石墨鳞片/铜复合材料的制备与性能研究
发布时间：2021-10-11 15:34
随着人们对电子设备性能的要求越来越高,有效的散热已经成为保证半导体器件稳定可靠运行的关键,这对电子封装材料提出了越来越高的要求。石墨鳞片/铜复合材料具有高导热、易加工和成本低等优点,吸引了众多研究者的关注。然而,由于石墨和铜之间润湿性较差,从而导致界面结合较弱。本文通过石墨鳞片表面镀覆和基体合金化两种方法来改善石墨鳞片和铜之间的界面结合,再通过真空热压烧结制备石墨鳞片/铜复合材料。探讨了复合材料的最佳制备工艺,研究了石墨体积分数、不同镀层以及合金元素含量对复合材料组织和性能的影响。研究结果表明:通过盐浴镀法可在石墨鳞片表面镀覆均匀、完整的碳化物镀层。盐浴镀钛后的镀层成分为TiC,而盐浴镀铬后镀层则由Cr7C3和Cr3C2共同组成。采用湿混、多次装模工艺可以实现石墨鳞片在基体中均匀分布、取向一致。通过真空热压烧结在烧结温度980℃,烧结时间30 min和烧结压力40 MPa的条件下,可获得相对密度超过98.5%的复合材料。烧结后钛镀层成分未发生变化,但铬镀层中的Cr7C3相与石墨发生反应转变成了 Cr3C2。镀层的引入减少了界面处孔洞等缺陷,显著改善了界面结合。复合材料具有明显的各向异性...
【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：124 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２－１碳材料的热导率＾??Ｆｉｇ．?２－１?Ｔｈｅｒｍａｌ?ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ?ｏｆ?ｃａｒｂｏｎ?ｍａｔｅｒｉａｌｓ１４７１??
?石墨鱗片／铜复合材料的制备与性能研究???性能好的石墨类增强体，期望制备出高导热、低膨胀易加工的石墨增强金属??基复合材料。??２．２石墨类材料概述??２．２．１石墨的结构及导热机理??石墨虽然与金刚石有着相同的化学成分，但二者的结构完全不同。金刚??石中的碳原子是以ｓｐ３杂化的方式成键，而石墨中的碳原子则是以ｓｐ２杂化的??方式和邻近的三个碳原子形成三个共价单键，从而排列成平面六角的网状结??构。无数层的平面网状结构堆叠起来形成三维石墨晶体，结构如图２－２所示。??碳原子网状平面堆叠的时候，层与层之间会依次错开六角格子对角线的１／２，??这种错开方式可以使原子排列更紧密。层与层之间以范德华力结合，同一平??面上，两个相邻碳原子间距为０．１４２?ｎｍ，而相邻网状平面的层间距为０．３３５??ｎｍ〇??０．３３５?ｎｍｔ??０．１４２?ｎｍ??图２－２石墨结构示意图??Ｆｉｇ．?２－２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｇｒａｐｈｉｔｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??石墨晶体在堆叠时有两种不同的堆垛方式，根据排列方式，石墨可以划??分为八方晶系石墨和爱形晶系石墨，如图２－３所不。六方晶系中第二层和第??一层的位置重复，成ＡＢＡＢ……序列，其空间群为Ｐ６３／ｍｎｉＣ。菱形晶系石墨??的第一层与第四层位置重复，成ＡＢＣＡＢＣ……序列，其空间群为Ｄ５３ｄ－Ｒ３ｍ。??天然石墨主要由六方石墨组成，只有极少量的菱形石墨，而菱形石墨多存在??于人工合成石墨之中。??－８?－??
