具有Cu网络结构的W-Cu复合材料的低温制备及其性能

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W-Cu复合材料结合了W和Cu的性能优点,具有良好的力学强度、高导电导热、低热膨胀等性能,其在电子封装、电触头、高温等领域有着广泛的应用背景。但采用已有的制备方法在W-Cu复合材料的组分及结构的均匀性、具有Cu贯穿网络特征结构的获得、高导电导热性能的获得等方面难以兼顾,得到的W-Cu复合材料难以满足现代科技对其性能的高要求。因此,创新制备方法,探索在低温下制备致密的、具有Cu贯穿结构的W-Cu复合材料具有非常重要的实用价值。本文首先研究了化学镀相关工艺参数对化学镀Cu过程及镀Cu层相关性质的影响规律,优化了W粉表面化学镀Cu工艺,获得了高纯、定量、包覆效果理想的Cu@W复合粉体;其次研究了利用包覆粉体制备W-Cu复合材料的热压烧结致密化及其机理,获得了具有Cu贯穿网络结构的W-Cu复合材料,最后分析探讨了W-Cu复合材料的微观结构和性能之间的关系。W粉表面化学镀Cu的优化工艺参数为:稳定剂二联吡啶的浓度为20~40mg/L,镀液pH值为12~12.5,镀液温度为40~50℃,五水硫酸铜20g/L,酒石酸钾钠60g/L,38wt.%甲醛溶液20m1/L。在此工艺条件下制备出的Cu含量为20~45wt.%的Cu@W复合粉体定量性好(与设计比例的相对误差在0.51%以内)、纯度高(氧含量在0.1%以内)。利用Cu@w复合粉体实现了W-Cu复合材料的低温致密化,在950℃-100MPa-2h的烧结条件下,W-20-40wt.%Cu复合材料的相对密度可达98%以上。W-Cu复合材料具有高纯的Cu贯穿网络结构。分析认为,Cu@W复合粉体能够实现W-Cu复合材料低温致密化的原因是包覆粉体极大地提高了Cu相分布的均匀性,并使烧结致密化方式发生了改变,即由传统的W-Cu、Cu-Cu共有的烧结转变为几乎只有Cu-Cu的烧结,降低了烧结难度,从而实现了低温致密化。W-Cu复合材料的热导率、热膨胀系数、电导率随Cu含量的增大而增大;其硬度、抗弯强度随着Cu含量的增大而减小。W-20-40wt.%Cu复合材料的热导率为238.6~308.5W/m.K,其热膨胀系数为7.4-10.6x10-6/K,其热性能足以满足电子封装材料领域的使用性能要求,且均超过已有文献报道的最高值。其电导率为29.4-42.0MS/m,远超W-Cu电触头材料国家、行业标准。其维氏硬度为262.1-137.5HV,抗弯强度为989.3-482.8MPa,其力学性能和W-Cu电触头材料国家、行业标准相当。W-Cu复合材料的优异的热学、电学性能和较好的力学性能主要得益于本文利用高纯Cu@W复合粉体获得的高纯Cu贯穿网络结构。对比W-Cu复合材料的热学、电学性能的实验值和各理论模型的计算值发现:热导率与铜含量的关系满足Maxwell模型关系;电导率与铜含量的关系满足Hashin-Shtrikman模型上限值关系;热膨胀系数低于Kemer模型理论计算值。
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