SPS工艺对铜_金刚石复合材料性能的影响
有高饱和磁通密度和高电阻率的新复合材料
有高饱和磁通密度和高电阻率的新复合材料KenHirota等段曦东译摘要:用放电等离子烧结法在850℃130Mpa烧结5 min,制备了含SuperSendust(86.5-6Si -4Al-3.5Niwt%).和MgFe2O4(75/25mol%)的高密(理论密度的98.6%)复合材料,有1.2T 的高饱和磁通密度和达1×10-2Ω.m的电阻率。
在1 KHz,磁导率达到1000以上,细铁氧体颗粒(~0.6微米)分布在Super Sendust(~30微米)球形颗粒的边界。
关键词:复合材料,磁性材料,电子显微镜,电感谱,电气性质。
1.引言:最近,对有高饱和磁通密度B和高电阻率ρ的磁性材料的需求上升,这样可以进一步小型化高性能电子器件(1)。
Fe-Si—Al合金(2)有高的饱和刺痛密度和高的磁导率μ,而软磁铁氧体(3)有高的电阻率ρ。
这样这些材料的复合材料可以互相补偿。
然而,就我们所知,只有Moro等(4)对复合材料进行过研究。
他研究了Sendus(84.9Fe-9.6Si-5.5Alwt%)和(NiZn)Fe2O4的烧结。
他们报道了为了得到复合材料在烧结之前,A l2O3薄层的形成不可避免。
不幸的是,非磁性相的存在对磁性质和电性质是有害的。
在本研究中,我们尝试制备用放电等离子烧结法(SPS)在850℃烧结5 min,制备了含SuperSendust.和MgFe2O4的高密复合材料,以防止Al2O3的形成在。
在不同的压力烧结下,SPS是典型的压缩烧结,类似于热压,烧结可以在低温和短烧结时间下得到成功。
在本文,我们描述了SPS法制备的复合材料的磁和电性质,及与它们微观结构的关系。
2.实验制备的N2雾化的Super Sendus 合金(86.5-6Si-4Al-3.5Niwt%,Sanyo Special Steel Co.Ltd.,Japan)粉末用开空尺寸为75微米的筛子过筛Super Sendust和MgFe2O4(Nacalai Tesque Co ,Ltd。
高导热金刚石Cu复合材料研究进展
高导热金刚石Cu复合材料研究进展
高导热金刚石/铜(Diamond/Copper)复合材料是一种具有高导热性能的材料,由金刚石颗粒和铜基体组成。
这种复合材料结合了金刚石的优异导热性和铜的良好导电性,具有广泛的应用前景。
以下是关于高导热金刚石/铜复合材料研究的一些进展:
1. 制备技术:制备高导热金刚石/铜复合材料的主要方法包括电化学沉积法、热压法、高压高温法和黏结剂法等。
这些方法可以在金刚石颗粒和铜基体之间形成牢固的结合,并实现优异的导热性能。
2. 导热性能:高导热金刚石/铜复合材料具有出色的导热性能,可以达到甚至超过单晶金刚石。
金刚石颗粒的高导热性能和铜基体的良好导电性使这种复合材料能够有效传导热量,具有广泛的热管理应用潜力。
3. 界面热阻:金刚石颗粒和铜基体之间的界面热阻是影响高导热金刚石/铜复合材料导热性能的重要因素。
研究者通过界面改性、介入层和界面强化等方法来减小界面热阻,以提高导热性能。
4. 织构控制:研究者通过优化工艺和添加适当的添加剂,以控制金刚石颗粒在铜基体中的分布和方向,从而改善复合材料的导热性能。
例如,添加剂可以调节金刚石颗粒的尺寸、形状和分散性,以实现更均匀的导热路径。
5. 应用领域:高导热金刚石/铜复合材料在热管理领域有广泛的应用前景,例如半导体封装材料、电子器件散热器、高功率电子器件、激光器冷却器和热电模块等。
总体而言,高导热金刚石/铜复合材料的研究一直是一个活跃的领域。
通过不断优化制备工艺和界面控制技术,希望能够进一步提高复合材料的导热性能,扩大其在热管理应用中的应用范围和效果。
铜-石墨复合材料的制备 及其摩擦学性能研究
铜-石墨复合材料的制备及其摩擦学性能研究【摘要】铜-石墨复合材料有良好的导电导热性、耐磨减磨性、耐烧蚀性等优点,其在电接触材料、摩擦减磨等领域中的应用潜力已引起了广泛的关注。
因此,本文就现阶段铜-石墨复合材料的制备及其摩擦学性能进行了简略的评述,并对今后的研究方向进行了讨论。
【关键词】铜-石墨复合材料;制备;摩擦学性能1引言载流摩擦副是指具有通过电流功能的摩擦副。
载流摩擦副的正常失效以擦伤为主,同时还有磨粒磨损、腐蚀磨损及氧化磨损;非正常失效包括电烧蚀、冲击断裂、胶合等。
随着对载流摩擦副使用条件的日益苛刻,传统材料已无法满足现在的要求,需要对材料进一步的改进[1]。
集良好的接触润滑性、高导电导热率、低的热膨胀系数、耐熔焊、耐磨和耐电弧烧蚀等特性于一身的铜-石墨复合材料,已被广泛的用于电接触材料、机械零件材料和摩擦减摩材料等领域中。
然而铜和石墨即使在1000℃时润湿角也高达140°,所以只能机械互锁的铜/石墨界面的结合强度较低,成为了限制铜-石墨复合材料应用的瓶颈问题[2]。
因此本文就近年来铜-石墨复合材料的制备方式和摩擦性能进行了较浅的研究。
2 铜-石墨复合材料的制备铜-石墨材料的摩擦学性能,取决于铜基体的性能、石墨与铜的结合强度及石墨在磨损界面形成润滑膜的情况,因此复合材料组分的选择、实验条件的控制对复合材料的性能至关重要。
2.1机械合金化的铜-石墨复合材料冉旭等[3]采用机械合金化后冷压成型和500℃放电等离子烧结(SPS)两种工艺分别制备了铜-石墨复合材料。
XPS分析结果表明,相比于单一铜基,石墨的加入减少了材料对偶件的磨损和摩面间颗粒在磨损过程中的氧化。
并且,石墨的含量能够显著的影响复合材料的摩擦磨损行为,原子分数为10%~31%的复合材料的摩擦系数和磨损率均随石墨含量的增加而明显下降,磨损也由无石墨时的粘着磨损转变为疲劳剥层磨损。
此外,放电等离子烧结工艺制备的复合材料较加压成型工艺制备的复合材料有更好的耐磨减磨性能。
金刚石_铜复合材料的制备及其性能研究
太原理工大学硕士研究生学位论文金刚石/铜复合材料的制备及其性能研究摘要随着电子元器件电路集成规模日益提高,电路工作产生的热量也相应升高,对与集成电路芯片膨胀系数相匹配的封装材料的热导率提出了更高的要求。
