界面厚度及面積調(diào)控對(duì)Diamond-Cr-Cu復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響.pdf

1、本文以Diamond-Cr/Cu復(fù)合材料為研究對(duì)象，采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究界面厚度、界面面積對(duì)Diamond-Cr/Cu復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響。在實(shí)驗(yàn)方面，首先利用鹽浴鍍的方法對(duì)金剛石表面進(jìn)行鍍Cr處理，再結(jié)合無(wú)壓熔滲技術(shù)制備出不同界面厚度、不同界面面積的Diamond-Cr/Cu復(fù)合材料。通過(guò)增重法計(jì)算出界面厚度與鍍覆溫度之間的關(guān)系，采用SEM、EDS、XRD等手段對(duì)金剛石鍍層及Diamond-Cr/Cu復(fù)合材料的微觀(guān)形

2、貌和界面成份進(jìn)行表征，最后再利用阿基米德原理和熱導(dǎo)儀測(cè)試出復(fù)合材料的致密度和熱導(dǎo)率；數(shù)值模擬方面是通過(guò)研究界面厚度及界面面積對(duì)復(fù)合材料熱導(dǎo)性能的影響，最后再根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與模擬值進(jìn)行對(duì)比分析。
　　鹽浴鍍Cr研究表明，對(duì)相同粒徑金剛石顆粒進(jìn)行表面鍍覆時(shí)，可通過(guò)改變鹽浴鍍溫度(750℃~900℃)獲得0.376~1.388μm的可控鍍層；而對(duì)不同粒徑金剛石顆粒進(jìn)行850℃保溫1h進(jìn)行鍍覆時(shí)，可獲得趨近于1.211μm的界面鍍層。金

3、剛石表面鍍覆效果較好，鍍層結(jié)構(gòu)由內(nèi)到外可簡(jiǎn)述為：金剛石-CrxCy-Cr單質(zhì)層。
　　無(wú)壓熔滲制備出的Diamond-Cr/Cu復(fù)合材料研究表明，通過(guò)相同金剛石粒徑制備出的復(fù)合材料，提高鹽浴鍍溫度調(diào)控鍍層厚度能使金剛石與銅基體潤(rùn)濕性得到改善，隨鍍層厚度的增加，復(fù)合材料的界面結(jié)合能力增強(qiáng)，復(fù)合材料內(nèi)部穿晶斷裂率增大，界面處的裂紋、孔洞等缺陷不斷減少，組織更加致密。對(duì)于不同剛石粒徑制備出的復(fù)合材料，當(dāng)金剛石顆粒目數(shù)為230~270目時(shí)

4、，復(fù)合材料由于界面結(jié)合較差而出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，金剛石界面處的斷裂方式以沿晶斷裂為主，隨金剛石粒徑的增大，金剛石界面處的斷裂方式向穿晶斷裂轉(zhuǎn)變，且穿晶斷裂率不斷增大。界面處EDS掃描顯示Cr元素在近金剛石端界面處富集并生成Cr3C2及少量的Cr7C3，復(fù)合材料在界面處實(shí)現(xiàn)了金剛石-鍍層-銅的連續(xù)過(guò)渡。
　　Diamond-Cr/Cu復(fù)合材料的測(cè)試結(jié)果表明，隨鹽浴鍍Cr溫度由750℃提升到900℃，鍍層的不斷完整使得復(fù)合材料的致密度不斷提

5、高，由93.8％提升至96.0%；而熱導(dǎo)率則呈現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)，當(dāng)鍍覆溫度為800℃時(shí)，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率最高，可達(dá)455 W/(m·K)；不同粒徑的Diamond-Cr/Cu復(fù)合材料的熱導(dǎo)率隨金剛石粒徑的增大，復(fù)合材料界面處形成的缺陷在不斷減少，復(fù)合材料的致密度不斷提高，由89.7%提升至96.1%；而熱導(dǎo)率則呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，當(dāng)金剛石粒徑由230~270目增至80~100目時(shí)，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率將由201 W/(m·K)升至402 W/

6、(m·K)。
　　ANSYS模擬結(jié)果表明，隨鍍層厚度的增加，復(fù)合材料熱導(dǎo)率呈下降趨勢(shì)，當(dāng)鍍層厚度由0.376μm增至1.388μm，復(fù)合材料熱導(dǎo)率由652W/(m·K)降至440W/(m·K)；當(dāng)鍍層一定時(shí)，金剛石顆粒大小由165μm降至52.5μm，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率由526W/(m·K)降至326W/(m·K)。
　　通過(guò)模擬與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比可知，模擬值與實(shí)驗(yàn)值變化趨勢(shì)趨于一致，但模擬值要高于實(shí)驗(yàn)值，這說(shuō)明Diamond-Cr