钨铜体系复合材料的微观结构控制及其性能研究

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钨铜体系复合材料由于结合了金属钨的优良力学性能、耐腐蚀性能以及金属铜的高导热、导电性能而得到了广泛应用。通常用于航空航天、军事等领域中大规模集成电路、大功率微波器件、大功率LED照明系统的电子封装材料、热沉材料及电极材料。然而作为一种两相金属复合而成的“假合金”,两种金属性能差异过大(特别是熔点和热膨胀系数)及两相间润湿性差,使得致密度高且具有有效结构的钨铜体系复合材料的制备难度较大,优良的综合性能难以获得。为此,本文在已有文献结果和前期实验基础上,通过化学镀包覆工艺在指定区域添加微量的活化烧结剂来降低钨铜体系复合材料的烧结难度,以低温制备致密的钨铜体系复合材料;其次通过有机物掺碳及高温热处理陶瓷化方法在钨铜的界面处添加微量过渡相并控制物相结构来改善界面热传导,以提高钨铜体系复合材料的热学性能。论文具体研究了高纯、定量复合包覆粉体的结构与物相,以及钨铜体系复合材料的低温致密化、微观结构及各项性能。论文首先研究了Ag-Cu/W体系复合材料的低温致密化及其结构与性能,研究结果表明:Cu@W复合粉体的纯度较高,Ag@Cu复合粉体在气氛炉中进行H2气氛热处理后,杂质相Cu2O消失;采用包覆方法添加的烧结助剂Ag与基体相Cu在Cu颗粒表面形成微量的Ag-Cu固溶体,依靠毛细管力填充铜相基体之间的空隙,极大降低了Ag-Cu/W体系复合材料的烧结难度,从而实现了Ag-Cu/W体系复合材料的低温致密化,同时Ag微量的添加保证了热导率不会因为大量固溶体的生成而有所恶化,单质Ag的存在有利于电导率的提高。当Ag添加含量为2%,烧结温度为850℃时,Ag-Cu/W体系复合材料的致密度达到98.47%,密度为15.48g?cm-3,热导率为227.4 W/(m·K),电导率为52.4%IACS。其次,论文研究了WxC-W/Cu体系复合材料的界面强化及其结构与性能,研究结果表明:Cu@WxC@W复合包覆粉体的钨铜界面处C元素含量明显高于两侧,说明钨铜界面处存在着明显的过渡层;当C@W粉体的二次热处理温度为1050℃时,界面过渡相为WC和W2C的混合物相,当二次热处理温度为1200℃时,界面过渡相的W2C相明显减少,以WC相为主;在850℃-100MPa-2h的烧结制度下获得了WxC-W/Cu体系复合材料,烧结体中界面过渡层主要存在于钨铜两相的界面之间,随机分布在钨颗粒的周围。当二次热处理温度为1200℃,界面过渡相以WC相为主时,WxC-W/Cu体系复合材料的热导率有了明显的提高,热导率的提高得益于界面物相、结构、性能的改善,同时研究结果表明过渡层的含量越少改性效果越好。当PVB的添加含量为1.5wt.%,粉体二次热处理温度为1200℃时,WxC-W/Cu体系复合材料的致密度为96.1%,热导率达到了265.1 W/(m·K),明显高于同比例W-Cu体系复合材料的文献报道值。
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