CN104087776A - 掺碳增强W-Cu复合材料的制备方法 - Google Patents

掺碳增强W-Cu复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明掺碳增强W-Cu复合材料的制备方法是一种基于有机物掺碳增强W-Cu复合材料的制备方法,该方法利用具有粘附性能的有机物的掺碳工艺,在W粉表面包覆一层有机添加物,将包覆后的W粉置于惰性气氛中进行高温处理使有机添加物发生热解,获得CW复合粉末;然后以CW复合粉末为原料通过包覆的方法制备出CuCW复合粉末;再将CuCW复合粉末在100-500MPa下进行冷等静压获得坯体,最后将坯体放入真空热压炉中进行烧结,获得掺碳增强W-Cu复合材料。本发明可以获得致密度高的掺碳增强W-Cu复合材料,具有W-Cu两相界面热阻低,界面结合力强,热导率高等优点。

Description

掺碳增强W-Cu复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及钨铜复合材料领域,特别是涉及一种掺碳增强钨铜热用复合材料的制备方法,所谓高热导率掺碳增强W-Cu复合材料是指致密度达到94.5%以上、热导率大于225W/mK。
背景技术
W-Cu复合材料是由W和Cu组成的既不互溶又不形成金属间化合物的两相单体均匀混合的材料,一般称为W-Cu假合金(pseudo-alloy)。高致密度一直被认为是W-Cu复合材料获得优良性能的前提,近年来广大科研工作者发展了机械合金化法、纳米粉末法及活化烧结法等新型的制备方法来获得高致密度的W-Cu复合材料。但是,在机械合金化和纳米粉末法中,随着W、Cu晶粒的不断细化,W-Cu之间的晶界也会迅速增多,界面热阻增大,从而降低了复合材料的热导率,同时机械合金化过程中产生的Fe、O、C等杂质也会对复合材料的性能产生影响。而活化烧结中活化剂的加入会影响Cu相的导电、导热性能,最终降低W-Cu复合材料的导电、导热性能。所以以上方法都不利于W-Cu复合材料在电控方面的的应用。
在电子领域中,为了匹配基板的热膨胀系数,例如电子工业中广泛使用的GaAs、GaN等基板,其热膨胀系数在4-7×10-6/K范围内,因此W-Cu复合材料的配比受到了严格的控制,其中Cu的组分不超过20wt.%,但是为了将大功率电子器件产生的大量热量及时有效导出并耗散,又要求W-Cu复合材料具有高的热导率,即要求W-Cu复合材料中具有较多的Cu相作为导热相。因此,如何在保证匹配电子基板的热膨胀系数的同时,尽可能的提高W-Cu复合材料的热导率成为关键。根据文献报道,在金刚石表面包覆一层高熔点的W/Cr/Mo后,与Cu进行烧结,在金刚石表面生成了高熔点的化合物,相对于活化烧结中低熔点的元素过渡层,高熔点的元素过渡层的扩散现象明显减少,不仅改善了金刚石与Cu之间的界面结合强度,而且极大的降低了金刚石与Cu之间的热阻抗,从而提高了金刚石-Cu复合材料的热导率。
本发明中,在W颗粒表面包覆一定量的有机添加剂(PMMA、PVB等),包覆粉经过热解过程而生成的残留碳,获得具有包覆碳层的W粉,再将处理后的粉末通过化学镀的方法制备出二次包覆Cu的复合粉末。此复合粉末在热压烧结过程中C与W反应,在W颗粒表面原位生成WC,提高了W、Cu颗粒之间的结合性,显著降低了材料的界面热阻,在获得匹配的热膨胀系数的同时,使Cu-W复合材料具有更高的热导率。
根据所查阅的国内外专利与文献的结果表明:目前还没有采用在钨铜界面处掺加一定量的碳元素:利用有机添加剂的粘性和热解过程,将碳元素定区域包覆在钨粉表面,在真空热压烧结的过程中,W和C发生反应生成原位WC,从而改善W与Cu之间的烧结性,同时降低界面热阻抗;再对CW复合粉末进行二次包覆以获得CuCW复合粉末,经过热压烧结过程后可以获得具有理想Cu网络结构,热导率超过225W/mK,最高达到287.5W/mK的W-Cu复合材料的报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:针对现有制备工艺的不足,以有机添加剂包覆W粉,通过热解过程在W颗粒表面形成碳层,再对粉体进行二次包覆Cu层,提供一种可以制备较高热导率的W-Cu复合材料制备方法,该方法可以定区域加入碳元素,经过热压烧结之后形成原位WC,使得W与Cu具有更好的烧结性,界面热阻降低,过渡层的扩散少,工艺可控,所制备的W-Cu复合材料具有致密度高,热导率高的特点。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案:
