高性能陶瓷顆粒增強銅基複合材料的組織與性能研究

本書前言

本書選用工業化的SiC微米粉體材料，採用化學鍍銅工藝製備了Cu包覆SiCp複合粉體，並對複合粉體的組成和形貌進行了分析。以該複合粉體為原材料，利用真空熱壓燒結和非真空熱壓燒結兩種工藝製備了SiCp體積分數分別為30%、40%和50%的SiCp/Cu複合材料，並對複合材料的微觀組織和界面微觀結構進行了觀察和分析。測試了不同工藝、不同成分下SiCp/Cu複合材料的熱膨脹性能、導熱性能和導電性能等熱物理性能，並分析了增強相含量、顆粒大小和熱處理狀態等因素對複合材料熱物理性能的影響；測試了SiCp/Cu複合材料的硬度和三點彎曲強度，並對複合材料的斷口進行了觀察和分析，最後分析了複合材料的斷裂機制。本書可供金屬及金屬基複合材料領域的大專院校師生、科研與生產人員參考使用。

隨著信息化時代的迅速發展，傳統的電子封裝材料已經不能滿足現代積體電路以及各類電器元件電子封裝的發展要求。由於銅具有熱膨脹係數比鋁低、熱導率比鋁高的特點，故選用銅代替鋁製備電子封裝用銅基複合材料無疑是極具競爭力的候選材料之一。SiCp/Cu複合材料由於綜合了銅和增強體的優良特性而具有較好的導熱、導電性能和可調的熱膨脹係數，因此具有非常廣闊的套用前景。但目前有關該體系的理論研究與套用研究尚不成熟，迫切需要進行更多的探索和研究。

國際上對SiCp/Cu體系的研究起步較晚，直到1996年才有了關於該體系的相關報導。該領域發展比較緩慢的主要原因在於，一方面很難實現Cu和SiC顆粒的均勻分散，另一方面則與兩者之間高溫不潤濕有關。製備SiC/Cu金屬陶瓷複合材料的主要技術難點在於：①如何改善SiC與Cu相互間的潤濕性及化學相容性，解決兩者之間相互不潤濕情況下的結合和均勻、穩定分散。②如何避免由兩者熱膨脹不匹配引起的界面熱應力，從而實現緻密化燒結。③如何合理控制SiCp和Cu高溫下的反應，從而既保證界面結合強度，同時又保持SiCp的顆粒增強效果。

筆者選用工業化的SiC微米粉體材料，採用化學鍍銅工藝製備了Cu包覆SiCp複合粉體，並對複合粉體的組成和形貌進行了分析。以該複合粉體為原材料，利用真空熱壓燒結和非真空熱壓燒結兩種工藝製備了SiCp體積分數分別為30%、40%和50%的SiCp/Cu複合材料，並利用掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)和電子探針(EPMA)對複合材料的微觀組織和界面微觀結構進行了觀察和分析。測試了不同工藝、不同成分下SiCp/Cu複合材料的熱膨脹性能、導熱性能和導電性能等熱物理性能，並分析了增強相含量、顆粒大小和熱處理狀態等因素對複合材料熱物理性能的影響。

研究結果表明，通過適當的化學鍍銅工藝，可以獲得Cu包覆SiCp複合粉體，而且Cu包覆層比較均勻地分布在SiC顆粒表面，Cu包覆層的厚度約為1μm。DSC分析結果表明，SiC顆粒表面的Cu包覆層在990℃時開始熔化。SiC顆粒在銅基體中分布比較均勻，沒有明顯的偏聚現象。無論是利用Cu包覆SiCp複合粉體，還是利用未包覆粉體製備的SiCp/Cu複合材料，隨著SiCp增強相含量的增加，材料的緻密度均呈下降趨勢。在SiCp增強相含量相同的情況下，利用Cu包覆SiCp複合粉體製備的SiCp/Cu複合材料的緻密度要略高於由未包覆粉體製備的SiCp/Cu複合材料；SiC增強相顆粒與銅基體之間的界面乾淨，機械結合良好。在界面處，Cu元素與Si元素有少量的相互擴散，還可以觀察到少量的Cu3Si相的形成。

高性能陶瓷顆粒增強銅基複合材料的組織與性能研究

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