放电等离子烧结法制备金刚石/Cu复合材料

通过真空镀铬对金刚石颗粒进行表面改性,采用放电等离子烧结法(SPS)制备改性金刚石/Cu复合材料;研究金刚石的体积分数、工艺参数以及金刚石颗粒表面改性对复合材料导热性能的影响。结果表明,烧结温度、混料时间以及金刚石颗粒的体积分数都会影响材料的致密度,金刚石颗粒的体积分数还会影响材料的界面热阻,而致密度和界面热阻是影响该复合材料导热性能的2个重要因素;对金刚石颗粒进行真空镀铬表面改性,可改善颗粒与铜基体的润湿性,降低界面热阻。在一定的工艺条件下,镀铬金刚石体积分数为60%时,改性金刚石/Cu复合材料具有很高的致密度,其热导率达到503.9W/(m.K),与未改性的金刚石/Cu复合材料相比,热导率提高近2倍,适合做为高导热电子封装材料。     

Co对熔渗法制备金刚石/Cu复合材料性能的影响

采用熔渗法制备金刚石/Cu复合材料,研究了采用15μm和50μm金刚石颗粒进行组合,体积分数为60%时基体中添加Co对复合材料的致密度、导热率、热膨胀系数及抗弯强度的影响。结果表明,随着Cu中Co含量的增加,复合材料达到熔渗致密时的温度也逐渐增加。采用同一合金成分,过高的熔渗温度会造成复合材料致密度的降低;当Cu中Co含量为2%时,复合材料的导热率提高了57%,达到347 W/(m·K),Co含量超过2%后复合材料的导热率开始降低;而Co含量的增加对降低复合材料的热膨胀系数、提高抗弯强度是有利的,这主要归因于铜中加入Co后对金刚石与Cu的界面改善作用。     

镀钛金刚石增强玻璃基复合材料的性能

现代电子封装迫切需要开发新型高导热陶瓷（玻璃）基复合材料.本文在对镀钛金刚石进行镀铜和控制氧化的基础上,利用放电等离子烧结方法制备了金刚石增强玻璃基复合材料,并观察了其微观形貌和界面结合情况,测定了复合材料的热导率和热膨胀系数.实验结果表明:复合材料微观组织均匀,Ti/金刚石界面是复合材料中结合最弱的界面,复合材料的热导率随着金刚石粒径和含量的增大而增加,而热膨胀系数随着金刚石含量的增加而降低.当金刚石粒径为100 μm、体积分数为70%时,复合材料热导率最高达到了40.2 W·m-1·K-1,热膨胀系数为3.3×10-6K-1,满足电子封装材料的要求.      

金刚石/Cu复合材料的烧结致密化研究

金刚石/Cu复合材料是性能优异的新型高导热低膨胀热管理材料.采用金刚石经表面镀Ti或Cr后再镀Cu, SPS烧结制备金刚石/Cu复合材料.结果表明: 金刚石/Cu复合材料的烧结致密化与金刚石的体积分数、粒度大小、烧结温度及形成的金刚石/金属间的界面相关.金刚石的体积分数对烧结致密化影响最大, 烧结温度影响最小; 随金刚石体积分数和粒度的增加, 金刚石/Cu复合材料的烧结致密化难度增大.     

金刚石/铜复合材料界面结合状态的改善方法

电子封装用金刚石/铜复合材料中金刚石颗粒与基体纯铜的界面不润湿,界面结合状态差。通过引入碳化物形成元素Cr,Ti,B等来改善两者界面结合状态,结果表明在铜基体中加入碳化物形成元素制备的复合材料比涂覆碳化物形成元素后金刚石颗粒制备的复合材料界面结合紧密,热导率高。而另一种改善界面结合状态的方法是在此基础上增大金刚石与基体之间接触面积。对比品级差异较大的破碎料金刚石与六八面体金刚石制备的复合材料的热导率性能发现,破碎料金刚石表面积的增大有利于更充分的发挥金刚石的导热性能,且原材料成本大大降低,此类材料也将有一定的应用空间;而针对细颗粒金刚石通过表面腐蚀方法来增大表面积,预计制备的复合材料热导率也会有不同程度地提高。     

SiC颗粒增强铝基复合材料的制备工艺和性能研究

采用粉末冶金法制备SiCp/6061Al复合材料,研究热压温度、球磨工艺参数和SiC颗粒(SiCp)体积分数对SiC颗粒增强铝基复合材料性能的影响,测试其力学性能及物理性能,用扫描电镜对材料的微观组织和断口进行观察。结果表明:540℃是较适合的热压温度;随着SiCp含量的增加,复合材料的致密度、热膨胀系数下降,抗拉强度先提高后迅速降低。     