本发明提供的掺碳增强W-Cu复合材料的制备方法是一种基于有机物掺碳增强W-Cu复合材料的制备方法,该方法利用具有粘附性能的有机物的掺碳工艺,在W粉表面包覆一层有机添加物,将包覆后的W粉置于惰性气氛中进行高温处理使有机添加物发生热解,获得CW复合粉末;然后以CW复合粉末为原料通过包覆的方法制备出CuCW复合粉末;再将CuCW复合粉末在100-500MPa下进行冷等静压获得坯体,最后将坯体放入真空热压炉中进行烧结,获得掺碳增强W-Cu复合材料。
所述的利用具有粘附性能的有机物的掺碳工艺为:W粉、有机添加剂的混合质量比为100:1-10:1,热解温度为400℃-700℃。
所述在CW复合粉末表面包覆一层Cu是采用化学镀法,具体为:CuSO4·5H2O浓度为5g/L-40g/L,酒石酸钾钠的浓度为15g/L-120g/L,稳定剂浓度为5mg/L-30mg/L,温度为25℃-80℃。
本发明所述的将坯体放入真空热压炉中进行烧结的工艺为:真空度为9.0×10-3-2.0×10-4Pa,烧结温度为800℃-1100℃,保温时间为1-4h,施加压力大小为20-150MPa。
所述的W粉的纯度为99.9%,粒径为1-10μm。
所述的有机添加物为具有良好的热塑性和粘结性的航空级纯度PVB或PMMA,。
本发明提供上述的掺碳增强W-Cu复合材料的制备方法,其所制备的掺碳增强W-Cu复合材料的技术参数为:致密度≥94.5%,复合材料的热导率≥225W/mK。
本发明与现有技术相比具有以下主要的优点:
通过控制有机物掺碳工艺(有机物种类、有机物添加量、热解温度)获得具有一定包覆厚度的CW复合粉末,控制化学镀工艺(反应温度、反应物浓度)再获得具有一定包覆厚度的CuCW复合粉末,然后通过控制真空热压烧结工艺制度(烧结温度、保温时间、烧结压力),制备出致密度高(大于94.5%)、导热率高(大于225W/mK)的W-Cu复合材料。
本发明获得CuCW复合粉末与文献结果相比,C元素定区域添加在W和Cu的界面处,有机物掺碳工艺简单易行;Cu致密地包覆在CW表面,且采用工业中容易利用的化学镀的工艺;获得的W-Cu复合材料的热导率与文献报道结果相比具有较大的提高,最高达到了287.5W/mK。因此具有工艺可控、热导率很高等优点。
附图说明
图1为W-Cu复合材料的制备工艺流程图。
图2为有机物掺碳工艺后CW复合粉末的XRD图谱。
图3为有机物掺碳工艺后CW复合粉末的SEM图谱。
图4和图5为化学镀工艺后的CuCW复合粉末的SEM图谱。
图6为烧结后W-Cu复合材料的XRD图谱。
图7、图8、图9、图10和图11为烧结后W-Cu复合材料抛光样的SEM图谱。
图12为烧结后W-Cu复合材料的TEM微观结构图。
图13为不同PVB加入量烧结后W-Cu复合材料的WC生成量曲线。
图14为不同WC含量的W-Cu复合材料烧结体的密度、致密度曲线。
图15为不同WC含量的W-Cu复合材料烧结体的热导率曲线。
具体实施方式
本发明是一种基于有机物热解掺碳增强的钨铜复合材料的制备方法,具体是:利用有机物的粘附性能,在原料W粉表面包覆一层有机添加物,将包覆后的W粉置于惰性气氛中进行高温处理使有机添加物发生热解形成一定量的碳,获得CW复合粉末,以CW作为原料W粉的改性,然后以CW复合粉末为原料通过包覆的方法制备出CuCW复合粉末,再将CuCW复合粉末在100-500MPa下进行冷等静压获得坯体,最后将坯体放入真空热压炉中进行烧结,高温生成原位WC改善W与Cu之间的烧结性,同时降低界面热阻抗,得到掺碳增强的热导率超过225W/mK的W-Cu复合材料。
为了更好地理解本发明,下面结合实施例作进一步说明。
实施例1:
