金刚石/铜复合材料的界面反应研究

金刚石/铜复合材料(Diamond/Cu)的界面层相比基体与增强体有显著的化学成分变化,具有促进彼此结合、传递载荷的作用。Diamond/Cu复合材料作为热管理材料,热导率是一个关键性能参数。在众多影响因素中,界面对热导率的影响尤为重要。主要研究Diamond/Cu复合材料的界面组成,及成分梯度分布情况。通过扫描电子显微镜(SEM)观察复合材料断口形貌和界面区碳化铬的形态及分布,在近铜端,发现碳化铬以类鳞片状随机零散分布于铜与界面层的互扩散区,界面层处则集中堆垛为层状;采用能谱分析测试仪(EDS)对金刚石/铜复合材料界面区进行元素分布分析,发现各元素具有明显的过渡区域,根据实验结果可估算出过渡区域大约厚700 nm,碳化铬层大约厚400 nm;利用X射线衍射仪(XRD)对金刚石/铜复合材料的界面层进行物相分析,研究表明Diamond/Cu Cr复合材料中界面反应生成的碳化铬以3种形式存在,分别为Cr3C2,Cr7C3,Cr23C6。通过这些实验手段获取界面信息,如界面类型、界面结构、界面组成等,为进一步深入研究Diamond/Cu复合材料界面与性能的关系奠定坚实基础。     

镀层对金刚石/玻璃复合材料性能的影响

为满足现代电子工业日益增长的散热需求,急需研究和开发新型高导热陶瓷（玻璃）基复合材料,而改善复合材料中增强相与基体的界面结合状况是提高复合材料热导率的重要途径.本文在对金刚石和镀Cr金刚石进行镀Cu和控制氧化的基础上,利用放电等离子烧结方法制备了不同的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状况,测定了复合材料的热导率.实验结果表明:复合材料中金刚石颗粒均匀分布于玻璃基体中,Cu/金刚石界面和Cr/Cu界面分别是两种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体积分数的增加而增加;金刚石/玻璃复合材料的热导率随着镀Cu层厚度的增加而降低,由于镀Cr层实现了与金刚石的化学结合以及Cr在Cu层中的扩散,镀Cr金刚石/玻璃复合材料的热导率随着镀Cu层厚度的增加而增加.当金刚石粒径为100μm、体积分数为70%及镀Cu层厚度为约1.59μm时,复合材料的热导率最高达到约91.0 W·m-1·K-1.      

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%。     

熔渗法制备高导热金刚石/Cu复合材料

利用真空热压熔渗技术制备金刚石/Cu复合材料。研究熔渗工艺、金刚石表面镀覆条件等对制备出的金刚石/Cu复合材料的热物理性能的影响。通过理论分析和试验数据可以发现:利用熔渗工艺制备出的金刚石/Cu复合材料中增强体金刚石的石墨化程度非常低,对复合材料的热性能影响很小;提高复合材料的致密度以及降低复合材料的界面热阻是提高复合材料热导率的主要方法,通过改变工艺参数和在金刚石表面镀覆金属层等方法可以提高复合材料的致密度并降低材料的界面热阻;采用180~210μm粒径镀Cr金刚石制备的金刚石体积分数为60%、相对密度为99.1%的复合材料热导率达到462 W·m-1·K-1。     

SiC掺杂量对Diamond/Cu复合材料导热性能的影响

采用超高压熔渗法制备了Diamond/SiC/Cu复合材料,通过研究不同SiC含量下样品的热导率变化规律及界面性能,提出孤立界面模型。主要阐释孤立界面模型的适用条件、主要内容及定量公式。通过孤立界面模型,说明低SiC掺杂量的必要性和Diamond骨架对于复合材料导热性能的重要性。结果表明,SiC最佳掺杂量为15%,此时复合材料的综合性能最优:热导率526.7 W·m-1·K-1,热膨胀系数2.4 ppm/K,密度3.74 g/cm3,节省原料成本近15%。     

金刚石/硅复合材料的制备和导热性能

为探索新型热沉用散热材料,采用高温高压方法烧结制备了金刚石/硅复合材料,并研究了金刚石大小粒度混粉、金刚石含量、渗硅工艺以及金刚石表面镀钛对复合材料的致密度和导热性能的影响.结果表明:在大粒度金刚石粉中掺入小粒度金刚石粉、渗硅和金刚石表面镀钛处理都可提高金刚石/硅复合材料的致密度和热导率;随着金刚石含量增大,复合材料热导率提高;其中75/63μm镀钛金刚石颗粒与40/7μm金刚石颗粒的混粉,当混粉质量分数为95%时,在4～5GPa、1400℃高温高压渗硅烧结,金刚石/硅复合材料的热导率可高达468.3W.m-1.K-1.     

