Cu-W體系復(fù)合材料的熱壓燒結(jié)、結(jié)構(gòu)調(diào)控與性能增強(qiáng).pdf

1、由于具有單質(zhì)Cu的良好延展性和優(yōu)異導(dǎo)電、導(dǎo)熱性和單質(zhì)W的高強(qiáng)度、低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)異的綜合性能，Cu-W體系復(fù)合材料在電子領(lǐng)域、電工領(lǐng)域、高溫領(lǐng)域和航空航天等領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。但是隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，Cu-W體系復(fù)合材料的性能，尤其是熱性能不能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。本文通過(guò)改進(jìn)制備工藝、調(diào)節(jié)Cu-W界面結(jié)構(gòu)和添加第三相以提高Cu-W體系復(fù)合材料的性能。
　　為了獲得低溫下致密的、具有Cu網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的Cu-W體系復(fù)合材料，本文首先采用

2、化學(xué)鍍方法，制備Cu包覆W復(fù)合粉末（Cu@W復(fù)合粉末），研究結(jié)果表明，當(dāng)穩(wěn)定劑為10mg/L的二聯(lián)吡啶，反應(yīng)溫度為40℃、鍍液pH為11.5時(shí)，可以獲得致密的、Cu包覆均勻的Cu@W復(fù)合粉末，獲得的Cu@W復(fù)合粉末純度高，實(shí)際組分與設(shè)計(jì)值誤差僅為3％左右。
　　以Cu@W復(fù)合粉末為原料，采用真空熱壓燒結(jié)技術(shù)制備出20wt.％Cu-W復(fù)合材料，研究了不同Cu含量的Cu@W復(fù)合粉末中對(duì)Cu-W復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及其性能的影響。研究結(jié)果表明，

3、在950℃-100MPa-2h的燒結(jié)條件下實(shí)現(xiàn)了Cu-W復(fù)合材料的致密化，其致密度達(dá)到99.3％，形成了W顆粒分布均勻的、連通的Cu網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；研究分析認(rèn)為其致密化機(jī)制是采用Cu@W復(fù)合粉末的減少了W-W之間燒結(jié)和W顆粒的團(tuán)聚和拱橋效應(yīng)，以Cu-Cu之間的燒結(jié)為主，從而促進(jìn)了Cu-W復(fù)合材料的低溫致密化。Cu-W復(fù)合材料的熱學(xué)、力學(xué)和電學(xué)性能則隨著Cu@W復(fù)合粉末中Cu含量的增加而變好，采用20Cu@W復(fù)合粉末為原料制備的Cu-W復(fù)合材料

4、各項(xiàng)性能達(dá)到最佳，此時(shí)熱導(dǎo)率達(dá)到了最大值239.0W/(M·K)，接近理論熱導(dǎo)率240.0W/(m·K)；熱膨脹系數(shù)最小值為7.39×10-6/K，低于文獻(xiàn)報(bào)道的8.5×10-6/K；抗彎強(qiáng)度最大值達(dá)到976.7MPa，高于文獻(xiàn)報(bào)道的670.4MPa；維氏硬度最大值為224.8HV，略低于文獻(xiàn)報(bào)道的249.5HV；電導(dǎo)率最大值為50.6％IACS，高于文獻(xiàn)報(bào)道的24.7％IACS。完整Cu網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成使得Cu-W復(fù)合材料的整體性能得到

5、提高。
　　以第二章為基礎(chǔ)，第三章在Cu-W界面處引入高熔點(diǎn)的WC化合物，改善Cu-W界面結(jié)構(gòu)，從而改善Cu-W體系復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能。本章研究了WC化合物含量對(duì)Cu-WC/W復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能的影響。論文首先制備出含碳的Cu@C/W復(fù)合粉末，并以此為原料，經(jīng)熱壓燒結(jié)制備出Cu-WC/W復(fù)合材料。研究結(jié)果表明：在600℃排膠時(shí)，當(dāng)PVB含量從2.5wt.％增加到10wt.％時(shí)，W粉中的含碳量從0.19wt.％增加到0.64wt.％