本论文以制备高热导率封装材料为目的,以金刚石颗粒、Cu粉、CuTi合金粉末和W靶材作为原材料,分别利用放电等离子体烧结工艺、无压渗透工艺以及金刚石表面镀W后放电等离子体烧结制备Cu/金刚石复合材料,利用X射线衍射分析仪(XRD)研究材料成分、采用扫描电子显微镜(SEM)观察复合材料的组织特征,并且采用激光闪射热导率测试仪测试了复合材料的热导率,着重研究了材料成分对Cu/金刚石复合材料热导率的影响。
本文首先采用无压渗透法制备Cu-Ti/金刚石复合材料。
首先将酚醛树脂和金刚石颗粒混合压制并置于真空烧结炉内800℃碳化处理得到孔隙度为50%的金刚石压坯。
然后将Cu粉和一定质量分数的Ti粉进行均匀混合后对碳化后的金刚石预制体进行包埋熔渗,冷却后得到Cu-Ti/金刚石复合材料。
实验结果表明,当Ti含量低于10wt%时,Cu合金液不能自发渗入多孔金刚石预制体中。
当Ti含量大于10wt%时,Cu-Ti/金刚石复合材料中存在界面层。
随着Ti含量的增加,Cu-Ti/金刚石复合材料致密度从83.2%逐渐增大至89.4%,金刚石颗粒与Cu基体之间的界面层厚度从0.8µm逐渐增大至4µm。
随着基体中Ti含量的增加,复合材料的热导率先增大后减小。
当Ti的质量太原理工大学硕士研究生学位论文分数为15%时,Cu/金刚石复合材料的热导率达到最大值为298W/ (m·K)。
采用扩散不匹配模型对复合材料的理论卡皮查热阻进行理论估算,将所得结果带入Hasselman-Johnson模型对不同Ti含量下制备的Cu-Ti/金刚石复合材料的理论热导率进行计算可知,当Ti含量为15wt%时,复合材料的实际热导率可以达到理论热导率的82%。
放电等离子烧结(sps)
SPS放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering,简称SPS)是制备功能材料的一种全新技术,它具有升温速度快、烧结时间短、组织结构可控、节能环保等鲜明特点,可用来制备金属材料、陶瓷材料、复合材料,也可用来制备纳米块体材料、非晶块体材料、梯度材料等。
1 前言随着高新技术产业的发展,新型材料特别是新型功能材料的种类和需求量不断增加,材料新的功能呼唤新的制备技术。
放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering,简称SPS)是制备功能材料的一种全新技术,它具有升温速度快、烧结时间短、组织结构可控、节能环保等鲜明特点,可用来制备金属材料、陶瓷材料、复合材料,也可用来制备纳米块体材料、非晶块体材料、梯度材料等。
2 国内外SPS的发展与应用状况SPS技术是在粉末颗粒间直接通入脉冲电流进行加热烧结,因此在有的文献上也被称为等离子活化烧结或等离子辅助烧结(plasmaactivatedsintering-PAS或plasma-assistedsintering-PAS)[1,2]。
早在1930年,美国科学家就提出了脉冲电流烧结原理,但是直到1965年,脉冲电流烧结技术才在美、日等国得到应用。
日本获得了SPS技术的专利,但当时未能解决该技术存在的生产效率低等问题,因此SPS技术没有得到推广应用。
1988年日本研制出第一台工业型SPS装置,并在新材料研究领域内推广使用。
1990年以后,日本推出了可用于工业生产的SPS第三代产品,具有10~100t 的烧结压力和脉冲电流5000~8000A。
最近又研制出压力达500t,脉冲电流为25000A的大型SPS装置。
由于SPS技术具有快速、低温、高效率等优点,近几年国外许多大学和科研机构都相继配备了SPS烧结系统,并利用SPS进行新材料的研究和开发[3]。
1998年瑞典购进SPS烧结系统,对碳化物、氧化物、生物陶瓷等材料进行了较多的研究工作[4]。
金刚石_铜复合材料热导率研究
金刚石/铜复合材料热导率研究*刘永正(北京航空材料研究院先进复合材料国防科技重点实验室,北京100095)摘 要: 采用放电等离子烧结法制备了金刚石/铜复合材料,并研究了增强体粒径及体积分数对复合材料热导率的影响。
结果表明复合材料的热导率随粒径的增大而略有增加,当体积分数10%时热导率最高。
X 射线衍射谱图显示制备过程中金刚石未发生石墨化。
关键词: 金刚石/铜;复合材料;热导率中图分类号: TB331文献标识码:A 文章编号:1001 9731(2009)增刊 0323 031 引 言随着电子技术的不断发展,电子元器件集成化程度越来越高,发热量也越来越大,微处理器及功率半导体器件在应用过程中常常因为温度过高而无法正常工作。
散热问题是电子信息产业发展面临的主要技术瓶颈之一[1,2]。
金刚石的室温热导率为600~2200W/(m K),热膨胀系数0.810-6/K[3]。
目前人工合成金刚石技术已十分成熟,生产成本大幅下降,使人造金刚石在复合材料中的大规模应用成为可能。
如何发挥金刚石的高导热性质来制备各种复合材料,是各国科学家广泛关注的问题[4~7]。
在金属材料中,铜具有良好的热导率,但其热膨胀系数过大,因此可以考虑以铜为基体,金刚石颗粒为增强体制备金刚石/铜复合材料。
本文采用放电等离子烧结法制备了金刚石/铜复合材料,主要研究了金刚石的粒径及体积分数对复合材料热导率的影响。
2 实 验实验用原料为电解铜粉(纯度99.7%),人造金刚石为颗粒形状不规则的普通研磨级单晶金刚石(粒径分别为20~30、40~60、60~80 m)。
将金刚石颗粒与铜粉按金刚石所占体积分数分别为5%、10%、20%、40%、60%进行配料,然后在混料机中进行混料。
将混合后的粉末装入直径 20m m的石墨模具中,在SPS 1050T放电等离子烧结炉中真空加压烧结,压力20M Pa,烧结温度900!,到温后保温5min,随炉冷却至200!后取出。
放电等离子烧结法制备金刚石_Cu复合材料_淦作腾
2) 高温下金刚石有石墨化的倾向。 放电等离子烧结(Spark plasma sintering,简称SPS)
工艺是近年来发展起来的一种新型的材料制备方法。
图2 铜粉SEM形貌 Fig.2 SEM Morphology of copper powder
