粉末冶金碳纳米管/铜复合材料制备与性能研究

电子工业技术发展日益精进,智能设备、工程机械、运输设备、军工导弹、航空航天等领域内电子元器件功率日益提升,如何将工作产热高效率地排出,研发新型的封装热管理材料成为可行路径之一。铜(Cu)具有优异的电能热能传导能力,但是其力学强度较低;碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)不仅具有超高的电能热能传导能力,而且力学强度较高,但并不能直接应用到封装工艺中。本文希望通过两种材料的复合以满足当前愈为严苛的热管理需求,为改善CNTs团聚难分的状态和CNTs-Cu界面的结合,选用镀铜处理后的碳纳米管(Cu@CNTs)作为增强相弥散分布于Cu基体中,以期获得性能优良的Cu@CNTs/Cu复合材料从而满足工业使用要求。本课题以粉末冶金的相关工艺为基础,以Cu粉和Cu@CNTs作为原始材料,通过“机械混粉—室温压制—真空烧结—热挤压”的工艺流程制得了Cu@CNTs/Cu材料,通过OM,SEM,XRD等表征手段进行观察、分析,并对材料的力学和物理性能进行测试。课题内容主要包含以下部分:在机械混粉工艺制备Cu@CNTs/Cu复合粉末时,100h的混粉过程中原始材料的粉末形貌结构并未被破坏;通过金相与元素面扫描研究了粉末的均匀性,发现随着Cu@CNTs的添加量增多,其团聚现象逐步加重,粉末的均匀性逐步降低。在复合粉末的室温压制过程中,发现压制载荷提升时,致密度随之提升,900MPa后致密度变化不再明显;同工况下,Cu@CNTs添加量增多时,试样的致密度下降。真空烧结过程中,钢套包覆试样表面光洁无开裂,通过对热挤压后试样的XRD分析表明挤压过程中未出现氧化现象。试样致密度跟随工艺进程而不断提升,最终均达到0.965以上;而试样的硬度在烧结时下降,这与加工硬化的消除有关,但最终挤压硬度均达到145HV以上。随着Cu@CNTs添加量的增多,材料屈服强度逐步提升,最高为248MPa(1.5wt%Cu@CNTs/Cu),但过多的添加量并未显著提升其力学强度,主要原因可能与团聚现象存在很大的关联。Cu@CNTs/Cu复合材料强化机制主要为细晶机制、载荷传递机制和热错配机制等,其中基于载荷传递与热错配提出的强度模型存在一定的合理性。分析Cu@CNTs/Cu挤压试样热膨胀、导电、导热等方面的物理性能。热膨胀性能方面,相对于纯Cu来说,Cu@CNTs的加入可以有效降低挤压方向的线性膨胀系数,理论分析挤压方向线性膨胀系数降低与Cu@CNTs定向排布有关。导电性能方面,随着Cu@CNTs添加量的增多,挤压方向电导率下降。导热性能方面,挤压后,挤压方向的热导率明显提升,与Cu@CNTs的定向排布状态和致密化存在很大关系。电导率与热导率实测性能相较于理论偏低,可能受到CNTs-Cu界面,CNTsCNTs界面,残留孔隙,Cu@CNTs自身缺陷以及未理想化定向等因素的影响。