石墨鱗片/銅復合材料的制備與性能研究
發(fā)布時間：2021-10-11 15:34
隨著人們對電子設備性能的要求越來越高,有效的散熱已經成為保證半導體器件穩(wěn)定可靠運行的關鍵,這對電子封裝材料提出了越來越高的要求。石墨鱗片/銅復合材料具有高導熱、易加工和成本低等優(yōu)點,吸引了眾多研究者的關注。然而,由于石墨和銅之間潤濕性較差,從而導致界面結合較弱。本文通過石墨鱗片表面鍍覆和基體合金化兩種方法來改善石墨鱗片和銅之間的界面結合,再通過真空熱壓燒結制備石墨鱗片/銅復合材料。探討了復合材料的最佳制備工藝,研究了石墨體積分數、不同鍍層以及合金元素含量對復合材料組織和性能的影響。研究結果表明:通過鹽浴鍍法可在石墨鱗片表面鍍覆均勻、完整的碳化物鍍層。鹽浴鍍鈦后的鍍層成分為TiC,而鹽浴鍍鉻后鍍層則由Cr7C3和Cr3C2共同組成。采用濕混、多次裝模工藝可以實現石墨鱗片在基體中均勻分布、取向一致。通過真空熱壓燒結在燒結溫度980℃,燒結時間30 min和燒結壓力40 MPa的條件下,可獲得相對密度超過98.5%的復合材料。燒結后鈦鍍層成分未發(fā)生變化,但鉻鍍層中的Cr7C3相與石墨發(fā)生反應轉變成了 Cr3C2。鍍層的引入減少了界面處孔洞等缺陷,顯著改善了界面結合。復合材料具有明顯的各向異性...
【文章來源】：北京科技大學北京市 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：124 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
圖２－１碳材料的熱導率＾??Ｆｉｇ．?２－１?Ｔｈｅｒｍａｌ?ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ?ｏｆ?ｃａｒｂｏｎ?ｍａｔｅｒｉａｌｓ１４７１??
?石墨鱗片／銅復合材料的制備與性能研究???性能好的石墨類增強體，期望制備出高導熱、低膨脹易加工的石墨增強金屬??基復合材料。??２．２石墨類材料概述??２．２．１石墨的結構及導熱機理??石墨雖然與金剛石有著相同的化學成分，但二者的結構完全不同。金剛??石中的碳原子是以ｓｐ３雜化的方式成鍵，而石墨中的碳原子則是以ｓｐ２雜化的??方式和鄰近的三個碳原子形成三個共價單鍵，從而排列成平面六角的網狀結??構。無數層的平面網狀結構堆疊起來形成三維石墨晶體，結構如圖２－２所示。??碳原子網狀平面堆疊的時候，層與層之間會依次錯開六角格子對角線的１／２，??這種錯開方式可以使原子排列更緊密。層與層之間以范德華力結合，同一平??面上，兩個相鄰碳原子間距為０．１４２?ｎｍ，而相鄰網狀平面的層間距為０．３３５??ｎｍ〇??０．３３５?ｎｍｔ??０．１４２?ｎｍ??圖２－２石墨結構示意圖??Ｆｉｇ．?２－２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｇｒａｐｈｉｔｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??石墨晶體在堆疊時有兩種不同的堆垛方式，根據排列方式，石墨可以劃??分為八方晶系石墨和愛形晶系石墨，如圖２－３所不。六方晶系中第二層和第??一層的位置重復，成ＡＢＡＢ……序列，其空間群為Ｐ６３／ｍｎｉＣ。菱形晶系石墨??的第一層與第四層位置重復，成ＡＢＣＡＢＣ……序列，其空間群為Ｄ５３ｄ－Ｒ３ｍ。??天然石墨主要由六方石墨組成，只有極少量的菱形石墨，而菱形石墨多存在??于人工合成石墨之中。??－８?－??