与传统的烧结方法相比,SPS具有升温速度快、组织 结构可控、节能环保等优点[5],制得的烧结样品晶粒 均匀、致密度高,力学性能好[6]。
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ρ 为样品密度,kg/m3;Cp 为样品比热容,J/(kg·K)。
温度下(800~1 000 ℃)进行烧结,既有部分铜粉熔化, 提高铜对金刚石的润湿性,又能减少界面处因降温而
2 结果与讨论
出现的缝隙,从而使材料烧结致密。图 4 即为本组实 验中具有良好致密度样品的金刚石与铜在界面处的结
合状况。
2.1 致密度对热导率的影响 根据粉末烧结理论,材料的理论烧结温度应该是
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50774005) 收稿日期:2009-09-30;修订日期:2009-10-25 通讯作者:任淑彬,讲师,博士。电话:010-82377286;E-mail:sbren@
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粉末冶金材料科学与工程
2010 年 2 月
环便出现分离[3]。现有的电子封装材料,如 W/Cu、 Mo/Cu、SiCp/Al、SiCp/Cu、BeO/Cu 等复合材料,均 难以满足未来高功率器件的散热需求。因此,研制热
膨胀系数与半导体材料完全匹配的超高热导材料具有
重要意义。
金属铜的热导率高、价格低、容易加工,是最常 用的封装材料。但铜的热膨胀系数 CTE(17×10−6/K) 与 Si(4.1×10−6/K)和 GaAs(5.8×10−6/K)相差较大。自 然界中,金刚石不但具有较高的热导率,可以达到 600~2 000 W/(m·K),而且其热膨胀系数也很低(0.8× 10−6/K),作为导热材料具有巨大的应用潜力。当前人 工合成金刚石技术已很成熟,其生产成本大幅度下降,
sps烧结的原理特点及应用
SPS烧结的原理特点及应用1. SPS烧结技术简介Spark Plasma Sintering (SPS)技术是一种新兴的粉末冶金烧结技术,通过加热和加压的方式将粉末材料迅速致密化,实现高温下的快速烧结。
该技术具有快速、均匀、高效、节能等特点,被广泛应用于陶瓷、金属、合金和复合材料的制备过程中。
2. SPS烧结的原理SPS烧结技术通过在加热过程中施加电压和电流来加速烧结过程。
具体原理如下:•高频强电场效应:在SPS烧结设备中,通过施加电压和电流,产生高频强电场效应。
这会引起粉末材料内部颗粒之间的电荷迁移,促使颗粒发生定向运动,并形成半导体接触点,提高烧结速率。
•局部化热效应:在SPS烧结过程中,由于高频电场的存在,颗粒之间会发生局部加热现象。
这种局部热效应可以使粉末材料迅速达到高温,提高烧结速率。
•微观扩散效应:SPS烧结过程中,高温下的热激活能降低,颗粒间的扩散速率增加,从而促进颗粒之间的粘结和致密化。
3. SPS烧结的特点SPS烧结技术具有以下一些独特的特点:•快速烧结速度:相比传统烧结方法,SPS烧结具有更快的烧结速度。
这是由于高频强电场效应、局部化热效应以及微观扩散效应的共同作用,使得粉末材料迅速烧结致密。
•高烧结温度:SPS烧结技术可以实现高温下的烧结过程,可达到材料的熔点附近温度。
这使得SPS烧结可以应用于高温烧结材料的制备。
•均匀致密度:SPS烧结过程中,由于高频强电场效应的存在,粉末材料的颗粒会定向运动,并且在高温下扩散并粘结在一起,从而实现均匀的致密度。
•节能环保:相比传统烧结方法,SPS烧结技术具有更高的能量利用率和烧结效率,减少了能源的浪费和环境污染。
4. SPS烧结的应用SPS烧结技术在多个领域得到广泛应用,以下是一些主要应用领域的列举:•陶瓷材料:SPS烧结技术可以用于陶瓷材料的制备,包括高性能陶瓷、氧化物陶瓷和复合陶瓷等。
其快速烧结、高致密度、优良力学性能等优点,使得SPS烧结成为陶瓷材料制备的重要方法。
一种SPS快速制备镀钛金刚石铜复合材料的方法[发明专利]
专利名称:一种SPS快速制备镀钛金刚石铜复合材料的方法专利类型:发明专利
发明人:王长瑞,李宏钊,李治佑,敬奇,陈明和,谢兰生
申请号:CN202010433493.3
申请日:20200521
公开号:CN111590080A
公开日:
20200828
专利内容由知识产权出版社提供
摘要:本发明公开了一种SPS快速制备镀钛金刚石铜复合材料的方法,属于复合材料技术领域,该方法为:一、分别称取镀钛金刚石粉末颗粒以及铜粉末颗粒,并将二者放入滚筒式球磨机中进行机械混合;二、球磨之前在球磨机滚筒中通入氩气,待氩气充满滚筒内部后进行球磨;所述的球磨参数为:球磨转速550r/min;球磨时间12h;三、球磨结束后,将混合均匀的金刚石/铜粉装入石墨模具中,预先压制;四、将装好混合粉末的模具置于LABOX‑325R型放电等离子烧结炉进行烧结;利用本发明的方法能够烧结制备金刚石体积分数为50%的镀钛金刚石铜基复合材料,能够解决金刚石/铜复合材料界面结合弱及热导率低等问题。
申请人:南京航空航天大学
地址:210016 江苏省南京市秦淮区御道街29号
国籍:CN
代理机构:江苏圣典律师事务所
代理人:王慧颖
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sps是什么材料
sps是什么材料SPS是什么材料。
SPS是一种新型的粉末冶金材料,全称为Spark Plasma Sintering,即为电子束等离子烧结技术。
它是一种通过加热和压力作用将粉末材料烧结成块状材料的先进工艺。
SPS技术是近年来发展起来的一种新型烧结技术,相比传统的烧结工艺,具有更高的烧结速度、更低的烧结温度以及更好的烧结质量。
SPS技术的工作原理是通过在短时间内加热和加压粉末材料,使其在高温下迅速烧结成块状材料。
在SPS设备中,粉末材料被置于导电模具中,然后通过施加电流和压力来加热和压缩粉末,从而实现快速烧结。
相比传统的烧结工艺,SPS技术能够在较低的温度下完成烧结过程,从而减少了能耗和烧结时间,同时也能够得到更均匀、致密的材料。
