具有Cu网络结构的W-Cu复合材料的低温制备及其性能

W-Cu复合材料结合了W和Cu的性能优点，具有良好的力学强度、高导电导热、低热膨胀等性能，其在电子封装、电触头、高温等领域有着广泛的应用背景。但采用已有的制备方法在W-Cu复合材料的组分及结构的均匀性、具有Cu贯穿网络特征结构的获得、高导电导热性能的获得等方面难以兼顾，得到的W-Cu复合材料难以满足现代科技对其性能的高要求。因此，创新制备方法，探索在低温下制备致密的、具有Cu贯穿结构的W-Cu复合材料具有非常重要的实用价值。
　　本文首先研究了化学镀相关工艺参数对化学镀Cu过程及镀Cu层相关性质的影响规律，优化了W粉表面化学镀Cu工艺，获得了高纯、定量、包覆效果理想的Cu@W复合粉体;其次研究了利用包覆粉体制备W-Cu复合材料的热压烧结致密化及其机理，获得了具有Cu贯穿网络结构的W-Cu复合材料，最后分析探讨了W-Cu复合材料的微观结构和性能之间的关系。
　　W粉表面化学镀Cu的优化工艺参数为:稳定剂二联吡啶的浓度为20～40mg/L，镀液pH值为12～12.5，镀液温度为40～50℃，五水硫酸铜20g/L，酒石酸钾钠60g/L，38wt.％甲醛溶液20ml/L。在此工艺条件下制备出的Cu含量为20～45wt.％的Cu@W复合粉体定量性好（与设计比例的相对误差在0.51％以内）、纯度高（氧含量在0.1％以内）。
　　利用Cu@W复合粉体实现了W-Cu复合材料的低温致密化，在950℃-100MPa-2h的烧结条件下，W-20～40wt.％Cu复合材料的相对密度可达98％以上。W-Cu复合材料具有高纯的Cu贯穿网络结构。分析认为，Cu@W复合粉体能够实现W-Cu复合材料低温致密化的原因是包覆粉体极大地提高了Cu相分布的均匀性，并使烧结致密化方式发生了改变，即由传统的W-Cu、Cu-Cu共有的烧结转变为几乎只有Cu-Cu的烧结，降低了烧结难度，从而实现了低温致密化。
　　W-Cu复合材料的热导率、热膨胀系数、电导率随Cu含量的增大而增大;其硬度、抗弯强度随着Cu含量的增大而减小。W-20～40wt.％Cu复合材料的热导率为238.6～308.5W/m·K，其热膨胀系数为7.4～10.6×10-6/K，其热性能足以满足电子封装材料领域的使用性能要求，且均超过已有文献报道的最高值。其电导率为29.4～42.0MS/m，远超W-Cu电触头材料国家、行业标准。其维氏硬度为262.1～137.5HV，抗弯强度为989.3～482.8MPa，其力学性能和W-Cu电触头材料国家、行业标准相当。W-Cu复合材料的优异的热学、电学性能和较好的力学性能主要得益于本文利用高纯Cu@W复合粉体获得的高纯Cu贯穿网络结构。对比W-Cu复合材料的热学、电学性能的实验值和各理论模型的计算值发现:热导率与铜含量的关系满足Maxwell模型关系;电导率与铜含量的关系满足Hashin-Shtrikman模型上限值关系;热膨胀系数低于Kerner模型理论计算值。