从专利角度分析镁基复合材料中可借鉴的技术

汪玲玲

（有色金属技术经济研究院有限责任公司，北京 100080）

1 引言

随着我国航空航天事业的蓬勃发展，对空间遥感器、高精度机载雷达天线、精密导航等光学测量系统结构件用的金属基复合材料的要求越来越苛刻。一方面要求材料具有低的热膨胀系数和较高的热导热系数，另一方面要求材料为轻质金属。SiC/Al复合材料已经应用于空间遥感器、月球探测器等领域，但镁作为结构材料中最轻的金属，其密度只有1.74g/cm3，仅为铝的2/3，热导率为156W/(m·K)，仅次于铝。且镁的矿藏非常丰富，现已发现60多种含镁矿藏，同时，海水中更是蕴藏了丰富的镁，溶解在海水中镁的总量高达6×1016吨。镁合金具有高的比强度和比刚度、较强的电磁屏蔽能力、良好的导热性、阻尼性能好、较好的机械加工性能和优良的铸造性能，加之其容易回收，被誉为21世纪的绿色功能材料。因此，镁基复合材料有望替代目前空间用的铝基复合材料。

2 镁基复合材料的热性能研究现状及存在的问题

低膨胀、高导热镁基复合材料的增强相主要为SiC、金刚石以及石墨颗粒等。SiC颗粒是目前颗粒增强镁基复合材料研究最多的增强相，原因是：SiC与Mg复合之后，其界面光滑，无界面反应层，另外，SiC具有高硬度、耐磨性好、稳定性好、与镁合金润湿性较好、价格低廉等优点。金刚石的热导率是已知材料中最高的，室温下为2000W/(m·K)，大约是良导体铜的5倍。金刚石热膨胀系数与温度成正比关系，随温度的上升而线性增大，一般为15×10-5～48×10-5/K。纳米金刚石除具纳米材料和金刚石的一些基本性质外还具有其特殊的性质，如化学活性大，德拜温度低等，因此将其作为增强相与高导热金属复合，理论上应具有优良的导热性能。但金刚石由于本身的结构稳定性和显著的化学惰性而极难与金属基体实现良好的界面结合，从而限制了金刚石优异性能的充分发挥。除了金刚石和SiC增强相提高金属基复合材料的导热性能之外，石墨增强金属基复合材料也是研究的热点之一，但石墨材料的种类很多，由于微晶大小及取向的差异，或者形状及空间分布的不同，其热导率表现出极大的差异。

目前，国内对镁基复合材料的热性能方面的研究较少，大部分的研究还基于提高镁基复合材料的力学性能，如提高其抗拉强度、硬度或弹性模量等。仅有几所大学研究了镁基复合材料的热物理性能，如哈尔滨工业大学丁超研究了金刚石颗粒增强AZ91镁基复合材料的应力、第二相及颗粒对复合材料热膨胀系数的影响，南昌大学的陈超采用真空地压浸渗法制备了体积分数47%的SiCp/Mg基复合材料，并结合现有的理论模型讨论了分析了SiC颗粒尺寸、基体合金和热处理对复合材料热膨胀系数和热导率的影响规律。其中，SiCp/AZ91D复合材料的热膨胀系数随着颗粒尺寸的增大呈现先降低后波动上升的趋势，其值在1.25-1.35×10-5/K；SiCp/AZ91D复合材料的热导率随着颗粒尺寸的增加表现出先降后缓慢升高的趋势，其值在85-110 W/(m .K)。但检索近几年的专利发现，国内许昌学院、青海大学已经申请了纳米金刚石增强镁基复合材料相关专利，该专利中提及了研制出的纳米金刚石增强镁基复合材料的导热系数最高为330W/(m .K)，热膨胀系数2.4-3.2×10-5/K。而国外有文献已报道了通过添加高导热碳纤维、金刚石颗粒获得具有较好的热物理性能的镁基复合材料，如日本住友电工已经可以提供SiCp/Mg复合材料热管理产品，热导率(230W/m·K))比SiCp/Al复合材料产品提高15%以上，同时密度可降低6%以上 (小于2.8g/cm3) ，从而比热导率提高18%以上，对航天领域“克克计较”的轻量化设计而言有着特殊的重要意义。西班牙阿利坎特大学报道了采用气体压力液相浸渗制备的体积分数61%～76%的金刚石/镁(Diamond/Mg)复合材料，热导率高达700W/m·K)，密度为3.03g/cm3，比相同导热性能的Diamond/Al复合材料降低8%，拉开了热管理用高热导率镁基复合材料的研究序幕。