?北京科技大學博士學位論文???，ａ，?（ｂ）ｆ＾Ｖ??＊辦爆ｈ??圖２－３石墨典型的晶體結構：（ａ）六方石墨；（ｂ）菱形石墨??Ｆｉｇ．?２－３?Ｔｙｐｉｃａｌ?ｃｒｙｓｔａｌ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｇｒａｐｈｉｔｅ：?（ａ）?ｈｅｘａｇｏｎａｌ?ｇｒａｐｈｉｔｅ；?（ｂ）?ｒｈｏｍｂｏｈｅｄｒａｌ??ｇｒａｐｈｉｔｅ??當物體內部或者多個物體之間存在溫度差時，熱量將自動從高溫端向低??溫端傳導。在固體中，熱量的傳遞主要有兩種方式，一是通過其內部自由電??子的振動來實現，另一種則是依靠晶格振動即聲子來傳導，如圖２－４所示［６５］。??熱量的傳遞往往是這二者共同作用的結果。對于金屬材料，其內部存在大量??自由電子，熱傳導主要依靠自由電子來實現，聲子對熱傳導的貢獻非常低；??對于非金屬材料，其熱量的傳導主要晶格振動，即聲子運動傳導熱量。??時間??圖２＊４晶格熱振動示意圖１？１??Ｆｉｇ．２－４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｌａｔｔｉｃｅ?ｔｈｅｒｍａｌ?ｖｉｂｒａｔｉｏｎ１６５１??由于石墨特殊的結構，導致其內部熱傳導與上述情況略有不同。在片層??方向上，雖然存在可以自由移動的離域７１電子，但由于其高度有序的晶格排??列以及牢固的ｓｐ２Ｃ－Ｃ鍵，使得熱量在片層方向上仍以聲子傳導為主，其理??－９?－??
【參考文獻】：
期刊論文
[1]填充型聚合物基導熱復合材料的研究進展[J]. 張金成,馮一峻,肖文軍,吳連斌. 杭州師范大學學報(自然科學版). 2019(05)
[2]WCu/MoCu電子封裝材料的研究現狀與發(fā)展趨勢[J]. 王新剛,張潤梅,陳典典,曾德軍,許西慶,袁戰(zhàn)偉. 中國材料進展. 2018(12)
[3]改性氧化石墨烯對環(huán)氧樹脂基復合材料熱膨脹系數影響的研究[J]. 楊松,赫玉欣,馮孟婷,張麗,劉少禎,張興龍,秦明志,陳冰,蔣元力. 化工新型材料. 2019(01)
[4]Devise of a W serpentine shape tube heat exchanger in a hard chromium electroplating process[J]. Surasit Tanthadiloke,Paisan Kittisupakorn,Pannee Boriboonsri,Iqbal M.Mujtaba. Chinese Journal of Chemical Engineering. 2019(01)
[5]Sintering behavior and thermal conductivity of nickel-coated graphite flake/copper composites fabricated by spark plasma sintering[J]. Hui Xu,Jian-hao Chen,Shu-bin Ren,Xin-bo He,Xuan-hui Qu. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2018(04)
[6]C/C復合材料表面反應熔滲法制備SiC-ZrC涂層的組織與結構[J]. 汪沅,周哲,龔潔明,葛毅成,易茂中. 粉末冶金材料科學與工程. 2017(06)
[7]石墨表面TiC涂層對高定向石墨/Cu復合材料熱導率和抗彎強度的影響[J]. 朱英彬,白華,薛晨,呂繼磊,王晨,王俊偉,馬洪兵,江南. 復合材料學報. 2017(11)
[8]電子封裝材料的研究現狀及發(fā)展[J]. 方明,王愛琴,謝敬佩,王文焱. 熱加工工藝. 2011(04)
[9]Effect of carbide formers on microstructure and thermal conductivity of diamond-Cu composites for heat sink materials[J]. 夏揚,宋月清,林晨光,崔舜,方針正. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2009(05)
[10]放電等離子燒結技術與新材料研究[J]. 張久興,張忻,岳明,周美玲,左鐵鏞. 功能材料信息. 2004(03)
本文編號：3430791
【文章來源】：北京科技大學北京市 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：124 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
圖２－１碳材料的熱導率＾??Ｆｉｇ．?２－１?Ｔｈｅｒｍａｌ?ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ?ｏｆ?ｃａｒｂｏｎ?ｍａｔｅｒｉａｌｓ１４７１??
?石墨鱗片／銅復合材料的制備與性能研究???性能好的石墨類增強體，期望制備出高導熱、低膨脹易加工的石墨增強金屬??基復合材料。??２．２石墨類材料概述??２．２．１石墨的結構及導熱機理??石墨雖然與金剛石有著相同的化學成分，但二者的結構完全不同。金剛??石中的碳原子是以ｓｐ３雜化的方式成鍵，而石墨中的碳原子則是以ｓｐ２雜化的??方式和鄰近的三個碳原子形成三個共價單鍵，從而排列成平面六角的網狀結??構。無數層的平面網狀結構堆疊起來形成三維石墨晶體，結構如圖２－２所示。??碳原子網狀平面堆疊的時候，層與層之間會依次錯開六角格子對角線的１／２，??這種錯開方式可以使原子排列更緊密。層與層之間以范德華力結合，同一平??面上，兩個相鄰碳原子間距為０．１４２?ｎｍ，而相鄰網狀平面的層間距為０．３３５??ｎｍ〇??０．３３５?ｎｍｔ??０．１４２?ｎｍ??圖２－２石墨結構示意圖??Ｆｉｇ．?２－２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｇｒａｐｈｉｔｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??石墨晶體在堆疊時有兩種不同的堆垛方式，根據排列方式，石墨可以劃??分為八方晶系石墨和愛形晶系石墨，如圖２－３所不。六方晶系中第二層和第??一層的位置重復，成ＡＢＡＢ……序列，其空間群為Ｐ６３／ｍｎｉＣ。菱形晶系石墨??的第一層與第四層位置重復，成ＡＢＣＡＢＣ……序列，其空間群為Ｄ５３ｄ－Ｒ３ｍ。??天然石墨主要由六方石墨組成，只有極少量的菱形石墨，而菱形石墨多存在??于人工合成石墨之中。??－８?－??
