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ES2486846T3 - Materiales compuestos de matriz metálica de alta conductividad térmica - Google Patents

Materiales compuestos de matriz metálica de alta conductividad térmica Download PDF

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ES2486846T3 ES04809792.7T ES04809792T ES2486846T3 ES 2486846 T3 ES2486846 T3 ES 2486846T3 ES 04809792 T ES04809792 T ES 04809792T ES 2486846 T3 ES2486846 T3 ES 2486846T3
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Abstract

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.

Description

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proporciona una interfaz térmica mucho mejor que el revestimiento de CVI.
El papel del SiC en el acoplamiento acústico puede entenderse mejor mediante el siguiente análisis. Tratando los fonones de acuerdo con la teoría de ondas, y suponiendo ondas acústicas transversales a una incidencia normal, el coeficiente de reflexión (de intensidad) en un límite entre dos materiales diferentes se da como:
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Donde Z es la impedancia acústica, igual a la raíz cuadrada del producto de la densidad de masa y el módulo elástico. Claramente, la reflexión mínima y, por lo tanto, la transmisión máxima ocurren cuando Z1 = Z2. La reflexión y, por lo tanto, la dispersión de fonones, aumenta a medida que aumenta delta Z. En el caso de la conductividad térmica, la impedancia acústica óptima para un material de revestimiento sería:
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La Tabla II da la impedancia acústica de los materiales pertinentes. Obsérvese que la impedancia acústica del SiC es parecida a la impedancia coincidente óptima calculada a partir de la Ecuación 7 (276x105 kg/m.s calculada frente a 310x105 kg/m.s para SiC) para una interfaz Al-diamante. Esto predeciría el excelente rendimiento del diamante revestido por conversión de SiC en la matriz de aluminio.
Tabla II. Impedancia acústica de diversos materiales Al Diamante SiC Z(105 kg/ms): 136 561 310
En la Figura 1 se ilustra un proceso preferido para revestir el polvo de diamante en forma de partículas. Las partículas de diamante se colocan sobre un tejido de SiC de soporte, que se después coloca en un crisol y se calienta a la temperatura de reacción. El crisol se coloca en un horno, en el cual se genera una presión parcial de SiO mediante una reacción entre SiO2 y un agente reductor tal como Si o C. Después de un tiempo predeterminado a la temperatura para que se complete la reacción de conversión de SiO-diamante, el horno se enfría y el tejido que soporta los diamantes revestidos se retira del crisol. Las partículas de diamante revestidas por conversión de SiC se retiran del tejido por desprendimiento del tejido de los diamantes revestidos. Cualquier aglomerado entonces se rompe por agitación mecánica.
La reacción entre el diamante y el SiO para formar diamante revestido con SiC generalmente transcurrirá más rápido a medida que aumenta la temperatura del proceso. Sin embargo, a un cierto umbral de temperatura, el diamante puede convertirse en grafito. Para establecer las condiciones limitantes en el aparato de la Figura 1, se realizaron los siguientes experimentos. Se colocaron partículas de diamante (Synthetic Diamond de Oshmens Corp.) en un crisol y se calentaron a 1550 grados centígrados y 1600 grados centígrados durante hasta 4 horas. La difracción por rayos X (XRD) de los polvos tratados con calor indicaba el patrón para diamante, sin evidencia de grafito. En un experimento separado, el polvo de diamante, que se había hecho reaccionar con SiO (Tabla III, Experimento 4), se calentó a 1660 grados centígrados durante 3 horas. El patrón de XRD no dio indicación de ninguna conversión de diamante a grafito. Sin embargo, cuando el mismo polvo se calentó a 1800 grados centígrados durante 8 horas, el patrón XRD en esta muestra mostró un gran pico de grafito, un pico de diamante ensanchado, y un pico de SiC a partir de la reacción de conversión de SiC. La conversión significativa de diamante a grafito después de 8 horas a 1800 grados centígrados condujo a una decisión de restringir las reacciones de diamante-SiO para reducir el tiempo y/o la temperatura.
Se realizaron una serie de ensayos en horno para hacer reaccionar a las partículas de diamante con SiO. El generador de SiO (g) para la conversión de partículas de diamante se preparó añadiendo relaciones equimolares de silicio (Si) y sílice (SiO2). La sílice usada tenía un tamaño de partícula de 150-300 micrómetros. La mezcla se molió durante 1 hora usando un medio de molienda de alúmina. La reacción del Si y el SiO2 transcurre más rápido a medida que se reduce el tamaño de partícula del SiO2. Para minimizar este efecto, se usó sílice del mismo tamaño de partícula (150-300 micrómetros) y el tiempo de molienda se fijó a 1 hora.