由此可见，我国镁基复合材料的热物理性能还有待于提高，而国外技术相对来说发展较成熟，况且，专利作为技术创新的成果体现和承载科学技术情报信息的工具，能反映出科学技术的发展方向，通过对专利说明书、权利要求书等专利信息进行分析研究，可以将专利中的信息转化为有用的技术情报，能够给予技术人员一些技术启发，进而实现低膨胀、高导热镁基复合材料的开发。

3 可借鉴的专利技术

日本有很多专利对我国低膨胀、高导热镁基复合材料的研发有很大的启示，日本丰田汽车申请的JP2003183748A能够为国内研究人员提供创新思路，该专利对SiC进行了高温氧化处理，使其表面生成了氧化层（SiO2），并严格控制了氧化层的厚度。通过对SiC进行氧化处理后，获得10%SiC的AZ91D镁基复合材料的的热导率为180 W/(m·K)以上，膨胀系数0.4-1×10-5/K，可以作为芯片的散热元件。

另外，日本住友公司的专利JP5645048B2通过将熔化的镁或熔化的镁合金渗入到由金刚石粉末和硅粉制成的粉末压坯中，在渗透之前，将粉末压块加热到规定的Si熔点或更高的保持温度，将粉末压块的表面转化为SiC，并且进一步氧化以便将SiC的至少表面侧部分转化为氧化硅。当包括氧化硅的氧化压块与熔融的Mg接触时，通过与氧化硅的反应，生成Mg2Si。其中形成氧化硅的氧化压块与熔融镁具有优异的润湿性，通过Mg2Si颗粒增强，能够获得导热系数为500W/(m·K)以上，膨胀系数为0.2×10-5/K的镁基复合材料，非常适用于半导体散热元件，也可以作为空间材料应用于火箭、导弹上。

类似的技术如美国专利US7988758B2，该专利提供了一种具有高导热性的含不连续金刚石颗粒的金属基复合材料及其制备方法，该方法在金刚石颗粒上产生薄的、具有扩散连接的功能且梯度交互的SiC表面层。然后将交互表面转化的SiC涂层金刚石颗粒置于模具中和颗粒之间，并允许其在压力下快速固化。金刚石颗粒表面SiC涂层与金属基体的界面热阻最小，从而使复合材料具有良好的机械强度和刚度，并使复合材料的导热系数达到650 W/(m·K)。

通过上述重点专利的分析，可以发现，利用在金钢石表面涂覆SiC能够获得较高的导热系数和低的膨胀系数的镁基复合材料，因此，建议我国相关研究人员借鉴上述专利的技术思路，争取早日突破低膨胀、高导热镁基复合材料的技术瓶颈，为相控阵雷达、高能固体激光器提供优质的散热材料。

4 总结与展望

国外已经有很多镁基复合材料应用到螺旋桨、导弹尾翼等零件上，由此可知，国外镁基复合材料制备技术已经非常成熟，而我国镁基复合材料还处于研发阶段，实际应用罕见报道，也未形成有规模的产业。尤其是镁基复合材料的热物理性能研究方面，制备低膨胀、高导热镁基复合材料成为我国的技术瓶颈，日本，美国的相关专利为我国技术人员提供了突破瓶颈的技术研发思路，但同时也设置了专利壁垒，我国研发者应该密切跟踪国外相关专利技术，缩短技术研发时间，尽快研发出低膨胀、高导热镁基复合材料，助力我国航空航天事业蓬勃发展。