SPS技术广泛应用于各种粉末材料的烧结制备过程中,包括金属、陶瓷、复合材料等。
在金属材料的烧结中,SPS技术能够得到高密度、细晶粒的金属材料,具有优异的力学性能和导电性能。
在陶瓷材料的烧结中,SPS技术能够得到高硬度、高强度的陶瓷材料,具有优异的耐磨性和耐高温性能。
在复合材料的烧结中,SPS 技术能够实现多种材料的复合烧结,从而得到具有多种性能的复合材料。
除了在材料烧结制备过程中的应用外,SPS技术还被广泛应用于材料的烧结改性和再制造领域。
通过SPS技术,可以实现对材料微观结构和性能的精密调控,从而得到具有特定性能的材料。
同时,SPS技术还可以实现对废旧材料的再利用,从而实现对资源的有效利用和环境的保护。
总的来说,SPS技术作为一种新型的粉末冶金材料烧结技术,具有独特的优势和广泛的应用前景。
随着材料科学和工程技术的不断发展,SPS技术将在各种材料的制备和改性过程中发挥越来越重要的作用,为材料领域的发展带来新的机遇和挑战。
SPS技术的发展也将推动材料制备工艺的进步,为人类社会的可持续发展做出贡献。
sps是什么材料
sps是什么材料SPS是什么材料。
SPS(Spark Plasma Sintering)是一种新型的粉末冶金加工技术,它能够通过快速升温和高压下的等温压制,实现金属、陶瓷、复合材料等粉末材料的致密化成型。
SPS技术在材料制备领域具有广泛的应用前景,因此对于SPS是什么材料这个问题,我们有必要进行深入的了解和探讨。
SPS技术是一种通过电热和机械压力相结合的方法,将粉末材料加热到高温并施加压力,使粉末颗粒之间发生扩散和结合,最终形成致密的材料。
相比传统的热压法和热等静压法,SPS技术具有加热速度快、压制时间短、温度均匀等优点,能够有效降低材料的晶粒尺寸和孔隙率,提高材料的力学性能和电学性能。
在金属材料方面,SPS技术可以制备高性能的金属材料,如钛合金、铝合金、镍基合金等。
通过SPS技术,可以实现粉末金属材料的高密度、细晶粒和均匀组织,提高材料的力学性能和耐热性能,满足航空航天、汽车制造等领域对材料性能的要求。
在陶瓷材料方面,SPS技术也有着广泛的应用。
通过SPS技术制备的陶瓷材料具有致密的微观结构和优异的力学性能,如高硬度、高抗压强度、高耐磨性等,适用于耐磨材料、结构陶瓷、功能陶瓷等领域。
此外,SPS技术还可以制备复合材料,如金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。
通过SPS技术,可以实现不同材料之间的致密结合,提高复合材料的界面结合强度和耐磨性能,拓展了复合材料在航空航天、汽车制造、能源等领域的应用范围。
总的来说,SPS是一种高效、节能、环保的材料制备技术,具有广泛的应用前景。
通过SPS技术制备的材料具有优异的性能,可以满足不同领域对材料性能的要求,推动材料制备技术的发展和创新。
随着SPS技术的不断完善和推广,相信它将在材料制备领域发挥越来越重要的作用。
金刚石铜复合材料作为散热材料的热导率与膨胀的研究
金刚石铜复合材料作为散热材料的热导率与膨胀的研究摘要:在金刚石表面涂上含有少量碳化物元素(包括B,Cr,Ti,Si)的铜溅射物制备金刚石/铜复合材料的金属粉末,碳化物形成元素影响金刚石复合材料的微观结构和热导率。
研究发现Cu-0.5B覆盖在金刚石上形成的复合材料有相当高的硬度并且他的热导率达到300W/(m.K)。
0.5%的B的加入量能提高界面的融合并且减少金刚石与铜的热界面,而1%Cr的加入使界面层脱离金刚石表面。
Cu-0.5B覆盖在金刚石表面形成的复合材料的实际界面导热系数远高于Cu-1Cr组成的复合材料,说明材料界面的内在导热系数是影响金刚石复合材料热导率的重要因素。
关键词:金刚石/铜复合材料碳化物形成元素热导率热边界热阻界面层1简介热考虑在电子包装设计中变得急切重要因为装置不停增长的功率产生越来越多的热量,因此热沉材料需要有效的热导率和相互匹配的热膨胀系数。
金刚石复合材料有希望满足这些要求,ib类型合成金刚石的热导率估计在1 500−2 000 W/(m·K),铜是最重要的导热和电子应用材料之一。
它能达到400 W/(m·K)的优秀的热导率和16.32×10−6 K−1的热膨胀系数。
金刚石加固铜合基被认为有助于满足日益增长的热导需求。
美国的丁伟迪报告说通过烧结金刚石和铜已经能达到600 W/(m·K)的热导率。
但是通过粉末冶金制作的复合材料被证明是界面粘合变差因为纯的流动的铜不沾金刚石。
因为界面胶合不好以及在表面的不协调的热导率界面热阻变成一个难题。
实验数据表明界面缝隙降低了复合材料的热导效果在镍-钠硼硅酸盐体系中。
在这个工作中,铜基复合材料用引发等离子烧结的方法制备在金刚石表明缓慢的磁溅射以前。
碳化物包含Cr, B, Si, Ti是用来助于提高金刚石/铜复合材料的粘合和热导,界面层对热导率的贡献正在讨论中。
2实验金刚石颗粒表面覆盖铜合金通过磁溅射。
石墨烯–金刚石
第52卷第7期表面技术2023年7月SURFACE TECHNOLOGY·177·腐蚀与防护石墨烯–金刚石/铜复合材料的电化学腐蚀性能研究王伟豪1,王秒1,刘大钊1,盛捷2,陶锋1,王志俊1(1.安徽工程大学 材料科学与工程学院,安徽 芜湖 241000;2.哈尔滨工业大学空间环境与物质科学研究院,哈尔滨 150001)摘要:目的通过引入石墨烯和纳米金刚石,提高铜基体的硬度和抗腐蚀性能。
方法通过球磨、原位生长复合的方法,向铜粉上均匀引入纳米金刚石和石墨烯,并采用放电等离子烧结(SPS)制备石墨烯–金刚石混杂强化铜基复合材料(Gr@Dia/Cu)。
利用扫描电子显微镜(SEM)、硬度计、电化学工作站对材料的微观组织形貌、显微硬度、电化学腐蚀性能进行测试和表征。
此外,还利用X射线光电子能谱(XPS)对腐蚀产物进行分析,并讨论Gr@Dia/Cu的腐蚀机理。
结果微观组织分析表明,石墨烯和纳米金刚石可以均匀地分散于铜基体中。
Gr@Dia/Cu的硬度达到了97.49HV,相较于纯Cu,Gr@Dia/Cu的硬度提高了55.2%。
