热压烧结和压力浸渗所制备金刚石/Al复合材料的导热性能分析
发布时间：2021-11-19 21:53
分别采用真空热压烧结法和压力浸渗法制备了金刚石/Al复合材料,所得材料的热导率分别达到410420和673 W/（m·K）。通过传热模型探讨了两种方法制得材料的内部传热机理,并定义了参数"搭桥贡献率",以量化金刚石颗粒搭桥对材料热导率提升所做的贡献。结果表明,采用压力浸渗工艺时,较高的金刚石含量,较低的界面热阻,尤其是金刚石颗粒搭桥所构成的快速传热通道,可显著提高材料的热导率。
【文章来源】：功能材料. 2016,47(10)北大核心CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图１镀钛金刚石颗粒ＸＲＤ图谱Ｆｉｇ１ＸＲＤｐａｔｔｅｒｎｏｆｄｉａｍｏｎｄｐａｒｔｉｃｌｅｓｃｏａｔｅｄｗｉｔｈＴｉ
１断口形貌及致密度图２和３分别为试样的断口形貌及致密度。可见采用ＶＨＰＳ制备工艺，当金刚石含量为４５％（体积分数）时，铝粉颗粒间扩散充分，形成连续致密的烧结体，界面呈明显的冶金结合（图２（ａ）），试样的致密度达９８．８４％（图３）。图２不同方法制备的金刚石／Ａｌ复合材料断口ＳＥＭ照片Ｆｉｇ２ＳＥＭｆｒａｃｔｕｒｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓｏｆｄｉａｍｏｎｄ／Ａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓ图３不同方法制备的复合材料致密度Ｆｉｇ３Ｒｅｌａｔｉｖｅｄｅｎｓｉｔｙｏｆｄｉａｍｏｎｄ／Ａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｆａｂ－ｒｉｃａｔｅｄｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓ当金刚石含量增加到５０％（体积分数）时，铝基体致密化不充分，部分铝粉以颗粒形式存在（图２（ｂ）），试样的致密度有所降低（９８．０１％）。当金刚石含量增加到５５％（体积分数）时，基体的致密化程度很差，铝粉仍以颗粒的形式存在（图２（ｃ）），试样的致密度仅为９５．３０％，这是因为金刚石含量越高，颗粒拱桥效应越明显，导致处于金刚石颗粒间隙中的铝粉不能充分受压，烧结难以充分进行。由压力浸渗试样的断口形貌可见（图２（ｄ）），试样界面存在冶金结合，部分金刚石呈解理断裂，说明界面结合强度较高；同时，金刚石颗粒之间存在搭桥现象。由于熔融铝液在高压下能充分填充金刚石堆积体的间隙，所得材料的致密度达到９９．１３％（图３）。２．２热导率２．２．１两种方法所制备复合材料的热导率图４为不同工艺制得试样的热导率值。由图可知，ＶＨＰＳ
，热导率远大于铝，其含量的增加可提高材料热导率，当其含量足够高时，颗粒间接触（搭桥）的概率显著提高，利于构成快速传热通道，进一步改善材料的导热性；（２）金刚石－基体界面热阻。界面结合状态（有无孔洞）以及界面反应产物的热阻将显著影响材料的热导率；（３）铝基体的致密性。就ＶＨＰＳ工艺而言，若铝基体烧结不充分（仍以颗粒形式存在），将显著降低基体的传热能力。为此，有必要依据上述因素，分析两种制备工艺对金刚石／Ａｌ复合材料热导率的影响机理。２．２．２复合材料导热模型图５为金刚石在铝基体中不同分布状态时，材料内部传热示意图。图５（ａ）为金刚石在铝基体中完全均匀混合状态，此时传热将由金刚石和铝基体交替完成。图５（ｂ）为金刚石部分搭桥状态（材料中金刚石的实际分布状态）。图５（ｃ）为金刚石颗粒完全接触（搭桥）状态，此时金刚石颗粒构成了快速传热通道。图５不同状态下金刚石／Ａｌ复合材料内部热传导通路示意图Ｆｉｇ５Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｓｏｆｔｈｅｒｍａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｉｎｄｉａｍｏｎｄ／Ａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ针对图５（ａ）这种状态（金刚石互不接触），Ｈａｓｓｅｌ－ｍａｎ和Ｊｏｈｎｓｏｎ基于Ｍａｘｗｅｌｌ－Ｅｕｃｋｅｎ模型并引入界面热阻，推导出导热模型［４－５］Ｋｃ＝Ｋｍ２Ｋｍ＋Ｋｅｆｆｐ＋２（Ｋｅｆｆｐ－Ｋｍ）Ｖ［ｐ］２Ｋｍ＋Ｋｅｆｆｐ－（Ｋｅｆｆｐ－Ｋｍ）Ｖｐ（１）Ｋｅｆｆｐ＝Ｋｐ１＋２ＲｋＫｐ／
【参考文献】：
期刊论文
[1]Review of metal matrix composites with high thermal conductivity for thermal management applications[J]. Xuan-hui QU,Lin ZHANG,Mao WU,Shu-bin REN State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials, Beijing Key Laboratory for Powder Metallurgy and Particulate Materials, University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China. Progress in Natural Science:Materials International. 2011(03)
[2]金刚石/铝复合材料影响因素研究[J]. 刘永正. 超硬材料工程. 2009(05)
