wcu三层梯度热沉材料的制备和性能研究

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1、W．Cu三层梯度热沉材料的制各和性能研究摘要w．Cu复合材料在大功率器件中被视为一种良好的热沉材料，但随着微波器件不断小型化、高度集成、高功率的发展而产生的高发热率，现有的均质w．Cu复合材料很难满足电子基板散热性能方面的要求。w．Cu梯度功能材料被认为是解决这一问题的有效方法。本文致力于研究结合机械合金化和粉末冶金技术制备高性能w．Cu梯度热沉材料的可行性。采用Kemer混合法则计算W．Cu功能梯度材料各层的物性参数，参照功能梯度材料成分分布的幂函数：^=0，，。)，，设计了封装层、过渡层和传热层成分分别为W．20Cu、W．35Cu和W-50

2、Cu的三层、肌Cu梯度功能材料。利用机械合金化技术制备了W一20Cu、W-35Cu和W-50Cu三个成分的纳米晶复合粉，采用XRD、SEM、TEM等手段对复合粉进行了表征，并研究了w、Cu合金化过程。结果表明，W．20Cu、W．35Cu复合粉经过高能球磨，Cu固溶进w晶格中，完全形成W(Cu)固溶体；W．50Cu复合粉经过高能球磨，形成W(Cu)和Cu(W)双向固溶体。W、Cu的合金化主要是依靠高能球磨过程中产生的大量纳米晶界和高密度的缺陷(位错、层错等)促使W、Cu之间的固溶。W-Cu复合粉的晶粒尺寸随着球磨时间的延长而减小，球磨一定时间后，

3、晶粒尺寸趋于稳定。球磨20h后，W-20Cu、W-35Cu和W．50Cu复合粉的W(Cu)晶粒尺寸分别为6．6nm、6．5nm和8．0nm。为了获得最佳球磨时间，本文还研究了W、Cu球磨时间对W．Cu复合材料组织和性能的影响。结果表明，随着球磨时间的延长，W．Cu烧结体的组织越来越均匀，钨晶粒越来越小，Cu相分布也越来越均匀。W—Cu烧结体密度、收缩率、硬度、抗弯强度随球磨时间的延长而增大，球磨20h的W．Cu复合粉烧结体热导率达到峰值，继续球磨，热导率减小。综合考虑所有研究结果，认为20h是本实验制备W-Cu纳米晶复合粉的最佳球磨时间。将经过

4、20h高能球磨所制备的W-20Cu、W-35Cu和W-50Cu纳米晶复合粉分层叠压后，在不同温度下烧结制备出W．20Cu／W-35Cu／W-50Cu三层梯度热沉材料，研究了其烧结工艺，研究了其显微组织和重要的物理力学性能。结果表明，1200℃烧结体具有较为理想的显微组织和较好的物理、力学性能。此时，Cu形成了连续的网络结构，分布在w骨架周围，缺陷也比较少，晶粒尺寸细小。断面上成分呈梯度分布，并通过高温下元素的扩散，实现了界面成分和组织的连续变化，进一步缓和了热应力。1200℃烧结体各梯度层相对密度达到95％以上。1200℃烧结体的硬度、表观抗弯

5、强度达到最大，这是由于材料致密度较高的缘故。1200℃烧结体的表观热导率为151．4W·mok～，封装层和传热层的热导率分别为127．6W·m‘1k。1和212W·mJk～。在800"C温差条件下，对1200℃烧结试样分别作抗热震和耐热疲劳实验。热震实验后，FGM界面处没有发现裂纹和开裂现象，表现出良好的抗热震性能。FGM经受住了83次热循环冲击后，W-20Cu和W-35Cu界面处出现裂缝，但并未失稳断裂，表明材料具有良好的抗热冲击性能和热应力缓和性能。关键词：W-Cu梯度功能材料热沉材料机械合金化粉末冶金FabricationandPrope

6、rtiesofTungsten—CopperThreeLayersHeat-SinkGradientMaterialAbstractw—Cucompositehasbeenregardedasagoodheatsinkofthehighpowermicrowaveapparatus，butwiththedevelopmentofmicrowaveapparatustowardsminiatu“zation，highintegrationandhighpower，whichresultsinhighlythermalgeneration．Thep

7、resenthomogeneousW-Cucompositecan’tmeettherequirementofelectronicboardonheatradiatingproperties．W-CuFGMisapotentialmethodtosolvethisproblem．Inthispaper，thefeasibilitythatW-CuFGMisfabricatedbycombiningmechanicalalloytechniqueandtraditionalpowdermetallurgytechniqueismainlyinve

8、stigated．Threegradientlayersweredesignedaftercalculatingthephysicalparamete