将原料W粉和有机添加物在酒精溶剂的中按照质量百分比W粉:有机添加物=100:1(有机物添加量为1wt.%)混合均匀,其中W粉粒径为10μm,将混合之后的包覆W粉置于惰性气氛中进行高温处理,获得CW复合粉末。然后采用化学镀的方法,以CW复合粉末为原料制备CuCW复合粉末。再将CuCW复合粉末在400MPa下进行冷等静压获得坯体,最后放入真空热压炉中,按指定烧结工艺进行烧结,烧结工艺为950℃-100MPa-2h,具体来说,升温至950℃,在950℃保温2h,烧结压力为100MPa,随炉自然降温,得到致密W-Cu复合材料。
所述的有机物掺碳工艺为:有机添加物为航空级纯度PVB,热解温度为500℃。
所述CW复合粉末化学镀的工艺为:CuSO4·5H2O浓度为15g/L,酒石酸钾钠的浓度为45g/L,稳定剂浓度为15mg/L,温度为65℃,稳定剂采用2,2-联吡啶。
所述冷等静压的工艺为:压力为400MPa,保压30min。
采用阿基米德排水方法测得该W-Cu复合材料的密度为15.29g/cm3,致密度达97.66%,热导率为238.2W/mK。抛光面对应图7,WC生成量对应图13,密度、致密度数据对应图14,热导率数据对应图15。
实施例2:
将原料W粉和有机添加物在酒精溶剂的中按照质量百分比W粉:有机添加物=20:1(有机物添加量为5wt.%)混合均匀,其中W粉粒径为10μm,将混合之后的包覆W粉置于惰性气氛中进行高温处理,获得CW复合粉末。然后采用化学镀的方法,以CW复合粉末为原料制备CuCW复合粉末。再将CuCW复合粉末在500MPa下进行冷等静压获得坯体,最后放入真空热压炉中,按指定烧结工艺进行烧结,烧结工艺为1000℃-100MPa-2h,具体来说,升温至1000℃,在1000℃保温2h,烧结压力为100MPa,随炉自然降温,得到致密W-Cu复合材料。
所述的有机物掺碳工艺为:有机添加物为航空级纯度PVB,热解温度为600℃。
所述CW复合粉末化学镀的工艺为:CuSO4·5H2O浓度为15g/L,酒石酸钾钠的浓度为45g/L,稳定剂浓度为10mg/L,温度为60℃,稳定剂采用2,2-联吡啶。
所述冷等静压的工艺为:压力为500MPa,保压45min。
采用阿基米德排水方法测得该W-Cu复合材料的密度为15.01g/cm3,致密度达95.9%,热导率为287.5W/mK。抛光面对应图8,WC生成量对应图13,密度、致密度数据对应图14,热导率数据对应图15。
实施例3:
将原料W粉和有机添加物在酒精溶剂的中按照质量百分比W粉:有机添加物=13.33:1(有机物添加量为7.5wt.%)混合均匀,其中W粉粒径为5μm,将混合之后的包覆W粉置于惰性气氛中进行高温处理,获得CW复合粉末。然后采用化学镀的方法,以CW复合粉末为原料制备CuCW复合粉末。再将CuCW复合粉末在400MPa下进行冷等静压获得坯体,最后放入真空热压炉中,按指定烧结工艺进行烧结,烧结工艺为950℃-100MPa-2h,具体来说,升温至950℃,在950℃保温2h,烧结压力为100MPa,随炉自然降温,得到致密W-Cu复合材料。
所述的有机物掺碳工艺为:有机添加物为航空级纯度PVB,热解温度为600℃。
所述CW复合粉末化学镀的工艺为:CuSO4·5H2O浓度为20g/L,酒石酸钾钠的浓度为60g/L,稳定剂浓度为15mg/L,温度为65℃,稳定剂采用2,2-联吡啶。
所述冷等静压的工艺为:压力为400MPa,保压30min。
采用阿基米德排水方法测得该W-Cu复合材料的密度为14.85g/cm3,致密度达95%,热导率为245.5W/mK。抛光面对应图9,WC生成量对应图13,密度、致密度数据对应图14,热导率数据对应图15。
实施例4:
将原料W粉和有机添加物在酒精溶剂的中按照质量百分比W粉:有机添加物=10:1(有机物添加量为10wt.%)混合均匀,其中W粉粒径为10μm,将混合之后的包覆W粉置于惰性气氛中进行高温处理,获得CW复合粉末。然后采用化学镀的方法,以CW复合粉末为原料制备CuCW复合粉末。再将CuCW复合粉末在500MPa下进行冷等静压获得坯体,最后放入真空热压炉中,按指定烧结工艺进行烧结,烧结工艺为1050℃-100MPa-2h,具体来说,升温至1050℃,在1050℃保温2h,烧结压力为100MPa,随炉自然降温,得到致密W-Cu复合材料。