?北京科技大學博士學位論文???，ａ，?（ｂ）ｆ＾Ｖ??＊辦爆ｈ??圖２－３石墨典型的晶體結構：（ａ）六方石墨；（ｂ）菱形石墨??Ｆｉｇ．?２－３?Ｔｙｐｉｃａｌ?ｃｒｙｓｔａｌ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｇｒａｐｈｉｔｅ：?（ａ）?ｈｅｘａｇｏｎａｌ?ｇｒａｐｈｉｔｅ；?（ｂ）?ｒｈｏｍｂｏｈｅｄｒａｌ??ｇｒａｐｈｉｔｅ??當物體內部或者多個物體之間存在溫度差時，熱量將自動從高溫端向低??溫端傳導。在固體中，熱量的傳遞主要有兩種方式，一是通過其內部自由電??子的振動來實現，另一種則是依靠晶格振動即聲子來傳導，如圖２－４所示［６５］。??熱量的傳遞往往是這二者共同作用的結果。對于金屬材料，其內部存在大量??自由電子，熱傳導主要依靠自由電子來實現，聲子對熱傳導的貢獻非常低；??對于非金屬材料，其熱量的傳導主要晶格振動，即聲子運動傳導熱量。??時間??圖２＊４晶格熱振動示意圖１？１??Ｆｉｇ．２－４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｌａｔｔｉｃｅ?ｔｈｅｒｍａｌ?ｖｉｂｒａｔｉｏｎ１６５１??由于石墨特殊的結構，導致其內部熱傳導與上述情況略有不同。在片層??方向上，雖然存在可以自由移動的離域７１電子，但由于其高度有序的晶格排??列以及牢固的ｓｐ２Ｃ－Ｃ鍵，使得熱量在片層方向上仍以聲子傳導為主，其理??－９?－??
【參考文獻】：
期刊論文
[1]填充型聚合物基導熱復合材料的研究進展[J]. 張金成,馮一峻,肖文軍,吳連斌. 杭州師范大學學報(自然科學版). 2019(05)
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[3]改性氧化石墨烯對環(huán)氧樹脂基復合材料熱膨脹系數影響的研究[J]. 楊松,赫玉欣,馮孟婷,張麗,劉少禎,張興龍,秦明志,陳冰,蔣元力. 化工新型材料. 2019(01)
[4]Devise of a W serpentine shape tube heat exchanger in a hard chromium electroplating process[J]. Surasit Tanthadiloke,Paisan Kittisupakorn,Pannee Boriboonsri,Iqbal M.Mujtaba. Chinese Journal of Chemical Engineering. 2019(01)
[5]Sintering behavior and thermal conductivity of nickel-coated graphite flake/copper composites fabricated by spark plasma sintering[J]. Hui Xu,Jian-hao Chen,Shu-bin Ren,Xin-bo He,Xuan-hui Qu. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2018(04)
[6]C/C復合材料表面反應熔滲法制備SiC-ZrC涂層的組織與結構[J]. 汪沅,周哲,龔潔明,葛毅成,易茂中. 粉末冶金材料科學與工程. 2017(06)
[7]石墨表面TiC涂層對高定向石墨/Cu復合材料熱導率和抗彎強度的影響[J]. 朱英彬,白華,薛晨,呂繼磊,王晨,王俊偉,馬洪兵,江南. 復合材料學報. 2017(11)
[8]電子封裝材料的研究現狀及發(fā)展[J]. 方明,王愛琴,謝敬佩,王文焱. 熱加工工藝. 2011(04)
[9]Effect of carbide formers on microstructure and thermal conductivity of diamond-Cu composites for heat sink materials[J]. 夏揚,宋月清,林晨光,崔舜,方針正. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2009(05)
[10]放電等離子燒結技術與新材料研究[J]. 張久興,張忻,岳明,周美玲,左鐵鏞. 功能材料信息. 2004(03)
本文編號：3430791
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