[3]Microstructure and thermal expansion of Ti coated diamond/Al composites[J]. 杨博,于家康,陈闯. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2009(05)
本文编号：3505942
【文章来源】：功能材料. 2016,47(10)北大核心CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图１镀钛金刚石颗粒ＸＲＤ图谱Ｆｉｇ１ＸＲＤｐａｔｔｅｒｎｏｆｄｉａｍｏｎｄｐａｒｔｉｃｌｅｓｃｏａｔｅｄｗｉｔｈＴｉ
１断口形貌及致密度图２和３分别为试样的断口形貌及致密度。可见采用ＶＨＰＳ制备工艺，当金刚石含量为４５％（体积分数）时，铝粉颗粒间扩散充分，形成连续致密的烧结体，界面呈明显的冶金结合（图２（ａ）），试样的致密度达９８．８４％（图３）。图２不同方法制备的金刚石／Ａｌ复合材料断口ＳＥＭ照片Ｆｉｇ２ＳＥＭｆｒａｃｔｕｒｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓｏｆｄｉａｍｏｎｄ／Ａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓ图３不同方法制备的复合材料致密度Ｆｉｇ３Ｒｅｌａｔｉｖｅｄｅｎｓｉｔｙｏｆｄｉａｍｏｎｄ／Ａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｆａｂ－ｒｉｃａｔｅｄｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓ当金刚石含量增加到５０％（体积分数）时，铝基体致密化不充分，部分铝粉以颗粒形式存在（图２（ｂ）），试样的致密度有所降低（９８．０１％）。当金刚石含量增加到５５％（体积分数）时，基体的致密化程度很差，铝粉仍以颗粒的形式存在（图２（ｃ）），试样的致密度仅为９５．３０％，这是因为金刚石含量越高，颗粒拱桥效应越明显，导致处于金刚石颗粒间隙中的铝粉不能充分受压，烧结难以充分进行。由压力浸渗试样的断口形貌可见（图２（ｄ）），试样界面存在冶金结合，部分金刚石呈解理断裂，说明界面结合强度较高；同时，金刚石颗粒之间存在搭桥现象。由于熔融铝液在高压下能充分填充金刚石堆积体的间隙，所得材料的致密度达到９９．１３％（图３）。２．２热导率２．２．１两种方法所制备复合材料的热导率图４为不同工艺制得试样的热导率值。由图可知，ＶＨＰＳ
，热导率远大于铝，其含量的增加可提高材料热导率，当其含量足够高时，颗粒间接触（搭桥）的概率显著提高，利于构成快速传热通道，进一步改善材料的导热性；（２）金刚石－基体界面热阻。界面结合状态（有无孔洞）以及界面反应产物的热阻将显著影响材料的热导率；（３）铝基体的致密性。就ＶＨＰＳ工艺而言，若铝基体烧结不充分（仍以颗粒形式存在），将显著降低基体的传热能力。为此，有必要依据上述因素，分析两种制备工艺对金刚石／Ａｌ复合材料热导率的影响机理。２．２．２复合材料导热模型图５为金刚石在铝基体中不同分布状态时，材料内部传热示意图。图５（ａ）为金刚石在铝基体中完全均匀混合状态，此时传热将由金刚石和铝基体交替完成。图５（ｂ）为金刚石部分搭桥状态（材料中金刚石的实际分布状态）。图５（ｃ）为金刚石颗粒完全接触（搭桥）状态，此时金刚石颗粒构成了快速传热通道。图５不同状态下金刚石／Ａｌ复合材料内部热传导通路示意图Ｆｉｇ５Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｓｏｆｔｈｅｒｍａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｉｎｄｉａｍｏｎｄ／Ａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ针对图５（ａ）这种状态（金刚石互不接触），Ｈａｓｓｅｌ－ｍａｎ和Ｊｏｈｎｓｏｎ基于Ｍａｘｗｅｌｌ－Ｅｕｃｋｅｎ模型并引入界面热阻，推导出导热模型［４－５］Ｋｃ＝Ｋｍ２Ｋｍ＋Ｋｅｆｆｐ＋２（Ｋｅｆｆｐ－Ｋｍ）Ｖ［ｐ］２Ｋｍ＋Ｋｅｆｆｐ－（Ｋｅｆｆｐ－Ｋｍ）Ｖｐ（１）Ｋｅｆｆｐ＝Ｋｐ１＋２ＲｋＫｐ／
【参考文献】：
期刊论文
[1]Review of metal matrix composites with high thermal conductivity for thermal management applications[J]. Xuan-hui QU,Lin ZHANG,Mao WU,Shu-bin REN State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials, Beijing Key Laboratory for Powder Metallurgy and Particulate Materials, University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China. Progress in Natural Science:Materials International. 2011(03)
[2]金刚石/铝复合材料影响因素研究[J]. 刘永正. 超硬材料工程. 2009(05)
[3]Microstructure and thermal expansion of Ti coated diamond/Al composites[J]. 杨博,于家康,陈闯. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2009(05)
本文编号：3505942
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