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

1、由于具有單質(zhì)Cu的良好延展性和優(yōu)異導電、導熱性和單質(zhì)W的高強度、低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)異的綜合性能，Cu-W體系復合材料在電子領(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)濟的快速發(fā)展，Cu-W體系復合材料的性能，尤其是熱性能不能滿足實際應(yīng)用的要求。本文通過改進制備工藝、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體系復合材料，本文首先采用

2、化學鍍方法，制備Cu包覆W復合粉末（Cu@W復合粉末），研究結(jié)果表明，當穩(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，可以獲得致密的、Cu包覆均勻的Cu@W復合粉末，獲得的Cu@W復合粉末純度高，實際組分與設(shè)計值誤差僅為3％左右。
　　以Cu@W復合粉末為原料，采用真空熱壓燒結(jié)技術(shù)制備出20wt.％Cu-W復合材料，研究了不同Cu含量的Cu@W復合粉末中對Cu-W復合材料結(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)條件下實現(xiàn)了Cu-W復合材料的致密化，其致密度達到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)；研究分析認為其致密化機制是采用Cu@W復合粉末的減少了W-W之間燒結(jié)和W顆粒的團聚和拱橋效應(yīng)，以Cu-Cu之間的燒結(jié)為主，從而促進了Cu-W復合材料的低溫致密化。Cu-W復合材料的熱學、力學和電學性能則隨著Cu@W復合粉末中Cu含量的增加而變好，采用20Cu@W復合粉末為原料制備的Cu-W復合材料

4、各項性能達到最佳，此時熱導率達到了最大值239.0W/(M·K)，接近理論熱導率240.0W/(m·K)；熱膨脹系數(shù)最小值為7.39×10-6/K，低于文獻報道的8.5×10-6/K；抗彎強度最大值達到976.7MPa，高于文獻報道的670.4MPa；維氏硬度最大值為224.8HV，略低于文獻報道的249.5HV；電導率最大值為50.6％IACS，高于文獻報道的24.7％IACS。完整Cu網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成使得Cu-W復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界面處引入高熔點的WC化合物，改善Cu-W界面結(jié)構(gòu)，從而改善Cu-W體系復合材料結(jié)構(gòu)和性能。本章研究了WC化合物含量對Cu-WC/W復合材料結(jié)構(gòu)和性能的影響。論文首先制備出含碳的Cu@C/W復合粉末，并以此為原料，經(jīng)熱壓燒結(jié)制備出Cu-WC/W復合材料。研究結(jié)果表明：在600℃排膠時，當PVB含量從2.5wt.％增加到10wt.％時，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復合粉末制備出致密的Cu-WC/W復合材料，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復合材料的致密度逐漸升高，性能逐漸變好。當WC化合物含量為1.6wt.％時，Cu-WC/W復合材料的綜合性能最佳，此時熱導率獲得最大值287.5W/(m·K)，高于Cu-W復合材料的熱導率239.0W/(m·K)

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

8、0.6％IACS，高于文獻報道的24.7％IACS。分析認為在界面中引入高熔點的WC化合物降低了Cu-W之間的熱阻抗，從而改善了Cu-W體系復合材料的熱學性能。
　　在第二章的基礎(chǔ)上，第四章在Cu-W復合材料的Cu網(wǎng)絡(luò)中引入多壁碳納米管（MWCNT）為增強相，制備出MWCNT/Cu-W復合材料，研究了MWCNT含量對MWCNT/Cu-W復合材料結(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，采用化學鍍方法制備出以MWCNT為核，Cu為殼的Cu包覆MWCNT復合粉末（Cu@MWCNT)，H2還原后Cu@MWCNT復合粉末的氧含量和Cu的氧化物少，純度較高。以Cu@MWCNT和Cu@W復合粉末為原料制備出致密的MWCNT/Cu-W復合材料，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)，促進了MWCNT/Cu-W復合材料的致密化和

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

11、×10-6/K，低于Cu-W復合材料的7.39×10-6/K和文獻報道的8.5×10-9/K；抗彎強度為989.8MPa，高于Cu-W復合材料的976.7MPa和文獻報道的670.4MPa；維氏硬度為192.9HV，低于Cu-W復合材料的224.8HV和文獻報道的249.5HV；電導率最大值為52.5％IACS，高于Cu-W復合材料的50.6％IACS和文獻報道的24.7％IACS。MWCNT/Cu-W復合材料性能提高的主要機制是在Cu