具有特殊结构W-Cu复合材料的制备及其组织性能研究

发布时间：2018-12-19 19:32

【摘要】：W-Cu复合材料因具有高的导电、导热及低的热膨胀系数等,可作为热沉材料并应用于大规模集成电路和大功率电子元器件中。随着集成电路和电子元器件的高度集成化和大功率化,对W-Cu热沉材料的性能提出了更高的要求。由于W和Cu之间的互不相溶性和熔点、密度的明显差异,通过常规粉末冶金工艺所制备的W-Cu复合材料在组织和性能上仍存着一定的不足。近些年来,制备组织成分均匀、超细(纳米)W-Cu复合粉体并在此基础上制备新型的W-Cu复合材料成为W-Cu复合材料领域的研究热点之一。本硕士论文尝试通过化学镀的方法制备出具有包覆结构的W-Cu复合粉体,由此制备组织均匀的超细晶W-Cu复合材料;尝试使用不同粉末粒度级配的W-Cu包覆粉体结合高温液相烧结制备出梯度W-Cu复合材料,并考察了其组织、界面结构和物理力学性能与原料粉体特性及制备工艺的关系。通过本论文工作可以为高性能W-Cu热沉材料的制备和组织性能研究提供理论和实验积累。本论文第二章以平均粒度为0.8μm的W粉为原料,采用化学镀法制备出具有包覆结构的W-10Cu复合粉体,经模压成形、烧结后得到W-10Cu复合材料,并对复合粉体的物相、形貌及复合材料的密度、微观组织和物理力学性能等进行分析测定。实验结果表明,所制备得W-Cu复合粉体具有良好的包覆结构,镀Cu层均匀覆于W颗粒表面,复合粉体有良好的压制性能和烧结活性,1400℃在H2气氛中烧结120min后,烧结体的相对密度高于97.0%,具有均匀的组织结构,晶粒平均尺寸小于2μm。烧结体试样的导电率高于35%IACS,室温热导率可以达到192W/(m·K),抗弯强度和硬度分别达963MPa和377HV,在25-800℃温度范围内热膨胀系数为6.07-8.31×10-6K-1。本论文第三章分别以两种不同粒度的W粉为原料,采用化学镀的方法分别制备了具有不同Cu含量兼有包覆结构的W-Cu复合粉体,通过梯度结构成分设计,叠层装粉压制、烧结制备了W-10Cu/W-20Cu/W-32Cu(质量分数)三层梯度W-Cu复合材料。尝试通过在各层采用不同粒度和Cu含量来调整各梯度层间由于烧结收缩率不同所导致的弯曲变形。实验结果表明,通过粉末粒度级配调整,1350℃在H2气氛中烧结120min后所获得的梯度W-Cu复合材料形状尺寸保持及梯度层间界面结合良好,复合材料的密度为15.18g/cm3,相对密度可以达到96.8%;烧结体具有良好的物理力学性能。其室温热导率为216W/(m·K),介于封装层(高W)和散热层(高Cu)之间。抗弯强度和硬度随着成分变化呈梯度变化,最大值的分别是1018MPa和359HV。本论文第四章首先采用化学镀的方法制备W粉粒度和Cu含量均不同的W-Cu包覆粉体,随后经叠层装粉压制成形和微波烧结制备出了三层梯度W-Cu复合材料。通过1350℃在15%H2+85%N2气氛烧结40min后,所获得烧结体微观组织良好均匀、各梯度层间界面结构良好。烧结体的相对密度达到96.9%,最大的抗弯强度和硬度可以分别达1004 MPa和346HV,室温下的热导率高于210 W/(m·K)。
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【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB331

【参考文献】