高硅铝合金及颗粒增强铝基复合材料组织性能的探究

采用真空热压烧结工艺制备Al-30Si合金、30%Sip/Al、30%SiCp/2024Al、30%SiCp/6061Al(均为体积分数)复合材料,测定其热膨胀系数及力学性能。利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)对其微观组织结构及断口形貌进行表征,探究了高硅铝合金及颗粒增强铝基复合材料的组织与性能,分析了材料的断裂机制。结果表明:SiCp/2024Al复合材料中SiC颗粒分布均匀,组织致密,综合性能好,热膨胀系数(CTE)为13.69×10-6/K,硬度达到134 HB,极限抗拉强度达353 MPa。SiCp/6061Al复合材料中SiC颗粒分布较均匀,界面结合较好,组织不够致密,有少许孔隙,性能较好。SiCp/6061Al和SiCp/2024Al复合材料的断裂方式都是界面基体的撕裂结合SiC颗粒的断裂。Sip/Al复合材料中Si颗粒分布较均匀,断裂方式为界面脱开,性能较差。Al-30Si合金在烧结过程中形成大量板条状的Si相,性能最差,断裂方式以合金撕裂为主。     

Cr镀层对Ag/金刚石复合材料热学性能的影响

采用盐浴镀对金刚石颗粒进行表面镀Cr,通过真空热压制备Ag/金刚石复合材料,主要探讨了金刚石颗粒镀层对复合材料热导率和热膨胀系数的影响。结果表明,金刚石表面的Cr镀层明显改善了金刚石颗粒与Ag基体的界面结合,不仅降低了界面热阻,而且增强了金刚石颗粒对Ag基体膨胀的抑制作用。理论模型分析表明,未镀Cr金刚石复合材料热导率和热膨胀系数的试验值低于和高于理论值,而镀Cr金刚石复合材料热导率的试验值接近于DEM模型预测值,线膨胀系数(CTE)的试验值接近于Kerner模型预测值。     

金刚石表面改性及基体合金化对金刚石/铜复合材料导热性能的影响

以Pr₆O₁₁为刻蚀剂表面粗糙化处理金刚石颗粒,采用放电等离子烧结技术制备了金刚石/铜（硼）复合材料（金刚石体积分数为60.0%,硼体积分数为0.3%）,通过试验、热流密度模拟和声子谱计算研究了金刚石表面改性及基体硼合金化对金刚石/铜复合材料导热性能的影响。结果表明,粗糙化的金刚石界面增加了接触面积;在基体中添加硼元素,复合材料在烧结后出现B₄C相,B₄C相的形成改善了金刚石–铜两相界面结合状态。金刚石粗糙化与基体合金化两者的共同作用有效减少了界面热阻,优化了热通量传递的效率,提高了复合材料的导热性能。金刚石/铜复合材料热导率从421 W·m?1·K?1提高到了598 W·m?1·K?1,提升了近42%。     

热冲击对金刚石/铜复合材料的热学性能影响

采用压力浸渗和超高压熔渗法制备不同界面状态的金刚石/铜复合材料,分析界面状态对热学性能的影响,重点研究在-65~125℃和-196~85℃两种热冲击载荷下,循环100周次后材料的热导率和热膨胀系数的变化规律。结果表明:通过添加Cr元素的Dia/CuCr和使用超高压制备的EHV-Dia/Cu,材料的界面状态得到了改善;界面强度的提高,有利于获得高热导率,低热膨胀系数的复合材料。Dia/Cu的热导率仅有459.1 W·m-1·K-1,而EHV-Dia/Cu高达678.2 W·m-1·K-1,Dia/CuCr则为529.7 W·m-1·K-1。-55~125℃的热冲击条件下,Dia/Cu,Dia/CuCr,EHV-Dia/Cu的热导率保持良好的稳定性,变化在2.5%以内。而在-196~85℃的热冲击条件下,Dia/Cu由于界面结合力弱,在热应力的作用下热导率急剧下降;Dia/CuCr和EHV-Dia/Cu则表现出了良好的抗热冲击能力,循环后热导率仅下降3%左右。Dia/Cu和Dia/CuCr的初始热膨胀系数分别为8.45×10-6K-1和6.93×10-6K-1,Cr元素的添加使得界面结合强度提高,低膨胀系数的金刚石对高膨胀系数的基体约束力增加,使得热膨胀系数明显下降。在两种热冲击实验条件下,Dia/Cu的热膨胀系数基本保持不变,Dia/CuCr分别上升6.64%和7.22%。     