6、。在950℃-100MPa-2h的燒結(jié)條件下，采用含碳的Cu@C/W復(fù)合粉末制備出致密的Cu-WC/W復(fù)合材料，且在Cu-W界面處原位生成WC化合物，這些WC化合物層主要包覆在W顆粒周圍。隨著WC化合物含量的減少，Cu-WC/W復(fù)合材料的致密度逐漸升高，性能逐漸變好。當(dāng)WC化合物含量為1.6wt.％時(shí)，Cu-WC/W復(fù)合材料的綜合性能最佳，此時(shí)熱導(dǎo)率獲得最大值287.5W/(m·K)，高于Cu-W復(fù)合材料的熱導(dǎo)率239.0W/(m·K)

7、和文獻(xiàn)報(bào)道的202.1W/(m·K)；Cu-WC/W復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)為4.39×10-6/K，低于Cu-W復(fù)合材料的7.39×10-6/K和文獻(xiàn)報(bào)道的8.5×10-6/K；抗彎強(qiáng)度達(dá)到最大值840.8MPa，低于Cu-W復(fù)合材料的976.7MPa，高于文獻(xiàn)報(bào)道的670.4MPa；維氏硬度達(dá)到229.0HV，高于Cu-W復(fù)合材料的224.8HV，低于文獻(xiàn)報(bào)道的249.5HV；電導(dǎo)率最大值為47.7％IACS，略低于Cu-W復(fù)合材料的5

8、0.6％IACS，高于文獻(xiàn)報(bào)道的24.7％IACS。分析認(rèn)為在界面中引入高熔點(diǎn)的WC化合物降低了Cu-W之間的熱阻抗，從而改善了Cu-W體系復(fù)合材料的熱學(xué)性能。
　　在第二章的基礎(chǔ)上，第四章在Cu-W復(fù)合材料的Cu網(wǎng)絡(luò)中引入多壁碳納米管（MWCNT）為增強(qiáng)相，制備出MWCNT/Cu-W復(fù)合材料，研究了MWCNT含量對(duì)MWCNT/Cu-W復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能的影響。采用酸化、敏化-活化和多層抽濾分離法提高了MWCNT表面的活性和分散均

9、勻性，采用化學(xué)鍍方法制備出以MWCNT為核，Cu為殼的Cu包覆MWCNT復(fù)合粉末（Cu@MWCNT)，H2還原后Cu@MWCNT復(fù)合粉末的氧含量和Cu的氧化物少，純度較高。以Cu@MWCNT和Cu@W復(fù)合粉末為原料制備出致密的MWCNT/Cu-W復(fù)合材料，結(jié)果表明，MWCNT均勻分散于Cu網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，Cu@MWCNT復(fù)合粉末的使用增加MWCNT與Cu之間的燒結(jié)性和避免了MWCNT與W之間反應(yīng)，促進(jìn)了MWCNT/Cu-W復(fù)合材料的致密化和

10、性能的提高。當(dāng)MWCNT含量從0.1vol％增加到2.0vol％時(shí)，MWCNT/Cu-W復(fù)合材料的致密度均在97％以上，熱導(dǎo)率先增加后降低，熱膨脹系數(shù)不斷減小，抗彎強(qiáng)度、維氏硬度和電導(dǎo)率先增加后降低。當(dāng)MWCNT含量為0.5vol％時(shí)，MWCNT/Cu-W復(fù)合材料具有最佳的綜合性能，此時(shí)熱導(dǎo)率達(dá)到最大值274.1W/(m·K)，高于Cu-W復(fù)合材料的熱導(dǎo)率239.0W/(m·K)和文獻(xiàn)報(bào)道的202.1W/(m·K)；熱膨脹系數(shù)為5.23

11、×10-6/K，低于Cu-W復(fù)合材料的7.39×10-6/K和文獻(xiàn)報(bào)道的8.5×10-9/K；抗彎強(qiáng)度為989.8MPa，高于Cu-W復(fù)合材料的976.7MPa和文獻(xiàn)報(bào)道的670.4MPa；維氏硬度為192.9HV，低于Cu-W復(fù)合材料的224.8HV和文獻(xiàn)報(bào)道的249.5HV；電導(dǎo)率最大值為52.5％IACS，高于Cu-W復(fù)合材料的50.6％IACS和文獻(xiàn)報(bào)道的24.7％IACS。MWCNT/Cu-W復(fù)合材料性能提高的主要機(jī)制是在Cu