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。     

多孔金刚石坯体熔渗铜工艺

金刚石/Cu具有优异的热物理性能,采用熔渗法可以实现金刚石/Cu的近净成形,本文对多孔金刚石坯体熔渗铜的相关工艺及影响因素进行了较深入的研究。研究结果表明,在多孔坯体上下方都放置铜块时对熔渗过程比较有利;熔渗温度达到1 200℃、压力为20 MPa、保温30 min时复合材料致密度达到99.8%,接近全致密,热导率可以达到587 W/(m.K),进一步提高熔渗温度和延长保温时间时,该复合材料的致密度没有显著变化,热导率下降,这主要与界面结构变化引起的界面热阻变化有关。熔渗过程存在孕育期,熔渗温度低于1 200℃或压力低于20 MPa时,复合材料的致密度较低,甚至不能完成熔渗。     

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/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。     

石墨鳞片表面镀铬对石墨鳞片/铜复合材料组织和性能的影响

通过盐浴镀覆在石墨鳞片表面镀铬,随后采用真空热压烧结技术制备了镀铬石墨鳞片/铜复合材料,研究了铬镀层的表面形貌和物相组成,并分析了铬镀层对石墨鳞片/铜复合材料显微结构和性能的影响。结果表明,盐浴镀铬层主要由Cr₃C₂和Cr₇C₃组成,经热压烧结后Cr₇C₃与石墨反应生成了Cr₃C₂;石墨鳞片表面镀铬可以明显减少石墨鳞片/铜复合材料界面处的孔隙,提高复合材料的热导率和抗弯强度,与未镀覆的复合材料相比,当镀铬石墨鳞片的体积分数为60%时,复合材料平面热导率相从594 W·m-1·K-1提高至625 W·m-1·K-1,抗弯强度提升65%。     

Corrosion Behavior of Cu-Cr Alloy in 3.5% NaCl + NH3 Solution

The corrosion behavior of Cu-Cr alloy in 3.5% NaCl NH3 solution had been studied, and the influences of the concentration of NH3 on corrosion resistance discussed by means of Metallograph, XRD, SEM and electrochemical method. The results show that the Cu is easier to corrosion than Cr, and the corrosion rate increases with the increasing of the concentration of NH3, and deformation worsen the corrosion resistance of the alloy in such corrosive environment.     

热等静压Cr3 C2/Ni3 Al复合材料的微观组织及相组成

采用热等静压技术(HIP)在1160℃、100 MPa 条件下制备出 Cr3 C2/Ni3 Al 复合材料,研究了 Cr3 C2/Ni3 Al复合材料的微观组织和相组成。结果表明,Cr3 C2初始颗粒首先溶解成 Cr 和 C 原子,并往基体中扩散;冷却过程中,溶解的Cr和C原子转化为稳定的Cr7 C3结构;由于 Ni3 Al合金中的 Fe易与 C形成稳定碳化物,促使Fe原子从基体中往Cr7 C3结构中发生上坡扩散,并取代Cr7 C3结构中的部分Cr原子形成 M7 C3(M为 Cr、Fe,余同)结构的扩散相。当Cr3 C2初始颗粒较大时,在高温过程中,Cr3 C2颗粒未能全部溶解,而未溶解的 Cr3 C2颗粒芯部在冷却过程中仍保持为Cr3 C2结构。该条件下制备的Cr3 C2/Ni3 Al复合材料主要由Cr3 C2硬芯相、M7 C3扩散相和γ′-Ni3 Al基材相组成,其中Cr3 C2硬芯相和γ′-Ni3 Al基材相通过M7 C3扩散相形成良好的扩散连接;该结构的复合材料磨损后表面Cr3 C2颗粒末发生剥落且沟槽在铬碳化物处发生中断,表现出良好的耐磨性。     

热压烧结法制备石墨/铜铬自润滑复合材料的组织性能

将机械合金化所制得的铜铬合金粉末,采用热压烧结法制备成石墨/铜铬复合材料,并着重分析了其组织性能。结果表明,随着铬含量的增加,复合材料的相对密度和电导率逐渐降低,硬度逐渐升高,抗弯强度先升后降且于铬含量为1%时达到最大。其中含1%Cr和2%C复合材料的相对密度为99.82%,电导率为85.57%IACS,硬度为HBS 69.34,抗弯强度为330MPa。与常规冷压烧结法相比,热压烧结法所制备复合材料的晶粒更加细小,增强相分布更加均匀,故其综合性能更加优异。     

微波烧结过程中Cu_(60)Cr_(40)合金组织演变的研究

采用机械合金化和冷压微波烧结法制备了Cu_(60)Cr_(40)合金,通过X射线分析和SEM扫描电镜分析Cu_(60)Cr_(40)合金的相组成和显微组织,研究了微波烧结过程中Cu_(60)Cr_(40)合金组织的演变规律。结果表明:Cu_(60)Cr_(40)合金粉体和冷压压坯组织呈层片状;随烧结温度的提高,Cu_(60)Cr_(40)合金压坯在烧结过程中由层片状组织向短棒状或球棒状转变,晶界逐渐明显,孔隙减少,致密度增加,由固相烧结转变为液相烧结。     

