微波烧结制备石墨/铜复合材料及其性能研究

来源 :昆明理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:banbe0602
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随着电子信息技术的飞速发展,高导热金属基复合材料在电子封装领域备受关注。其中,石墨/铜复合材料具有热导率高、密度小且易于加工等优点,是一种应用前景良好的电子封装散热材料。但由于石墨与铜两相不润湿、不反应,界面结合能力很差,导致石墨/铜复合材料导热性能难以达到预期要求。同时,包括热压烧结在内的多种复合材料制备工艺受到设备、模具和生产成本等因素的限制,无法实现大规模的工业生产应用。而微波烧结作为一种新兴的材料制备工艺,可有效焊合石墨/铜界面,提升界面结合能力,同时细化铜晶粒,有效提升复合材料的性能。此外,微波烧结升温速度快、烧结时间短、能源利用率高,可以实现复合材料的大规模生产。本文采用微波烧结制备石墨/铜复合材料,并对复合材料的微观结构、物相组成以及密度、导热性能等进行了研究,具体开展了以下几个方面的工作:(1)研究了烧结温度和石墨体积分数对微波烧结制备的石墨/铜复合材料的影响,结果表明,较高的烧结温度以及适宜的石墨体积分数有利于提升复合材料的性能。当烧结温度为950°C,石墨体积分数为10vol.%时,石墨/铜复合材料的性能较好,并存在明显的各向异性。微波烧结样品在Cross Plane方向具备更好的材料性能,其硬度为70.4 HV,导热系数为311.87 W·m-1·K-1,比常规烧结样品分别提升了35.6%和7.0%。(2)研究了微波烧结过程中热量传递机制和石墨/铜复合材料的热稳定性能。微波烧结可提高材料内部的传热效率,实现快速烧结和冷却,细化铜基体晶粒,并有效焊合石墨/铜界面,显著提升材料性能。微波烧结制备的石墨/铜复合材料在经历30次极端热循环过程后仍具备较高的导热系数,热稳定性能良好,并对热循环过程中界面损伤行为进行分析。此外,开发微波高通量材料制备装置,为石墨/铜复合材料的高通量制备提供新的技术支持。(3)研究了Ti元素的添加对微波烧结制备的石墨/铜复合材料的影响,结果表明,添加Ti元素可有效提升复合材料的密度、硬度,当Ti添加量为1.0 wt%时复合材料导热系数较高。此外,相比于常规烧结,微波烧结可明显改善石墨/铜界面,细化铜基体晶粒,并在界面处形成连续、均匀的TiC过渡层,无孔隙、裂纹等缺陷,有效提升了复合材料的性能。(4)研究了Mo、W元素的添加对微波烧结制备的石墨/铜复合材料的影响,结果表明,添加Mo或W元素后会在复合材料中生成少量Mo2C或W2C,而Mo和W颗粒则分别富集于石墨组织中和石墨/铜界面处。此外,Mo、W元素的添加可明显提升复合材料的密度和硬度,并具备较好的导热性能。
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