大型综合实验报告

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题目中粒度W90-Cu合金材料的工艺研究

学生姓名贾霁

学号 0603000000

指导教师 *****

学院 *************学院

专业班级 ******************班

一实验背景及内容

由于钨铜材料具有高的导电导热性能，因而可以作为大功率电子及半导体器件的热沉材料；同时，钨铜合金含有较大体积分数的低热膨胀系数的钨，并且可以通过调整其中的钨含量调控合金的热膨胀系数，达到与半导体器件中硅、砷化镓及陶瓷壳体的热膨胀系数相匹配，大大降低原来使用的高热膨胀系数的铜、铝等材料在封装时引起的热应力，提高器件的可靠性和使用寿命。因此钨铜材料作为电子封装及热沉材料的应用正在日益增长，对其性能也有着更高的要求。

目前钨铜复合材料多采用粉末冶金方法来制备，由于这种制备方法的限制使得钨铜复合材料内部始终存在一定量的残余空洞不能达到完全的致密，这极大的影响了材料的性能。本次实验研究的是W90-Cu制备工艺的研究，由于该合金钨含量较高，制备不易，且成品率很低，不能在生产实践中广泛的运用。本文初步研究了样品质量同密度的关系以及钨铜复合材料热锻造的基本工艺参数，采用了钨铜复合材料的高速压制方法来提高钨铜复合材料的密度，使其致密化，通过热锻造的方法使钨铜复合材料产生塑性变形，进一步提高材料的致密度以改进其强度和导电导热性能，优化钨铜复合材料的生产工艺，适应钨铜材料应用发展的需要。

二实验仪器

TG31精密天平

Y41-100型1000KN单柱液压机

63吨的双盘摩擦压力机

FL-3000S2热导仪

耐驰DIL-402-PC热膨胀仪

2QJ-542试验机

sirior-200场发射扫描电镜

三实验过程

本实验采用的是5-6μm的钨粉，并加入1%的诱导铜混粉，经静压、高速压制后进行熔渗，使样品W含量达到90%。后经铣平面、精磨镀镍等工序以获得成品，并测其热导、热膨胀系数、气密性等性能。实验过程如下：

(1)钨粉的预处理

四 结果与讨论

4.1 压制工艺对钨骨架致密度的影响

4.1.1 钨铜混合粉末的制备

混粉SEM 形貌如图2所示。由于混粉中铜的含量很少，且粒度较小，所以观察不明显。图中的较大的晶体均为钨颗粒，而铜则较多分布在边缘和缝隙之中。

配粉压型 脱胶渗铜 铣平退高速性能

热锻 二次热

退火 退火

a b

图2 掺甘油酒精的钨铜混粉SEM 形貌

a 、2000× ;

b 、4000×

图1流程图

样品经静压预成型、高速压制后能谱分析如3（右）所示，钨铜含量分析如表1：

表1 钨铜含量分析

由表1可知：钨骨架中铜的质量分数为1.32%，大于实验中混粉是所加1%的诱导铜。这是由于手工混粉的不均匀性和铜的偏聚现象所造成的。

4.1.2 预成型压坯的制备

本次试验静压、预烧和高速压制三个步骤的变形率和密度变化如表2所示：

表2样品静压、预烧、高速压制后的密度变化

状

态

平均厚

度（mm）

平均

线变

形率

骨架密

度

( g/cm3 )

骨架密

度提高

率

相对密

度Element Wt% At%

CuK 01.32 03.71

WL 98.68 96.29

Matrix Correction ZAF

图3 能谱分析

静

压16.83

- 11.05 - 57.25% 脱

胶预烧16.7

2

0.65% 10.85 -1.80% 56.24%

热锻10.7

36.0% 15.98 47.28% 82.77%

由于脱胶预烧时，样品中成型剂的排出，密度稍有较小。而高速压制之后，钨骨架的密度提高到了15.98 g/cm3，相对密度也从56.24%提高到82.77%，甚至超过了W90-Cu所需的钨骨架密度，这说明通过高速压制的方法，采用中粒度钨粉可以制备出W90-Cu所需钨骨架。

4.1.3 能量密度与高速压制坯密度的关系

试验第一步共制5个样片，分别编号为1、2、3、4、5。规格均为30×24，混粉质量分别为：147.2g、135.8g、124.5g、158.5g、113.2g。静压后和高速压制后（不考虑脱胶对其影响）样品的骨架密度及相对密度等参数分别如表3和4所示。

表3 静压成型后样品的基本参数

表4高速压制后样品基本参数

样品厚度（mm ） 质量(g) 纯钨质量骨架密度相对

密渗铜质量1 12.54 151.8 150.3 15.86 82.19 20.7 2 11.78 144 142.6 16.13 83.58 19.6 3 10.86 132.6 131.3 16.10 83.42 18.1 4 9.73 119.1 117.9 16.25 84.17 16.2 5 9.81 120.8

119.6

16.20

83.94

15.0

由表3可知静压后样品的骨架密度平均值为11.02g/cm 3，相对密度平均值为57.21%。距W90-Cu 的理论密度还相差很多，可知静压后样品致密度很低。由表3-4可知，静压后样品经高速压制后平均密度达到了16.07g/cm 3，相对密度达到了83.46%超过了理论的相对密度80.65%，可知样品的密度已达到预期要求。

对静压后及高速压制后样品质量对相对密度作图。则可以看出样品的相对密度随质量的变化曲线，如图4所示。在静压成型时，质量变化对密度几乎没有影响，曲线为平直的直线。而高速压制时，样品相对密度随样品质量的增大而减小，主要是因为质量较小的样品厚度较薄，其所受重力势能较大，单位体积所受的能量密度

40

4550556065

70758085相对密度/%