Thermo-mechanical processing of Cu-Cr alloys prepared by using electro slag crucible melting

Cu-Cr ingots of Cr contents of up to 2 Wt % were prepared by melting copper scrap using electroslag crucible melting (ESCM). Chromium addition to copper was carried out by in-situ reduction of chromium oxide present in the slag. The Cu-Cr ingots produced were subjected to up to 90% rolling reduction using different combination of rolling and heat treatment. A range of microstructure and mechanical properties was obtained. Alloys with recrystallised microstructure exhibited lower strength and higher ductility. The alloys prepared by ESCM compare well with Cu-Cr alloys reported in the literature. The ESCM route is more attractive as it uses copper scrap for melting and in-situ reduction of chromium oxide for alloying of chromium. ESCM also enables preparation of alloy with high (up to 2%) Cr content.     

Interface characterization of duplex metal-coated SiC fiber-reinforced Ti-15-3 matrix composites

The interfacial reaction behavior of duplex metal (Cu/Mo and Cu/W)-coated SiC (SCS-6) fiber-reinforced Ti-15-3 composites, before and after thermal exposure, has been studied. The effect of thermal exposure on the shear sliding resistance of these composites was also obtained using a thin-specimen push-out test. The results are compared to those of an original SiC (SCS-6) fiber-reinforced Ti-15-3 composite. The interfacial reaction behavior is strongly affected by the existence of a coating layer. Both the Cu/Mo and Cu/W coating layers prevent the growth of a reaction layer. However, the coatings could not effectively prevent diffusion of alloying elements; only the W layer exists after the thermal exposure. On the other hand, the interface shear sliding stress minimally depends on the duplex metal coating layers prior to the thermal exposure, and this sliding stress in both the SiC/Cu/Mo/Ti-15-3 and SiC/Cu/W/Ti-15-3 composites decreases slightly relative to that in the SiC/Ti-15-3 composite. After thermal exposure, the interface shear sliding stress increases for the SiC/Ti-15-3 composite. In distinction, the interface shear sliding stress significantly decreases after thermal exposure in both the SiC/Cu/Mo/Ti-15-3 and SiC/Cu/W/Ti-15-3 composites. Theses behaviors are attributed to the decrease of radial clamping stress, which originates from a volume expansion associated with the β → α phase transformation.     

电感耦合等离子体原子发射光谱法测定Cr20Ni80镍铬合金溅射靶材中多种元素

提出了一种用电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)法直接测定Cr₂₀Ni₈₀镍铬合金溅射靶材中主量元素Cr和次量元素Si、Mn、P、Cu、Fe、Ti、Ce的分析方法。在低温加热下用硝酸-盐酸混合酸(V_硝酸∶V_盐酸∶V_水= 65∶200∶735)溶解试样,选择Si 251.612 nm、Mn 257.611 nm、P 178.287 nm、Cr 284.984 nm、Cu 324.754 nm、Fe 259.941 nm 、Ti 334.941 nm 和Ce 418.660 nm的光谱线作为分析线,大量基体元素如镍、铬、钇产生的基体效应影响可以通过基体匹配方法消除,谱线的重叠干扰和非光谱干扰不明显。测定主量元素Cr时,由于检测信号的短时漂移和波动对测定有影响,可以通过加入内标元素Y克服。对4种Cr₂₀Ni₈₀镍铬合金溅射靶材试样中上述8种元素进行测定,结果的相对标准偏差均小于2%,对Cr₂₀Ni₈₀镍铬合金标样中Si、Mn、P、Cr、Cu、Fe、Ti进行测定,测定值与认定值相符。     

Copper alloy-impregnated carbon-carbon hybrid composites for electronic packaging applications

Porous carbon-carbon preforms, based on three-dimensional networks of PAN (Polyacrylonitrile)-based carbon fibers and various volume fractions of chemical vapor-deposited (CVD) carbon, were impregnated by oxygen-free, high-conductivity (OFHC) Cu, Cu-6Si-0.9Cr, and Cu-0.3Si-0.3Cr (wt pct) alloys by pressure infiltration casting. The obtained composites were characterized for their coefficient of thermal expansion (CTE) and thermal conductivity (K) along the through-thickness and two in-plane directions. One composite, with a 28 vol pct Cu-0.3Si-0.3Cr alloy, showed outstanding potential for thermal management applications in electronic applications. This composite exhibited approximately isotropic thermal expansion properties (CTE=4 to 6.5 ppm/K) and thermal conductivities (k≥260 W/m K).