在3.5wt%的NaCl溶液中,Gr@Dia/Cu表现出较好的抗腐蚀性能,其腐蚀电压为98 mV(纯Cu为121 mV),Gr@Dia/Cu的腐蚀电流为3.082×10–7 A/cm2(纯铜为7.293×10–7 A/cm2),腐蚀速率低至0.072 3 mm/a,抗腐蚀效率提高了57.74%。
Gr@Dia/Cu的腐蚀产物中含有Cu2O、Cu(OH)2和CuO,与其他样品相比,Gr@Dia/Cu 的腐蚀产物中CuO的相对含量(22.03%)明显较高。
结论原位生长的石墨烯由于自身良好的抗渗透性和化学惰性,可以大大提高铜基体的抗腐蚀性能,并且石墨烯可以在腐蚀过程中诱导产生致密的CuO钝化层,进一步提高材料的抗腐蚀性能。
关键词:石墨烯;铜基复合材料;原位生长;混杂强化;硬度;电化学腐蚀中图分类号:TG172 文献标识码:A 文章编号:1001-3660(2023)07-0177-09DOI:10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.07.015Electrochemical Corrosion Properties of Graphene-diamond/Copper CompositesWANG Wei-hao1, WANG Miao1, LIU Da-zhao1, SHENG Jie2, TAO Feng1, WANG Zhi-jun1收稿日期:2022–06–24;修订日期:2022–10–12Received:2022-06-24;Revised:2022-10-12基金项目:国家自然科学基金(52001002);中国博士后科学基金(2021M690180);安徽工程大学引进人才科研启动基金(2020YQQ036);安徽省自然科学基金项目(2008085ME131);安徽省高校自然科学研究重大项目(KJ2020ZD37)Fund:Program of National Natural Science Foundation of China (52001002); China Postdoctoral Science Foundation (2021M690180); Scientific Research Starting Foundation of Anhui Polytechnic University of China (2020YQQ036); Natural Science Foundation of Anhui Province (2008085ME131); University Nature Science Research Project of Anhui Province (KJ2020ZD37)作者简介:王伟豪(1998—),男,硕士研究生,主要研究方向为金属基复合材料。
金刚石铜复合材料作为散热材料的热导率与膨胀的研究
金刚石铜复合材料作为散热材料的热导率与膨胀的研究摘要:在金刚石表面涂上含有少量碳化物元素(包括B,Cr,Ti,Si)的铜溅射物制备金刚石/铜复合材料的金属粉末,碳化物形成元素影响金刚石复合材料的微观结构和热导率。
研究发现Cu-0.5B覆盖在金刚石上形成的复合材料有相当高的硬度并且他的热导率达到300W/(m.K)。
0.5%的B的加入量能提高界面的融合并且减少金刚石与铜的热界面,而1%Cr的加入使界面层脱离金刚石表面。
Cu-0.5B覆盖在金刚石表面形成的复合材料的实际界面导热系数远高于Cu-1Cr组成的复合材料,说明材料界面的内在导热系数是影响金刚石复合材料热导率的重要因素。
关键词:金刚石/铜复合材料碳化物形成元素热导率热边界热阻界面层1简介热考虑在电子包装设计中变得急切重要因为装置不停增长的功率产生越来越多的热量,因此热沉材料需要有效的热导率和相互匹配的热膨胀系数。
金刚石复合材料有希望满足这些要求,ib类型合成金刚石的热导率估计在1 500−2 000 W/(m·K),铜是最重要的导热和电子应用材料之一。
它能达到400 W/(m·K)的优秀的热导率和16.32×10−6 K−1的热膨胀系数。
金刚石加固铜合基被认为有助于满足日益增长的热导需求。
美国的丁伟迪报告说通过烧结金刚石和铜已经能达到600 W/(m·K)的热导率。
但是通过粉末冶金制作的复合材料被证明是界面粘合变差因为纯的流动的铜不沾金刚石。
因为界面胶合不好以及在表面的不协调的热导率界面热阻变成一个难题。
实验数据表明界面缝隙降低了复合材料的热导效果在镍-钠硼硅酸盐体系中。
在这个工作中,铜基复合材料用引发等离子烧结的方法制备在金刚石表明缓慢的磁溅射以前。
碳化物包含Cr, B, Si, Ti是用来助于提高金刚石/铜复合材料的粘合和热导,界面层对热导率的贡献正在讨论中。
2实验金刚石颗粒表面覆盖铜合金通过磁溅射。
SPS对铜电沉积过程的表面作用机理研究
四川师范大学学报(自然科学版)JOURNAL OF SICHUAN NORMALUNIVERSITY (NATURAL SCIENCE)1999年 第22卷 第1期 Volume22 No.1 1999聚二硫二丙烷磺酸钠对铜电沉积过程的表面作用机理研究李 权 摘要 酸性镀铜溶液中表面活性剂聚二硫二丙烷磺酸钠的表面作用机理表现为:吸附态的聚二硫二丙烷磺酸钠与Cu+形成表面络合物阻化铜离子的电沉积.铜的电结晶过程符合二维圆盘状瞬时成核模式. 关键词 聚二硫二丙烷磺酸钠; 电沉积; 镀铜 中图法分类号 O646.541STUDY ON SURFACE ACTION MECHANISM OF SODIUMPOLYDITHIO-DIPROPYL SULFONATEFOR COPPER ELECTRODEPOSITIONLi Quan(Department of Chemistry, Sichuan Normal University, Chengdu 610066, Sichuan) Abstract The surface action mechanism of sodium polydithio-dipropyl sulfonate in acidic Cu-plating bath indicates that the surface complex produced by adsorbed sodium polydithio-dipropyl sulfonate and Cu+resists copper ions’ electrodeposition. The electro crystallization process of copper corresponds to two dimensional disc instaneous coregrowing model. Key words Sodium polydithio-dipropyl sulfonate; Deposition; Cu-plating 电镀添加剂大多数是有机物质,结构复杂,在电镀过程中表现出光亮、整平、细化晶粒等宏观作用.