激光粉末床熔融成形金刚石增强铝基复合材料

添加质量分数3%金刚石颗粒并利用激光粉末床熔融技术制备6061铝基复合材料。采用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、电子密度计、电子式万能试验机对3%金刚石/6061铝基复合材料的微观组织、相对密度和拉伸性能进行了表征与分析。结果表明：金刚石与Al基体反应生成了针状Al₄C₃相,并沉积在α-Al基体上,导致晶界位错密度增加,强度提高,抗失效能力增强。金刚石的添加促使6061铝基体中热裂纹消失,但存在孔洞缺陷。较低的扫描速度增加了激光光斑与被加工材料接触的时间,导致金刚石颗粒部分石墨化,铝基体部分蒸发,进而形成内部缺陷,降低了复合材料的相对密度(97%)。金刚石的加入显著提高了激光粉末床熔融技术成形金刚石/6061铝基复合材料的抗拉强度,当激光功率为350 W、扫描速度为800 mm·s^-1时,复合材料的极限抗拉强度达到最大值244.2 MPa,屈服强度211.6 MPa,伸长率2.1%。     

低热膨胀铝基复合材料的研究进展

综述了低热膨胀铝基复合材料的研究现状, 对高体积分数SiC颗粒增强铝基复合材料、锂霞石颗粒增强铝基复合材料、钨酸锆颗粒增强铝基复合材料和准晶颗粒增强铝基复合材料的研究状况进行了详细的阐述.并对低热膨胀铝基复合材料的发展和应用进行了展望.     

CeO_2含量对SiC_p/Al-12Si复合材料性能和微观组织的影响

为了研究CeO_2对SiC颗粒增强铝基复合材料组织与性能的影响,以微米级SiC和Al-12Si-Cu-Mg合金粉为原料,添加CeO_2粉末,采用粉末冶金法制备SiC颗粒增强铝基复合材料。用扫描电镜及能谱仪对材料的微观组织进行表征和能谱分析,并检测其物理性能和力学性能。结果表明:适量CeO_2的加入可以显著细化析出Si,Si相颗粒分布更加均匀,复合材料的致密度、抗拉强度和伸长率都有着显著提高,热膨胀系数显著降低,CeO_2体积分数为0.2%时,复合材料的各项性能达到最优值,分别为98.38%、376.9 MPa、4.09%、13.94×10~(-6)K~(-1)。     

Al/Si复合材料的制备及热力学特性的研究

研究了高增强相含量Al/Si复合材料压力熔渗法制备工艺,复合材料内的自由孔隙和硅颗粒的分布均匀,同时研究了Al/Si复合材料的特性和断裂行为,通过金相组织分析和断口观察表明,复合材料的断裂行为主要是由于硅颗粒的脆裂性而引起的,并且由此向材料内部延伸最后导致复合材料断裂失效;特别研究了复合材料在高精度热机械分析仪下的热膨胀行为,实验得出Al/Si复合材料的平均线性热膨胀系数在(8～10)×10-6/℃范围内,并随着硅含量的增加而降低;实验基于Turner的模型进行,实验测得Al/Si复合材料的热膨胀系数与理论计算值的存在差别,这是由于理论模型没有考虑材料制备过程中粉末形状,粒度、第二相颗粒不可避免的不均匀分布,孔隙度以及剪切应力对热膨胀性能的影响,其结果与预测相符合.     

Cr元素对Diamond/Cu复合材料界面结构及热导性能的影响

采用预制件制备,压力浸渗金属工艺制备Diamond/Cu复合材料,分析了Cu基体合金化及金刚石颗粒表面金属化情况下,Cr元素对复合材料界面结构和热性能的影响。结果表明,Diamond/Cu-Cr复合材料中金刚石与Cu-Cr合金界面结合良好,Cr元素在界面处发生富集并与金刚石反应生成Cr3C2,其界面结构为金刚石-Cr3C2-富Cr的Cu-Cr合金层-Cu-Cr基体,复合材料的热导率达到520W.m-.1K-1;Diamond-Cr/Cu复合材料中金刚石表面金属化Cr层在熔渗过程中与Cu互扩散,促进界面结合,形成金刚石-Cr3C2层-纯Cr层-Cu-Cr互扩散层-Cu的界面结构。与Diamond/Cu-Cr复合材料相比界面处增加了Cr层,材料的热导率仅为279W.m-1.K-1,但均高于Diamond/Cu复合材料的热导率。     

