SiC的AZ91D鎂基復合材料的的熱導率為180 W/(m·K)以上，膨脹系數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定的Si熔點或更高的保持溫度，將粉末壓塊的表面轉化為SiC，并且進一步氧化以便將SiC的至少表面側部分轉化為氧化硅。當包括氧化硅的氧化壓塊與熔融的Mg接觸時，通過與氧化硅的反應，生成Mg2Si。其中形成氧化硅的氧化壓塊與熔融鎂具有優異的潤濕性，通過Mg2Si顆粒增強，能夠獲得導熱系數為500W/(m·K)以上，膨脹系數為0.2×10-5/K的鎂基復合材料，非常適用于半導體散熱元件，也可以作為空間材料應用于火箭、導彈上。

類似的技術如美國專利US7988758B2，該專利提供了一種具有高導熱性的含不連續金剛石顆粒的金屬基復合材料及其制備方法，該方法在金剛石顆粒上產生薄的、具有擴散連接的功能且梯度交互的SiC表面層。然后將交互表面轉化的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，從而使復合材料具有良好的機械強度和剛度，并使復合材料的導熱系數達到650 W/(m·K)。

通過上述重點專利的分析，可以發現，利用在金鋼石表面涂覆SiC能夠獲得較高的導熱系數和低的膨脹系數的鎂基復合材料，因此，建議我國相關研究人員借鑒上述專利的技術思路，爭取早日突破低膨脹、高導熱鎂基復合材料的技術瓶頸，為相控陣雷達、高能固體激光器提供優質的散熱材料。

4 總結與展望

國外已經有很多鎂基復合材料應用到螺旋槳、導彈尾翼等零件上，由此可知，國外鎂基復合材料制備技術已經非常成熟，而我國鎂基復合材料還處于研發階段，實際應用罕見報道，也未形成有規模的產業。尤其是鎂基復合材料的熱物理性能研究方面，制備低膨脹、高導熱鎂基復合材料成為我國的技術瓶頸，日本，美國的相關專利為我國技術人員提供了突破瓶頸的技術研發思路，但同時也設置了專利壁壘，我國研發者應該密切跟蹤國外相關專利技術，縮短技術研發時間，盡快研發出低膨脹、高導熱鎂基復合材料，助力我國航空航天事業蓬勃發展。