显然,这些宏观特征是由添加剂的分子结构及其在电极溶液界面上的电化学微观机理决定的.所以,非常有必要研究讨论添加剂的微观作用机理. 已有的研究表明[1],酸性光亮镀铜添加剂聚二硫二丙烷磺酸钠(Sodium Polydithio-dipropyl Sulfonate,结构式:具有光亮、整平等宏观作用.作者在本文采用微电极两点法[2,3]研究讨论了聚二硫二丙烷磺酸钠的表面作用机理.1 实验1.1 循环伏安(CV)实验 (1) 实验仪器:BAS-100电化学综合测试仪(美国);两电极体系:20 μ铂微电极(研究电极),大纯铜片电极(辅助电极). (2) 研究体系:CuSO4.5H2O(200 g/L)+H2SO4(60 g/L)(浓)+聚二硫二丙烷磺酸钠(20 mg/L). (3) 测试步骤:在室温 24℃下,用BAS-100仪,以70 mV/s的扫描速度对研究体系进行CV扫描.1.2 电位阶跃实验 (1) 实验仪器和研究体系:同上. (2) 测试步骤:在室温24℃下,用BAS-100,从零电位开始进行-216 mV的电位阶跃扫描.2 结果与讨论2.1 Cu2+与聚二硫二丙烷磺酸钠的界面反应动力学 循环伏安实验测得的结果(如图1所示).由图1可看出:在镀铜溶液中加入聚二硫二丙烷磺酸钠后,使Cu2+的电沉积复杂化,并呈现出特殊的规律性.具体分析如下: 从400 mV向负方向扫描时在-150 mV处有一小电流平阶,放电过程是图1 CuSO4.5H2O+H2SO4(浓)+聚二硫二丙烷磺酸钠体系的CV曲线 -200~-700 mV间的曲线表明电化学控制步骤拉得较长,沉积的一价铜有一个较恒定的表面电化学阻抗(约5.7×104Ω).这种现象证明了吸附态的聚二硫二丙烷磺酸钠首先与Cu+发生表面络合,而后放电.其过程可表述为 扫描电位超过-700 mV以后,立刻出现电流跃升,且一次比一次跃升幅度大;相应回扫的成核感抗环增大.这说明吸附态的聚二硫二丙烷磺酸钠发生了脱附或分解,Cu+脱离络合迅速放电生成大量晶核.其过程可描述为: 回扫电位在100 mV处有一锐峰,200 mV处的溶出峰相对较纯,在300 mV处又有一电流峰,其溶出过程为 络合态的Cu+再失电子较难,故峰较锐、未络合的吸附的聚二硫二丙烷磺酸钠在300 mV时脱附.其过程为 以上分析可见:聚二硫二丙烷磺酸钠的作用主要是通过在电极表面的吸附并与Cu+形成表面络合物来阻化铜离子放电.整个阴极过程以Cu+的表面络合物得电子步骤成为阴极反应的速率控制步骤.而整个阳极过程的速率控制步骤则是Cu+的表面络合物失电子反应.再由反应(Ⅲ)可知:阴极电位超过-700 mV,聚二硫二丙烷磺酸钠会失去其阻化作用,Cu+直接放电,呈现出镀层粗糙、缺乏光亮等宏观结果. 2.2 Cu2+与聚二硫二丙烷磺酸钠电结晶的动力学行为 实验1.2的结果如图2所示.整个曲线分为OA、AB、BC三段,各段的力学机理不一样.图2 CuSO4.5H2O+H2SO4(浓)+聚二硫二丙烷基磺酸钠体系的电位阶跃曲线 OA段电流与时间成直线关系,符合二维圆盘状瞬时成核公式[4].该成核机理表明:在电位阶跃初期,聚二硫二丙烷磺酸钠还未扩散至电极表面阻化Cu2+放电.因此Cu2+是按以下机理快速放电: AB段电流上升趋势减缓,表明聚二硫二丙烷磺酸钠已扩散至电极表面并吸附起到了阻化作用.此时电流与时间的二次方成正比,符合二维圆盘状连续成核公式[4]. BC段聚二硫二丙烷磺酸钠已达饱和吸附,并在电极表面构成恒定的络合力均阻化Cu2+放电.BC段电流增大很小,与时间仍成线性关系,满足二维圆盘瞬时成核公式.但机理与OA段完全不同.原因是吸附态的聚二硫二硫二丙烷磺酸钠的络合阻化作用,中心离子Cu+得电子后无法在平面移动进入晶格,故形成晶核后的生长过程受到阻碍,表现为低电流增长的瞬时成核模式,这也是电化学控制步骤的表现.4 结论 在聚二硫二丙烷磺酸钠的作用下,Cu2+沉积表现为瞬时成核模式,决定了其细化晶粒的作用.二维圆盘状成核模式使得电结晶只能沿侧面生长或生成新晶核.这样在电极表面的突起或凹处,晶层沿表面平伸,使其表现出几何结晶与晶体结构的高度有序性使其具有光亮作用. 聚二硫二丙烷磺酸钠通过吸附并与Cu+形成表面络合物来阻化铜离子的放电.作者简介:李权 男 31岁 博士生作者单位:四川师范大学化学系, 成都 610066参考文献 1 周绍民. 厦门大学学报,1980,1:14 2 叶云川. 电镀与精饰,1990,4:10 3 叶云川,袁华. 现代电镀,1988,4:7 4 周绍民编著. 金属电沉积原理与方法. 上海:上海科技出版社,1987.213~220(编辑 李德华)收稿日期 1998-05-05聚二硫二丙烷磺酸钠对铜电沉积过程的表面作用机理研究作者:李权, Li Quan作者单位:四川师范大学化学系,成都,610066刊名:四川师范大学学报(自然科学版)英文刊名:JOURNAL OF SICHUAN NORMAL UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)年,卷(期):1999,22(1)被引用次数:3次1.周绍民查看详情 19802.叶云川查看详情 19903.叶云川.袁华查看详情 19884.周绍民金属电沉积原理与方法 19871.会议论文黄令.辜敏.杨防阻.许书楷.周绍民聚二硫二丙烷磺酸钠对铜电沉积初期行为的影响研究2002运用循环伏安和计时安培法研究聚二硫二丙烷磺酸钠对铜电沉积初期行为的影响,结果表明,铜的电沉积经历了晶核形成过程,其电结晶按瞬时成核和三维生长方式进行,聚二硫二丙烷磺酸钠对铜的电沉积具有阻化作用,但不改变铜的电结晶机理.2.会议论文李强.辜敏.鲜晓红添加剂PEG/CL/SPS对铜在玻碳电极上电结晶的影响2007用电沉积的方法实现铜在芯片上高深宽比的刻槽中的超等角填充具有独特的优势.要保证微纳米尺寸的电沉积铜线性质的连续性,选择合适的能提高镀液深镀能力的添加剂是关键。
