W-Cu三層梯度熱沉材料的制備和性能研究.pdf

1、W-Cu復(fù)合材料在大功率器件中被視為一種良好的熱沉材料,但隨著微波器件不斷小型化、高度集成、高功率的發(fā)展而產(chǎn)生的高發(fā)熱率,現(xiàn)有的均質(zhì)W-Cu復(fù)合材料很難滿足電子基板散熱性能方面的要求.W-Cu梯度功能材料被認為是解決這一問題的有效方法.本文致力于研究結(jié)合機械合金化和粉末冶金技術(shù)制備高性能W-Cu梯度熱沉材料的可行性. 采用Kerner混合法則計算W-Cu功能梯度材料各層的物性參數(shù),參照功能梯度材料成分分布的冪函數(shù):f<,cu>=

2、(z/t<,FGM>)<'p>,設(shè)計了封裝層、過渡層和傳熱層成分分別為W-20Cu、W-35Cu和W-50Cu的三層W-Cu梯度功能材料. 利用機械合金化技術(shù)制備了W-20Cu、W-35Cu和W-50Cu三個成分的納米晶復(fù)合粉,采用XRD、SEM、TEM等手段對復(fù)合粉進行了表征,并研究了W、Cu合金化過程.結(jié)果表明,W-20Cu、W-35Cu復(fù)合粉經(jīng)過高能球磨,Cu固溶進W晶格中,完全形成W(Cu)固溶體;W-50Cu復(fù)合粉經(jīng)過

3、高能球磨,形成W(Cu)和Cu(W)雙向固溶體.W、Cu的合金化主要是依靠高能球磨過程中產(chǎn)生的大量納米晶界和高密度的缺陷(位錯、層錯等)促使W、Cu之間的固溶.W-Cu復(fù)合粉的晶粒尺寸隨著球磨時間的延長而減小,球磨一定時間后,晶粒尺寸趨于穩(wěn)定.球磨20h后,W-20Cu、W-35Cu和W-50Cu復(fù)合粉的W(Cu)晶粒尺寸分別為6.6nm、6.5nm和8.Onm. 為了獲得最佳球磨時間,本文還研究了W、Cu球磨時間對W-Cu復(fù)合

4、材料組織和性能的影響.結(jié)果表明,隨著球磨時間的延長,W-Cu燒結(jié)體的組織越來越均勻,鎢晶粒越來越小,Cu相分布也越來越均勻.W-Cu燒結(jié)體密度、收縮率、硬度、抗彎強度隨球磨時間的延長而增大,球磨20h的W-cu復(fù)合粉燒結(jié)體熱導(dǎo)率達到峰值,繼續(xù)球磨,熱導(dǎo)率減小.綜合考慮所有研究結(jié)果,認為20h是本實驗制備W-Cu納米晶復(fù)合粉的最佳球磨時間. 將經(jīng)過20h高能球磨所制備的W-20Cu、W-35Cu和W-50Cu納米晶復(fù)合粉分層疊壓后

5、,在不同溫度下燒結(jié)制備出W-20Cu/W-35Cu/W-50Cu三層梯度熱沉材料,研究了其燒結(jié)工藝,研究了其顯微組織和重要的物理力學(xué)性能.結(jié)果表明,1200℃燒結(jié)體具有較為理想的顯微組織和較好的物理、力學(xué)性能.此時,Cu形成了連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),分布在W骨架周圍,缺陷也比較少,晶粒尺寸細小.斷面上成分呈梯度分布,并通過高溫下元素的擴散,實現(xiàn)了界面成分和組織的連續(xù)變化,進一步緩和了熱應(yīng)力.1200℃燒結(jié)體各梯度層相對密度達到95﹪以上.120

6、0℃燒結(jié)體的硬度、表觀抗彎強度達到最大,這是由于材料致密度較高的緣故.1200℃燒結(jié)體的表觀熱導(dǎo)率為151.4 w·m<'-1>k<'-1>,封裝層和傳熱層的熱導(dǎo)率分別為127.6 w·m<'-1>k<'-1>和212 W·m<'-1>k<'-1>.在800℃溫差條件下,對1200℃燒結(jié)試樣分別作抗熱震和耐熱疲勞實驗.熱震實驗后,FGM界面處沒有發(fā)現(xiàn)裂紋和開裂現(xiàn)象,表現(xiàn)出良好的抗熱震性能.FGM經(jīng)受住了83次熱循環(huán)沖擊后,W-20Cu和