【摘 要】
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高强高导铜合金在核心电子器件、极大规模集成电路、高速轨道交通、新能源汽车等领域有着较为广泛的应用,这对高强高导铜合金的性能提出了更高的要求。本文以纳米WC作为强化相粒子添加到铜基复合材料中,采用机械合金化方法得到混合均匀的复合粉末后,通过真空烧结、感应熔炼、电弧熔炼和热压烧结制备出纳米WC/Cu基复合材料,对比得出最佳工艺。通过XRD、SEM和TEM等测试方法对样品进行组织形貌和结构分析,研究不同
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高强高导铜合金在核心电子器件、极大规模集成电路、高速轨道交通、新能源汽车等领域有着较为广泛的应用,这对高强高导铜合金的性能提出了更高的要求。本文以纳米WC作为强化相粒子添加到铜基复合材料中,采用机械合金化方法得到混合均匀的复合粉末后,通过真空烧结、感应熔炼、电弧熔炼和热压烧结制备出纳米WC/Cu基复合材料,对比得出最佳工艺。通过XRD、SEM和TEM等测试方法对样品进行组织形貌和结构分析,研究不同烧结温度对复合材料组织、电导率、强度和硬度的影响,并探究纳米WC强化铜基复合材料的制备机理。具体结论如下:(1)将纳米WC粉末和纯Cu粉末按照质量比WC:Cu=1:9的比例混合球磨后,纳米WC颗粒均匀地分布在Cu颗粒上,可以取得很好的混合效果。通过对比不同工艺制备出复合材料的组织形貌,可以得出采用真空热压烧结制备的纳米WC/Cu基复合材料结构更加致密,工艺也更为简单。另外,纳米WC均匀分布在基体上,没有团聚和长大的痕迹,并且随着烧结温度的增加,复合材料的组织更加均匀,结构更加致密。(2)在950℃到1100℃的温度范围内,随着热压烧结温度的升高,纳米WC/Cu基复合材料的相对密度和电导率都呈上升的趋势。当烧结温度提高到1075℃时,其相对密度接近全致密,随着温度的进一步增加相对密度值保持不变。当烧结温度从950℃提高到1025℃时,复合材料的电导率从62.5%IACS急剧增加到86.2%IACS。随着温度的进一步增加,复合材料的电导率逐渐趋于缓慢变化,最终在1100℃时的电导率约为90%IACS。另外随着烧结温度从950℃提高到1100℃时,复合材料的抗拉强度从123 MPa逐渐提高到425 MPa,显微硬度从127.5 HV逐渐提高到150 HV。在热压烧结过程中,当温度超过1100℃时会产生大量的液相,会导致被挤压渗出进而损坏设备,因此本文烧结的温度控制在1100℃以内。(3)从室温(25℃)升高到900℃时,纳米WC/Cu基复合材料和纯Cu的高温维氏硬度均呈下降的趋势,但是复合材料在各个温度下测试的高温硬度值都远高于纯Cu。当测试温度从25℃提高到900℃时,复合材料的高温硬度从97.9HV缓慢下降到12.7 HV,而纯Cu的高温硬度从72.4 HV降低至3.8 HV。其中,从25℃提高到600℃时,复合材料的高温硬度下降了约69.05%,而纯Cu的下降了约84.94%;从600℃提高到900℃时,复合材料的高温硬度下降了约58.09%,纯Cu的下降了约65.14%。由此可知,复合材料的高温硬度下降速度都远小于纯Cu,这是由于纳米WC颗粒的热稳定性以及对位错和晶界的相互作用强化了铜基复合材料,这说明纳米WC/Cu基复合材料相较于纯铜有着更高的服役温度。因此,在铜基体中添加了纳米WC颗粒可使复合材料的高温性能得到显著提升。
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