?北京科技大学博士学位论文???，ａ，?（ｂ）ｆ＾Ｖ??＊辦爆ｈ??图２－３石墨典型的晶体结构：（ａ）六方石墨；（ｂ）菱形石墨??Ｆｉｇ．?２－３?Ｔｙｐｉｃａｌ?ｃｒｙｓｔａｌ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｇｒａｐｈｉｔｅ：?（ａ）?ｈｅｘａｇｏｎａｌ?ｇｒａｐｈｉｔｅ；?（ｂ）?ｒｈｏｍｂｏｈｅｄｒａｌ??ｇｒａｐｈｉｔｅ??当物体内部或者多个物体之间存在温度差时，热量将自动从高温端向低??温端传导。在固体中，热量的传递主要有两种方式，一是通过其内部自由电??子的振动来实现，另一种则是依靠晶格振动即声子来传导，如图２－４所示［６５］。??热量的传递往往是这二者共同作用的结果。对于金属材料，其内部存在大量??自由电子，热传导主要依靠自由电子来实现，声子对热传导的贡献非常低；??对于非金属材料，其热量的传导主要晶格振动，即声子运动传导热量。??时间??图２＊４晶格热振动示意图１？１??Ｆｉｇ．２－４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｌａｔｔｉｃｅ?ｔｈｅｒｍａｌ?ｖｉｂｒａｔｉｏｎ１６５１??由于石墨特殊的结构，导致其内部热传导与上述情况略有不同。在片层??方向上，虽然存在可以自由移动的离域７１电子，但由于其高度有序的晶格排??列以及牢固的ｓｐ２Ｃ－Ｃ键，使得热量在片层方向上仍以声子传导为主，其理??－９?－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]填充型聚合物基导热复合材料的研究进展[J]. 张金成,冯一峻,肖文军,吴连斌. 杭州师范大学学报(自然科学版). 2019(05)
[2]WCu/MoCu电子封装材料的研究现状与发展趋势[J]. 王新刚,张润梅,陈典典,曾德军,许西庆,袁战伟. 中国材料进展. 2018(12)
[3]改性氧化石墨烯对环氧树脂基复合材料热膨胀系数影响的研究[J]. 杨松,赫玉欣,冯孟婷,张丽,刘少祯,张兴龙,秦明志,陈冰,蒋元力. 化工新型材料. 2019(01)
[4]Devise of a W serpentine shape tube heat exchanger in a hard chromium electroplating process[J]. Surasit Tanthadiloke,Paisan Kittisupakorn,Pannee Boriboonsri,Iqbal M.Mujtaba. Chinese Journal of Chemical Engineering. 2019(01)
[5]Sintering behavior and thermal conductivity of nickel-coated graphite flake/copper composites fabricated by spark plasma sintering[J]. Hui Xu,Jian-hao Chen,Shu-bin Ren,Xin-bo He,Xuan-hui Qu. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2018(04)
[6]C/C复合材料表面反应熔渗法制备SiC-ZrC涂层的组织与结构[J]. 汪沅,周哲,龚洁明,葛毅成,易茂中. 粉末冶金材料科学与工程. 2017(06)
[7]石墨表面TiC涂层对高定向石墨/Cu复合材料热导率和抗弯强度的影响[J]. 朱英彬,白华,薛晨,吕继磊,王晨,王俊伟,马洪兵,江南. 复合材料学报. 2017(11)
[8]电子封装材料的研究现状及发展[J]. 方明,王爱琴,谢敬佩,王文焱. 热加工工艺. 2011(04)
[9]Effect of carbide formers on microstructure and thermal conductivity of diamond-Cu composites for heat sink materials[J]. 夏扬,宋月清,林晨光,崔舜,方针正. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2009(05)
[10]放电等离子烧结技术与新材料研究[J]. 张久兴,张忻,岳明,周美玲,左铁镛. 功能材料信息. 2004(03)
本文编号：3430791
【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：124 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２－１碳材料的热导率＾??Ｆｉｇ．?２－１?Ｔｈｅｒｍａｌ?ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ?ｏｆ?ｃａｒｂｏｎ?ｍａｔｅｒｉａｌｓ１４７１??
?石墨鱗片／铜复合材料的制备与性能研究???性能好的石墨类增强体，期望制备出高导热、低膨胀易加工的石墨增强金属??基复合材料。??２．２石墨类材料概述??２．２．１石墨的结构及导热机理??石墨虽然与金刚石有着相同的化学成分，但二者的结构完全不同。金刚??石中的碳原子是以ｓｐ３杂化的方式成键，而石墨中的碳原子则是以ｓｐ２杂化的??方式和邻近的三个碳原子形成三个共价单键，从而排列成平面六角的网状结??构。无数层的平面网状结构堆叠起来形成三维石墨晶体，结构如图２－２所示。??碳原子网状平面堆叠的时候，层与层之间会依次错开六角格子对角线的１／２，??这种错开方式可以使原子排列更紧密。层与层之间以范德华力结合，同一平??面上，两个相邻碳原子间距为０．１４２?ｎｍ，而相邻网状平面的层间距为０．３３５??ｎｍ〇??０．３３５?ｎｍｔ??０．１４２?ｎｍ??图２－２石墨结构示意图??Ｆｉｇ．?２－２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｇｒａｐｈｉｔｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??石墨晶体在堆叠时有两种不同的堆垛方式，根据排列方式，石墨可以划??分为八方晶系石墨和爱形晶系石墨，如图２－３所不。六方晶系中第二层和第??一层的位置重复，成ＡＢＡＢ……序列，其空间群为Ｐ６３／ｍｎｉＣ。菱形晶系石墨??的第一层与第四层位置重复，成ＡＢＣＡＢＣ……序列，其空间群为Ｄ５３ｄ－Ｒ３ｍ。??天然石墨主要由六方石墨组成，只有极少量的菱形石墨，而菱形石墨多存在??于人工合成石墨之中。??－８?－??