Se hizo reaccionar polvo de diamante con un tamaño de partícula variable, de 0,5 micrómetros a 120 micrómetros, a temperaturas que variaban de 1450 grados centígrados a 1600 grados centígrados durante tiempos de 1-8 horas. Las partículas de diamante revestidas se examinaron después por XRD. Los experimentos se resumen en la Tabla
III. Los espectros de XRD de los diamantes mostraron un cambio que se atribuye a la presencia de una pequeña concentración de SiC.
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Tabla III Ensayos experimentales para preparar diamantes revestidos con SiC por reacción con SiO
Exp. Nº
Tamaño de partícula de diamante (micrómetros) Temperatura Máxima (C) Tiempo a Temp Máx. (h) Relación altura de pico XRD SiC/diamante
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
15-30 1450 1 0,026 15-30 1550 3 0,073 120-150 1550 3 0,017 100-120 1550 3 0,014 30-40 1550 3 0,064 40-50 1550 3 0,014 100-120 1550 3 0,023 100-120 1550 3 0,015 100-120 1600 4 0,035 100-120 1600 4 0,034 100-120 1450 8 0,032 100-120 1550 3 0,041 100-120 1550 3 0,033 0,5-2,0 1550 3 0,595 0,5-2,0 1450 3 0,138 0,5-2,0 1450 1 0,111 0,5-2,0 1420 3 0,103
La última columna de la Tabla III muestra la relación de altura de pico para beta-SiC a 2theta = 35,7 respecto a la altura de pico para diamante a 2theta = 44,0. Aunque la relación de alturas de pico por XRD no es un procedimiento cuantitativo para el análisis composicional, permite una estimación aproximada del contenido relativo (aunque no absoluto) de SiC a diamante en los polvos reaccionados. Los datos en la Tabla III indican la variable con el mayor impacto sobre la formación de SiC en el tamaño de partícula del diamante. La relación de altura de pico de SiC a diamante generalmente es de 0,01-0,04 para 100-120 micrómetros de partículas de diamante, 0,03-0,07 para 15-30 micrómetros de diamante y 0,1-0,6 para 0,5-2 micrómetros de diamante. De esta manera las mayores partículas de diamante parecen tener el menor contenido de SiC. Para un diamante con tamaño de partícula dado, un aumento en la temperatura y el tiempo para la reacción generalmente da como resultado una mayor relación de altura de pico de SiC a altura de pico de diamante. Dada esta información y la suposición de esta invención, sería de esperar que la mayor conductividad térmica para un material compuesto se obtuviera usando los diamantes que tienen la menor relación de altura de pico XRD de SiC a altura de pico XRD de diamante. Uno de estos polvos de diamante sería del Experimento 4, Tabla III, con un tamaño de partícula de 100-120 micrómetros y reaccionado durante 3 horas a 1550 grados centígrados con SiO. A la inversa, podría esperarse que el polvo de diamante con un tamaño de partícula de 0,5-2,0 micrómetros produjera materiales compuestos con la menor conductividad térmica.
REALIZACIÓN DE LA FIGURA 2
La Figura 2 es un esquema del conjunto de colada por compresión para formar los materiales compuestos de matriz metálica de diamante. El polvo de diamante se pone directamente en la cavidad del troquel de una herramienta con troquel de acero y se agita para conseguir la densidad de compactación completa. El lecho de polvo de diamante se cubre con una lámina de papel cerámico de alúmina de 0,79 mm (0,79 mm (1/32")) que actúa como un filtro para retirar las partículas de óxido del fundido durante la infiltración. Para evitar el arrastre de gases en la colada del troquel, se mantiene un hueco de 0,13 mm (0,005") alrededor del pistón inferior en el troquel para permitir que el aire atrapado escape durante la infiltración. El aluminio se calienta por encima de la temperatura de fusión (660 grados centígrados) bajo una capa de gas argón para evitar la oxidación. El troquel se calienta por separado a una temperatura ligeramente por debajo del punto de fusión del Al. El troquel calentado se retira del horno de calentamiento y se transfiere a la máquina de colada y el Al fundido se vierte en el tubo de inyección calentado del troquel. La infiltración se completa en unos pocos segundos bajo presurización. El troquel se enfría mediante enfriamiento no forzado en la máquina de colada antes de retirar la colada, que consiste en la parte colada y la mazarota unida.
Otras realizaciones
Debe entenderse que aunque la invención se ha descrito junto con la descripción detallada de la misma, la descripción anterior pretende ilustrar y no limitar el alcance de la invención, que se define mediante el alcance de las reivindicaciones adjuntas. Otros aspectos, ventajas y modificaciones están dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones.
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Claims (1)

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