[发明专利]钨铜银碳体系复合材料及其制备方法

说明书

本发明是一种钨铜银碳体系复合材料的制备方法，具体是：采用低温烧结致密化和多次化学包覆的方法，将有机碳源裂解在W粉颗粒表面纳米界面修饰WC润湿层得到Ag@Cu@WC@W复合包覆粉末，将Cu粉颗粒表面定区域的微量包覆添加Ag烧结助剂层得到Ag@Cu复合包覆粉末，然后将这两种粉末进行球磨混合均匀，再将混合均匀粉末在100‑500MPa下进行冷压获得坯体，最后对坯体进行真空或气氛烧结，得到高性能、高钨含量的W‑Cu‑Ag‑C体系复合材料。本发明制备方法简易可控、成本低廉，组成成分可控精准，可以获得致密度高的W‑Cu‑Ag‑C体系复合材料，复合材料具有成本低、电学、热学、力学等综合性能优良的特点。

技术领域

本发明涉及复合材料，特别是一种高性能、高钨含量的钨铜银碳体系复合材料及其低温烧结制备方法，所制备的W-Cu-Ag-C体系复合材料具有硬度≥215HV、抗弯强度≥780MPa、热导率≥198W/(m·K)、电导率≥46.2％IACS的特点。

背景技术

传统的二相复合材料是以具有较好的导热性能及加工性能的纯金属如Al、Cu及Invar和Kovar合金为代表，此类材料虽然具有较高的热导率，但是由于热膨胀系数较大，而且组分单一，材料的热膨胀系数范围较窄，与匹配的半导体材料相差很大，在使用过程中热膨胀系数差异大是电子元器件内存在热应力的主要原因，从而影响到电子器件的使用寿命。为了保证材料的高导热性的同时，一般以Al、Cu、Ag为基体，通常添加具有低热膨胀系数的金属或陶瓷颗粒作为增强体，如W、Mo、BN、SiC等，或者添加具有极高热导率的增强体，如金刚石、碳纤维等。众所周知，金属和陶瓷间的熔点相差太大，互不相溶，组成的复合材料是一种典型的假复合材料，烧结难度大。通常情况下，采用粉末冶金方法制备金属基陶瓷复合材料容易在烧结时产生膨胀，难以烧结致密，最高致密度一般仅为92％～95％，以至于导电、导热性能低，漏气率高，难以满足现代微电子工业的要求。

Zn溶入Cu晶胞后，将占据Cu的正常节点位置形成置换固溶体，从而起到固溶强化的作用，固溶强化效果随着复合材料元素的增加而增强。但王群骄的研究结果表明，在W-Cu-Zn复合材料中，随Zn含量的增加，复合材料强度出现先增加后降低的现象。同时，Zn的引入，会使W-Cu-Zn复合材料的热学性能降低。

张晓辉等人的研究表明，Cu-Ag复合材料有高电导率和高强度的特点。铜的导电性好，但微细铜粉比表面积大，化学性质活泼，因而易被氧化，铜的氧化物不导电，使铜基复合材料的导电性降低。采用较不活泼的银在铜粉表面进行镀覆，可防止铜粉氧化、提高其热稳定性。银的导电性比铜好，Ag@Cu复合粉体的导电性比单一铜粉好。Ag由于具有较低的热膨胀系数(19.5×10^-6/K)，高的热导率(429W/mK)，添加到铜相中可以很好的改善材料热学性能，成为复合材料增加相的选择。袁颖等人采用滴入化学镀法在铜粉末表面包覆一层金属银，完全包覆结构的镀银铜粉具有较好的热稳定性，抗氧化温度可以达到800℃以上,而未完全包覆的镀银铜粉在300℃即开始氧化。

本发明通过包覆的方法在Cu的表面包覆Ag制备出Ag@Cu复合包覆粉末，再与经过多次化学包覆的方法制备出Ag@Cu@WC@W复合粉末混合烧结，这样不仅有利于形成完整的铜相网络，也将Ag均匀地掺入到铜相之中，达到增强复合材料强度的目的。

根据所查阅的国内外专利与文献的结果表明：目前还没有采用同时对Cu表面进行Ag包覆和有机碳源裂解在W颗粒表面纳米界面修饰WC润湿层和Cu表面定区域的微量包覆添加Ag烧结助剂层，同时制备出Ag@Cu复合包覆粉末和Ag@Cu@WC@W复合包覆粉末，以Ag@Cu作为Cu的改性；对W进行WC层纳米界面润湿，再包覆Cu、Ag，以获得具有理想Cu网络结构的W-Cu-Ag-C体系复合材料，通过真空或者气氛烧结制备出具有抗弯强度达1050MPa的W-Cu-Ag-C体系复合材料的报道。

发明内容