电场与合金元素Fe、Co对钨铜间润湿性的研究

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CuW复合材料因具有优良的导电导热性和低的热膨胀系数而被广泛地用作电触头材料、电子封装和热沉材料。由于W、Cu两相熔点相差很大且不互溶,CuW复合材料通常采用熔渗法来制备。在采用熔渗法制备CuW复合材料过程中,W/Cu之间的润湿性在很大程度上影响了材料的致密度、W、Cu界面结合质量、硬度、电导率等性能。鉴于此,本试验采用座滴法,研究了温度、气氛、合金元素Fe、Co对W/Cu之间的润湿性的影响,同时研究了电场作用下W/Cu之间的润湿性。首先,研究了真空、Ar气、H2保护条件下、试验温度分别为1150℃、1200℃、1250℃、1300℃,添加不同含量的合金元素Fe、Co对W/Cu之间润湿性的影响。结果表明,添加合金元素降低了W/Cu之间的接触角,改善了润湿性,并且接触角随合金元素添加量的增加而降低,但减小的幅度逐渐减弱。通过SEM、EDS分析了座滴与W基板界面结合处的微观形貌和元素分布,并分析了界面区域的显微硬度分布,结果表明,界面处存在着显微硬度和Cu、W元素的连续变化区。分析认为,合金元素Fe、Co作为表面活性元素,降低了Cu的表面张力和Cu、W之间的界面张力,同时促进了界面处各元素之间的扩散,增强了界面处的Cu-Cu、Cu-W结合偶,进而降低了接触角、提高了界面的显微硬度。其次研究了Ar气保护、1200℃条件下,施加外电场对Cu(Fe)/W之间润湿性的影响。结果表明随着电场强度的增加,Cu(Fe)/W之间接触角逐渐减小,但减小的幅度不大,即电场的影响不如合金元素的影响显著。通过SEM、EDS分析发现界面处同样存在着硬度、元素的连续变化区域。分析认为,电场通过降低元素之间的扩散激活能、促进界面的空位扩散和元素之间的固溶等机制,促进了界面处各元素之间的扩散、界面结合层的形成,降低了界面张力,增强了界面Cu-Cu、Cu-W结合偶和界面附着功,从而改善了润湿性。再次研究了不同温度、保护气体对Cu(Co)/W、Cu(Fe)/W之间润湿性的影响,结果表明,由于温度对元素的扩散、座滴的表面张力、润湿前沿先驱膜的形成、座滴的粘性等因素的影响,不同温度下的接触角存在着差异。在不同的气氛保护下,试样的氧化情况、液滴铺展前沿的先驱膜形成及座滴试样的熔点都存在着差异,这就导致不同气氛下的接触角同样存在差异。
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