?北京科技大学博士学位论文???，ａ，?（ｂ）ｆ＾Ｖ??＊辦爆ｈ??图２－３石墨典型的晶体结构：（ａ）六方石墨；（ｂ）菱形石墨??Ｆｉｇ．?２－３?Ｔｙｐｉｃａｌ?ｃｒｙｓｔａｌ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｇｒａｐｈｉｔｅ：?（ａ）?ｈｅｘａｇｏｎａｌ?ｇｒａｐｈｉｔｅ；?（ｂ）?ｒｈｏｍｂｏｈｅｄｒａｌ??ｇｒａｐｈｉｔｅ??当物体内部或者多个物体之间存在温度差时，热量将自动从高温端向低??温端传导。在固体中，热量的传递主要有两种方式，一是通过其内部自由电??子的振动来实现，另一种则是依靠晶格振动即声子来传导，如图２－４所示［６５］。??热量的传递往往是这二者共同作用的结果。对于金属材料，其内部存在大量??自由电子，热传导主要依靠自由电子来实现，声子对热传导的贡献非常低；??对于非金属材料，其热量的传导主要晶格振动，即声子运动传导热量。??时间??图２＊４晶格热振动示意图１？１??Ｆｉｇ．２－４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｌａｔｔｉｃｅ?ｔｈｅｒｍａｌ?ｖｉｂｒａｔｉｏｎ１６５１??由于石墨特殊的结构，导致其内部热传导与上述情况略有不同。在片层??方向上，虽然存在可以自由移动的离域７１电子，但由于其高度有序的晶格排??列以及牢固的ｓｐ２Ｃ－Ｃ键，使得热量在片层方向上仍以声子传导为主，其理??－９?－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]填充型聚合物基导热复合材料的研究进展[J]. 张金成,冯一峻,肖文军,吴连斌. 杭州师范大学学报(自然科学版). 2019(05)
[2]WCu/MoCu电子封装材料的研究现状与发展趋势[J]. 王新刚,张润梅,陈典典,曾德军,许西庆,袁战伟. 中国材料进展. 2018(12)
[3]改性氧化石墨烯对环氧树脂基复合材料热膨胀系数影响的研究[J]. 杨松,赫玉欣,冯孟婷,张丽,刘少祯,张兴龙,秦明志,陈冰,蒋元力. 化工新型材料. 2019(01)
[4]Devise of a W serpentine shape tube heat exchanger in a hard chromium electroplating process[J]. Surasit Tanthadiloke,Paisan Kittisupakorn,Pannee Boriboonsri,Iqbal M.Mujtaba. Chinese Journal of Chemical Engineering. 2019(01)
[5]Sintering behavior and thermal conductivity of nickel-coated graphite flake/copper composites fabricated by spark plasma sintering[J]. Hui Xu,Jian-hao Chen,Shu-bin Ren,Xin-bo He,Xuan-hui Qu. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2018(04)
[6]C/C复合材料表面反应熔渗法制备SiC-ZrC涂层的组织与结构[J]. 汪沅,周哲,龚洁明,葛毅成,易茂中. 粉末冶金材料科学与工程. 2017(06)
[7]石墨表面TiC涂层对高定向石墨/Cu复合材料热导率和抗弯强度的影响[J]. 朱英彬,白华,薛晨,吕继磊,王晨,王俊伟,马洪兵,江南. 复合材料学报. 2017(11)
[8]电子封装材料的研究现状及发展[J]. 方明,王爱琴,谢敬佩,王文焱. 热加工工艺. 2011(04)
[9]Effect of carbide formers on microstructure and thermal conductivity of diamond-Cu composites for heat sink materials[J]. 夏扬,宋月清,林晨光,崔舜,方针正. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2009(05)
[10]放电等离子烧结技术与新材料研究[J]. 张久兴,张忻,岳明,周美玲,左铁镛. 功能材料信息. 2004(03)
本文编号：3430791
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