表面镀钨金刚石/铜复合材料的有限元模拟

利用有限元分析软件ANSYS，对表面镀钨金刚石/铜复合材料进行了数值模拟，研究了金刚石体积分数、金刚石粒径及镀层厚度对表面镀钨金刚石/铜复合材料导热系数和热膨胀系数的影响。结果表明:随着金刚石体积分数的增加、金刚石粒径的增大、镀层厚度的减小，复合材料的导热系数呈现出增加的趋势，与文献数据的变化趋势相符，热膨胀系数受金刚石体积分数影响最大，金刚石粒径选在150~200 μm较为合适。     

镀铬金刚石粒度、品级和膜厚对金刚石/铜复合材料热物性能的影响

对不同品级和粒度的金刚石进行表面镀膜改性,用熔渗法制备了金刚石/铜复合材料。研究了金刚石品级、粒度与膜厚对复合材料热导率以及热膨胀特性的影响。结果表明:金刚石/铜复合材料的热导率随金刚石粒度增大和品级提高而增大;在其他条件相同的情况下,金刚石表面铬膜厚度为210 nm时复合材料的热导率为787 W/(m·K),当铬膜厚度为150 nm时复合材料的热导率为633 W/(m·K),表明镀铬膜太薄会降低复合材料的热导性能;在30~200℃范围内,金刚石/铜复合材料的热膨胀系数在(3.00~8.00)×10~(-6)K~(-1)之间,且随温度升高而升高。     

SiCp/Cu复合材料的SPS烧结及组织性能

以化学镀Cu包覆SiC粉末和高压氢还原法制备的Ni包SiC复合粉末为原料,用放电等离子体烧结法制备了SiCp/Cu复合材料.分析了增强相含量和烧结温度对致密化的影响,比较了非包覆粉末和包覆粉末制备的复合材料的界面结合状况.然后对SiCp/Cu复合材料的热膨胀行为和力学性能进行了研究.结果表明:包覆粉末能够促进材料的致密化并且能获得良好的界面结合,所得SiCp/Cu复合材料的致密度达96.7%,抗压强度达1061 MPa.SiCp/Cu复合材料的热膨胀系数介于7.5×10-6～11.4×10-6·K-1之间,并且随SiC体积分数的增加而降低.材料在热循环过程中出现热滞现象,热滞现象受增强相的含量及界面结合状况的影响.     

通过改善界面状态提高金刚石-Cu复合材料导热性的研究

对通过改善界面状态提高金刚石-Cu复合材料导热性的研究进行综述。为了改善金刚石与Cu的界面状态,提高二者的结合力,研究者们已经做了大量的工作。从加强界面结合力入手:一种方法是通过金刚石颗粒表面涂覆金属层(即表面金属化)来提高金刚石与Cu的亲和力,在同等条件下,采用表面镀Cu的金刚石与没有镀Cu的金刚石相比,所制备的金刚石-Cu复合材料的导热性增加了近3倍;另一种方法是通过在Cu中添加元素,形成中间碳化物层来增强界面结合力,减小热阻,研究者们分别添加W、Ti、Cr等活性元素,都不同程度地提高了Cu-金刚石复合材料的导热性能。或综合两种方法,同时对基体和增强体进行一定的预处理。其次,减少界面数量,增大金刚石颗粒粒径,尽可能实现并联导热模型以构成复合材料的各相的三维连通,应该都是发掘高导热复合材料导热性能的有效方法。     

碳化硅体积分数对SiCp/Al-30Si复合材料组织与性能的影响

采用真空热压烧结法制备SiC颗粒体积分数分别为20%、25%和30%的SiCp/Al-30Si复合材料。利用扫描电镜对复合材料的微观组织进行表征,并检测其力学性能及物理性能,运用Turner、Kerner理论模型对材料的热膨胀系数进行计算,分析碳化硅体积分数对SiCp/Al-30Si复合材料组织及性能的影响。研究结果表明:随SiC含量的增加,复合材料的组织中会出现SiC颗粒的团聚,使材料的致密度及抗拉强度下降,在50～100℃之间的热膨胀系数降低,其平均值与Kerner模型计算值很接近。