SPS烧结时间对Ti_(2)AlNb合金组织与力学性能的影响
SPS烧结时间对Ti_(2)AlNb合金组织与力学性能的影响陈金坤;姜凤阳;思芳;杜予晅;王俊勃;刘江南
【期刊名称】《钛工业进展》
【年(卷),期】2024(41)3
【摘要】采用高能球磨法和放电等离子烧结技术(SPS)制备了Ti_(2)AlNb合金,研究了不同烧结时间对Ti_(2)AlNb合金微观组织及力学性能的影响。
利用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对合金显微组织及物相结构进行表征,利用万能拉伸试验机对合金拉伸性能进行测试。
结果表明,烧结时间不会改变合金的物相组成,不同烧结时间下所制备的Ti_(2)AlNb合金均由B2相、胞状α2相和针状O相组成;在烧结温度1000℃、烧结时间70min、压强50MPa条件下,Ti2AlNb合金中针状O相数量较多且分布均匀,其室温拉伸强度可达454.6 MPa。
【总页数】5页(P9-13)
【作者】陈金坤;姜凤阳;思芳;杜予晅;王俊勃;刘江南
【作者单位】西安工程大学材料工程学院;西部超导材料科技股份有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TG146.23
【相关文献】
1.放电等离子烧结制备Ti_(2)AlNb及其室温力学性能的研究
2.SiBCN陶瓷和
Ti_(2)AlNb合金瞬时液相扩散连接接头的微观组织和力学性能3.保温时间对瞬时液相扩散连接的Ti_(3)Al/Ti_(2)AlNb接头微观结构及力学性能的影响4.热轧及热
处理对Ti_(2)AlNb合金板材显微组织及力学性能的影响5.Ti_(2)AlNb合金热模拟焊接热影响区的组织与力学性能
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万方数据张毓隽等:SPS工艺对铜,金刚石复合材料性能的影响28No。
.1n冲电流通过粉末颗粒时瞬间产生的放电等离子体,使烧结体内部各个颗粒均匀地自身产生焦耳热,并使颗粒表面活化进而烧结成形的一种方法。
这种放电直接加热法热效率极高,放电点的弥散分布能够实现均匀加热,因而容易制备出均质、致密和高质量的烧结体18母】。
国内外已经有不少研究者将其应用在制备复合材料上【l啪ll】,并取得了很好的效果。
由于铜/金刚石材料是一种新型的复合材料,国内外对其研究还处于起步阶段,而且现在大多数的国外制备工艺都是高温高压法或是熔渗法,而国内的北京科技大学和有色院等【I2l单位刚刚开始对其进行了探索性研究,对于SPS制备铜/金刚石材料来说,还没有一条成熟的工艺。
笔者利用烧结温度、保温时间和烧结压强这三个SPS中主要的工艺参数对复合材料相对密度和热导率的影响,来优化其烧结工艺,制备出热导率和相对密度均较高的铜/金刚石复合材料。
1实验所用原材料为:市售MBD8镀钛金刚石(钛与金刚石质量比为hl000),粒度100“m,市售纯度为99.6%的铜粉,粒度约为20I.tm。
图1为镀钛金刚石粉末表面的SEM照片。
陶1镀铁盒川白的SEM照片Fig.1SEMmicrographofthetitaniumcoateddiamond实验方法为:将金刚石和铜的粉末按体积分数60%混合均匀,送入SPS烧结炉(日本住友DrSinter@SPS—1050)中进行烧结,真空度为4—5Pa,升温速度为1.5℃·s_1,通过改变烧结温度、保温时间和压强等参数来考察复合材料相对密度和热导率的变化。
得到的样品采用排水法测其密度,用LE01450型扫描电镜(SEM)进行组织观察。
采用激光闪烁法(仪器趔号为耐驰LFA427)测定该复合材料的热传导系数,按公式(1)计算热导率A:/t=DrC(1)式中:D为实验测得的热传导系数:r为复合材料的密度,可由排水法测得;C为该复合材料的热容,可按混合法则公式(2)得到:cc=CcuVcu+Ct)iaVoia(2)式中:Cc,cC。
和Cbi。
分别为复合材料、铜和金刚祷的热容;Vc。
和%i。
分别为铜和金刚石的体积分数。
2结果与分析2.1烧结温度的影响笔者采用了750,800,850,900,925和950℃等烧结温度,烧结压强为30MPa,保温时间为10min,来考察烧结温度对烧结体相对密度、热导率等性能的影响。
图2为在不同的烧结温度下,金刚石体积分数为60%,烧结后所得到的烧结体相对密度的曲线图。
从图2中可以看出,烧结温度低于850℃时,材料的相对密度不高,低于90%。
这是由于烧结温度过低,铜粉无法充分地流变进而填充满所有金刚石之间的缝隙。
在850℃及其以上的温度时,相对密度有了很大的提高,但是超过900℃时,相对密度已经趋于稳定,处于96%~98%。
这是由于在SPS烧结的情况下,铜粉在850℃的时候已经能够较好地流变,能够填充满大部分金刚石之间的缝隙。
另外,在烧结温度达到950℃时,铜粉已经发生了融化现象,发生了铜液挤出现象,其数据已经失真,故没有列入。
图3为930℃下烧结体的表面形貌照片,从图中可以明显看出其金刚石周围并不存在明显缝隙,与铜基体结合良好,其相对密度较高。
图2烧结体相对密度随烧结温度的变化曲线Fig.2ChangeofsinteringtemperaturerelativedensityoftheCu/diamondcompositematerial图3930℃F烧结体的表丽形貌j!《{片Fig.3SEMmicrographofsurfacemorphologyoftheCu/diamondcompositematerial930℃图4为同种成分材料和相同工艺条件下,烧结体的热导率随烧结温度变化的曲线。