所述的有机物掺碳工艺为:有机添加物为航空级纯度PVB,热解温度为500℃。
所述CW复合粉末化学镀的工艺为:CuSO4·5H2O浓度为25g/L,酒石酸钾钠的浓度为75g/L,稳定剂浓度为25mg/L,温度为55℃,稳定剂采用2,2-联吡啶。
所述冷等静压的工艺为:压力为500MPa,保压30min。
采用阿基米德排水方法测得该W-Cu复合材料的密度为14.78g/cm3,致密度达94.6%,热导率为229.1W/mK。抛光面对应图10,WC生成量对应图13,密度、致密度数据对应图14,热导率数据对应图15。
实施例5:
将原料W粉和有机添加物在酒精溶剂的中按照质量百分比W粉:有机添加物=50:1(有机物添加量为2wt.%)混合均匀,其中W粉粒径为10μm,将混合之后的包覆W粉置于惰性气氛中进行高温处理,获得CW复合粉末。然后采用化学镀的方法,以CW复合粉末为原料制备CuCW复合粉末。再将CuCW复合粉末在400MPa下进行冷等静压获得坯体,最后放入真空热压炉中,按指定烧结工艺进行烧结,烧结工艺为1000℃-100MPa-4h,具体来说,升温至1000℃,在1000℃保温4h,烧结压力为100MPa,随炉自然降温,得到致密W-Cu复合材料。
所述的有机物掺碳工艺为:有机添加物为航空级纯度PVB,热解温度为500℃。
所述CW复合粉末化学镀的工艺为:CuSO4·5H2O浓度为20g/L,酒石酸钾钠的浓度为60g/L,稳定剂浓度为20mg/L,温度为55℃,稳定剂采用2,2-联吡啶。
所述冷等静压的工艺为:压力为400MPa,保压30min。
采用阿基米德排水方法测得该W-Cu复合材料的密度为15.11g/cm3,致密度达96.4%,热导率为268.1W/mK。抛光面对应图11,WC生成量对应图13,密度、致密度数据对应图14,热导率数据对应图15。

Claims (7)

1.一种掺碳增强W-Cu复合材料的制备方法,其特征是一种基于有机物掺碳增强W-Cu复合材料的制备方法,该方法利用具有粘附性能的有机物的掺碳工艺,在W粉表面包覆一层有机添加物,将包覆后的W粉置于惰性气氛中进行高温处理使有机添加物发生热解,获得CW复合粉末;然后以CW复合粉末为原料通过包覆的方法制备出CuCW复合粉末;再将CuCW复合粉末在100-500MPa下进行冷等静压获得坯体,最后将坯体放入真空热压炉中进行烧结,获得掺碳增强W-Cu复合材料。
2.根据权利要求1所述的掺碳增强W-Cu复合材料的制备方法,其特征在于所述的利用具有粘附性能的有机物的掺碳工艺为:W粉、有机添加剂的混合质量比为100:1-10:1,热解温度为400℃-700℃。
3.根据权利要求1所述的掺碳增强W-Cu复合材料的制备方法,其特征在于所述的在CW复合粉末表面包覆一层Cu是采用化学镀法,具体为:CuSO4·5H2O浓度为5g/L-40g/L,酒石酸钾钠的浓度为15g/L-120g/L,稳定剂浓度为5mg/L-30mg/L,温度为25℃-80℃。
4.根据权利要求1所述的掺碳增强W-Cu复合材料的制备方法,其特征在于将坯体放入真空热压炉中进行烧结的工艺为:真空度为9.0×10-3-2.0×10-4Pa,烧结温度为800℃-1100℃,保温时间为1-4h,施加压力大小为20-150MPa。
5.根据权利要求1所述的掺碳增强W-Cu复合材料的制备方法,其特征在于所述的W粉的纯度为99.9%,粒径为1-10μm。
6.根据权利要求1所述的掺碳增强W-Cu复合材料的制备方法,其特征在于所述的有机添加物为具有良好的热塑性和粘结性的航空级纯度PVB或PMMA,。
7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的掺碳增强W-Cu复合材料的制备方法,其特征在于所制备的掺碳增强W-Cu复合材料的技术参数为:致密度≥94.5%,复合材料的热导率≥225W/mK。
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