热管理用金刚石/铜复合材料的界面构建及其组织与热导率研究

本文采用盐浴镀覆构建不同类型、不同厚度镀层金刚石颗粒,再无压熔渗制备出不同界面金刚石/铜复合材料。系统研究了镀W、Cr、Ti三种不同镀层的形成机制、物相结构及镀层厚度的表征与调控工艺,分析了三种不同镀层类型复合材料的组织形貌、界面结合、界面结构。重点研究了不同镀层对金刚石/铜复合材料的组织及热导率的影响。三种不同盐浴镀覆研究结果如下:(1)金刚石盐浴镀W在1100℃下开始发生镀覆反应,获得致密且可调控的镀W层的适宜工艺:镀覆温度为1150℃,保温时间10min-120min,且在此工艺参数内镀层厚度可调控在1.18-3.24μm之间。镀层结构由外至内按W含量降低的顺序形成物相分别为W-W2C-WC相。热震实验表明镀层结合良好。(2)金刚石盐浴镀Cr在700℃下Cr元素与金刚石表面的C原子开始扩散反应生成Cr2C。升高温度或延长保温时间使扩散反应充分后,碳化物层主要转化为高Cr含量的Cr7C3相。获得致密且可调控的镀Cr层的适宜工艺为:镀覆温度750-850℃,保温时间30-120min,且在此工艺参数内镀层厚度可调控在0.6-3μm之间。根据镀层SEM形貌结合热震实验测试表明:镀层厚度不宜超过3μm,否则,在冷却过程中形成过大的热应力而导致开裂、开脱现象;镀层致密包裹的前提下,镀层越薄与金刚石的结合能力越强。镀层结构由外到内按Cr含量降低的顺序形成物相分别为Cr-Cr7C3-Cr2C-Crx Cy-金刚石。(3)金刚石盐浴镀Ti起始镀覆温度约800℃,主要生成TiC,且以点状蜂窝堆积包裹形成镀层。获得完整可调控的镀Ti层的适宜工艺为:镀覆温度800-900℃,保温时间60-120min,在此工艺参数内镀层厚度可调控在0.69-2.18μm之间。镀钛层结构由外到内分别为Ti-TiC-金刚石,热震实验表明镀层结合良好。对孔隙率约42%的不同镀层金刚石预制坯,在纯度为99.99%氩气气氛下无压熔渗制备出金刚石/铜复合材料,不同界面复合材料的组织及热导率研究结果如下:(1)镀W预制坯的最佳熔渗工艺及其Diamond-W/Cu复合材料性能:当镀W厚度约3μm时,1300℃保温60min无压熔渗,其热导率最高达660 W/(m·K),致密度高达97.9%。随着镀W厚度的增加,界面润湿性增强,界面结合强度明显增强。复合材料相对致密度从87.2%到98.1%显著提高,热导率从280 W/(m·K)到660 W/(m·K)显著提高随后略有下降。复合材料断裂方式从界面碳化钨与铜基体之间的脆性断裂向基体塑性与金刚石穿晶断裂转变。金刚石与界面之间形成WC化学结合,而界面与铜基体之间依靠CuW伪合金咬合连接。(2)对镀Cr预制坯,最佳熔渗工艺及其Diamond-Cr/Cu复合材料性能:当镀Cr厚度约0.51μm,1300℃保温60min无压熔渗,其热导率最高为486 W/(m·K),致密度为96.8%。随着镀Cr厚度的增加,界面结合强度明显下降,复合材料断裂方式从界面-基体部分塑性断裂转为界面碳化铬与金刚石之间的完全脆性断裂;其致密度从96.8%到88.1%显著下降,热导率相应从486 W/(m·K)下降至346 W/(m·K)。界面近金刚石端主要以Cr3C2连接,而近铜端以铜铬合金连接。(3)对不同镀Ti厚度制备的Diamond-Ti/C u复合材料的研究结果表明:镀层愈薄界面润湿性愈差,当镀层厚度约2μm时,1350℃保温60min能制备出Diamond-Ti/Cu复合材料,但其热导率仍较低约268 W/(m·K),其相对致密度为86.8%。镀Ti形成界面近金刚石端以TiC相连接,近铜端形成铜钛合金区连接。复合材料断裂方式集中在界面两侧剥离断裂。通过对Diamond-W/Cu、Diamond-Cr/Cu、Diamond-Ti/Cu三种不同界面复合材料对比分析表明:影响复合材料的热导率关键因素在于其界面相本征热导率及界面结合强弱。镀W形成界面以WC-CuW伪合金钉扎咬合连接,其界面结合最牢固,且界面相WC本征热导率最高,其复合材料热导率高达500 W/(m·K)以上;镀Cr形成界面以Cr3C2-CuCr合金连接,其界面结合强度及界面相Cr3C2本征热导率次之,其复合材料热导率在400W/(m·K)左右;镀Ti形成界面以TiC-CuTi合金连接,其界面结合强度及界面相TiC本征热导率最差,其复合材料热导率不足300W/(m·K)。但Diamond-Ti/Cu与Diamond-Cr/Cu复合材料明显比Diamond-W/Cu具有轻量化优势,其最低密度分别为4.01g/cm3、4.40g/cm3、5.87g/cm3。