从图4中可以看到,随着烧结温度的提高,热导率明显升高,从不足100W/(m·K)-1上升到300W/(m·K)-1以上。
这与相对密度的变化趋势一致。
实际上,许多相关 万方数据 万方数据 万方数据SPS工艺对铜/金刚石复合材料性能的影响作者:张毓隽, 童震松, 沈卓身, ZHANG Yujun, TONG Zhensong, SHEN Zhuoshen作者单位:北京科技大学,材料科学与工程学院,北京,100083刊名:电子元件与材料英文刊名:ELECTRONIC COMPONENTS & MATERIALS年,卷(期):2009,28(10)1.Ekimov E A;Suetin N V;Popovich A F Thermal conductivity of diamond composites sintered under high pressures 20082.Hanada K;Matsuzaki K;Sano T Thermal properties of diamond particle-dispersed Cu composites[外文期刊] 2004(0)3.Yoshida K;Morigami H Thermal properties of diamond/copper composite material[外文期刊] 2004(2)4.Matsumoto A Research and development of novel materials by plasma discharge sintering process 1995(11)5.Tokita M Trends in advanced SPS systems and FGM technology 19996.Schubert T;Trindade B;Weibgarber T Interfacial design of Cu-based composites prepared by powder metallurgy for heat sink applications[外文期刊] 2008(1/2)7.童震松;沈卓身金属封装材料的现状及发展[期刊论文]-电子与封装 2005(05)8.黄强;顾明元电子封装用金属基复合材料的研究现状[期刊论文]-电子与封装 2003(02)9.方针正;林晨光;张小勇金刚石/Cu复合材料的烧结致密化研究[期刊论文]-稀有金属 2008(03)10.Ge C C Fabrication of W/Cu and Mo/Cu FGM as plasma-facing materials[期刊论文]-Journal of University of Science and Technology Beijing Mineral Metallurgy Material 2000(02)11.Yano T Effect of sintering method on densification and mechanical properties of Si3N4/SiC composites with nitrates as sintering additives 1998(02)12.周贤良;吴江晖;张建云电子封装用金属基复合材料的研究现状[期刊论文]-南昌航空工业学院学报(自然科学版) 2001(01)1.邓丽芳.朱心昆.陶静梅.尚青亮.徐孟春.DENG Li-fang.ZHU Xin-kun.TAO Jing-mei.SHANG Qing-liang.XU Meng-chun活性元素在铜/金刚石复合材料中的应用[期刊论文]-电子工艺技术2009,30(3)2.尚青亮.陶静梅.徐孟春.李才巨.朱心昆.SHANG Qing-liang.TAO Jing-mei.XU Meng-chun.LI Cai-ju.ZHU Xin-kun电子封装材料用金刚石/铜复合材料的研究进展[期刊论文]-电子工艺技术2009,30(1)3.夏扬.谢元锋.宋月清.郭志猛.曲选辉.Xia Yang.Xie Yuanfeng.Song Yueqing.Guo Zhimeng.Qu Xuanhui高温高压烧结金刚石-铜复合材料的研究[期刊论文]-金刚石与磨料磨具工程2010,30(6)4.马双彦.王恩泽.鲁伟员.王鑫.MA Shuangyan.WANG Enze.LU Weiyuan.WANG Xin金刚石/铜复合材料热导率研究[期刊论文]-热加工工艺2008,37(4)5.邵文柱.甄良.崔玉胜.王岩.杨德庄铜—金刚石电接触复合材料的导电性[期刊论文]-电工材料2002(2)6.黄帅.彭放.寇自力.Huang Shuai.Peng Fang.Kou Zili高导热金刚石/铝和金刚石/铜复合散热材料的研究进展[期刊论文]-金刚石与磨料磨具工程2009(3)7.侯亚平.易丹青.李荐.HOU Ya-ping.YI Dan-qing.LI Jian金刚石化学镀铜工艺研究[期刊论文]-电镀与涂饰2007,26(5)8.夏扬.宋月清.林晨光.崔舜.XIA Yang.SONG Yue-qing.LIN Cheng-uang.CUI Shun界面对热沉用金刚石-Cu复合材料热导率的影响[期刊论文]-人工晶体学报2009,38(1)9.邓安强.樊静波.谭占秋.范根莲.李志强.张荻.Deng Anqiang.Fan Jingbo.Tan Zhanqiu.Fan Genlian.Li Zhiqiang.Zhang Di金刚石/铜复合材料在电子封装材料领域的研究进展[期刊论文]-金刚石与磨料磨具工程2010,30(5)10.石晓琴.江晓红.陆路德.杨绪杰.汪信.Vasilii A Struk.SHI Xiao-Qin.JIANG Xiao-Hong.LU Lu-De.YANG Xu-Jie.WANG Xin.Vasilii A Struk铜/纳米金刚石复合物的结构及其对高氯酸铵热分解的催化作用[期刊论文]-无机化学学报2006,22(2)本文链接:/Periodical_dzyjycl200910012.aspx。