Cr3C2颗粒增强高强高导铜基复合材料研制

论文摘要

研制高性能的高强高导铜基材料是近20年来国内外的热点。研究人员希望材料性能达到:抗拉强度σb＞600 MPa,显微硬度Hv＞180,导电率σ＞80%IACS,软化温度＞500℃,以满足超大规模集成电路引线框架材料的理想性能要求。研究人员从固溶强化、形变强化、晶界强化、析出强化、复合强化等各方面开展了大量的研究。目前接近这个指标并实用化的只有日本的Cu-Cr-Zr系铜合金材料,和美国的Al2O3/Cu系铜基复合材料。建立一套具有我国自主创新,拥有独立知识产权的高强高导铜基材料体系,也势在必行。本论文正是在这一研究背景下,综合合金化强化、固溶强化、颗粒增强复合材料、形变强化以及时效析出强化等多种手段,对高强高导铜基材料展开研究,成功制备了一种新的Cr3C2颗粒增强Cu基复合材料,并探讨了Cr3C2/Cu复合材料的相关机理,主要研究工作如下:（1）在大量实验的基础上,提出了一种制备Cr3C2增强Cu基复合材料的新工艺:电弧炉+石墨坩埚隔离铜坩埚的熔炼技术。对制备的复合材料组织及性能进行了相关研究,结果表明该复合材料具有良好的力学和电学性能。（2）通过对试样显微组织结构的分析,提出了在熔铸过程中Cr3C2相的形成机理为:在高温下Cr与石墨坩埚发生强烈反应,导致形成铬的碳化物,并在铜液中扩散,浇铸后得到Cr3C2/Cu材料。（3）以电弧炉制备的Cr3C2/Cu材料为母合金,采用喷铸技术制备了高性能Cr3C2增强Cu基复合材料,进一步扩大了Cr3C2在Cu基体中的固溶度和细化了晶粒,并经过恰当的形变和时效处理,大大提高了材料的电学和力学性能:抗拉强度σb=664.5 MPa,显微硬度Hv100=220,导电率σ=82.5 IACS%（国际退火铜标准）,软化温度达550℃,可以满足超大规模集成电路引线框架材料所要求的主要性能指标。（4）利用纯石墨坩埚熔炼的思想,进一步提出中频感应炉制备Cr3C2增强铜基复合材料的工艺。该工艺的实现主要是采用了自行设计制作的紫铜模,提高了Cu基体固溶合金化元素固溶度的能力。同时,本文还开展了以下工作:（1）研究了460℃时Zn/Cu液—固扩散偶反应扩散,得出反应扩散系数不能用Arrhenius方程计算,460℃时Zn/Cu液—固扩散偶反应扩散扩散系数比Arrhenius方程计算的扩散系数要大5～7个数量级。（2）基于对Zn/Cu界面研究,提出了用（GDOES）中的深度剖面分析（DPA）间接测量镀层基体表面粗糙度的一种新方法,并将二维粗糙度定义推广到三维。（3）利用辉光发射光谱仪试验了一种制备金相表面的新方法,即由于辉光溅射对不同物质的溅射率不同,在金属表面可以表现出不同的溅射形貌,达到观察金相的目的。研究表明辉光溅射金相有形貌立体感强,细节较丰富的特点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 概述
• 1.2 高强高导铜基材料研究现状
• 1.3 高强高导铜合金的强化方式
• 1.4 高强高导铜合金的制备工艺及方法
• 1.4.1 固溶时效热处理法
• 1.4.2 冷形变时效热处理法
• 1.4.3 快速凝固法（RS法）
• 1.4.4 机械合金化法（MA法）
• 1.4.5 人工复合材料法
• 1.4.6 自生复合材料法
• 1.5 高强高导铜合金系列及性能指标
• 1.6 高强高导铜基复合材料
• 1.6.1 高强高导铜基复合材料分类
• 1.6.2 氧化物弥散强化铜
• 1.6.3 沉淀析出弥散强化铜合金
• 1.7 快速凝固方法及其对金属微观结构的影响
• 1.7.1 快速凝固方法
• 1.7.1.1 雾化快速凝固法
• 1.7.1.2 熔体旋铸法制取薄带
• 1.7.1.3 表面快速凝固法
• 1.7.1.4 喷铸/吸铸法
• 1.7.2 快速凝固对金属微观结构的影响
• 1.7.2.1 晶粒细化
• 1.7.2.2 扩大溶质原子在基体中的固溶度极限
• 1.7.2.3 减少成分偏析
• 1.7.2.4 形成亚稳相
• 1.7.2.5 高的点缺陷密度
• 1.8 快速凝固高强高导铜合金的研究现状
• 1.9 小结
• 1.9.1 如何实现高强高导铜合金制备
• 1.9.2 存在的问题与解决办法
• 1.9.2.1 多元微合金化和多相强化技术
• 1.9.2.2 非真空熔铸条件下易氧化元素添加技术
• 1.9.2.3 喷射沉积制坯技术
• 1.9.2.4 形变热处理技术
• 1.9.2.5 高精度、超薄和超低残余应力加工技术
• 1.10 课题来源及意义
• 1.11 本文研究的主要内容
• 1.12 本文研究的技术路线
• 3C₂/Cu复合材料'>第2章 真空电弧炉制备Cr₃C₂/Cu复合材料
• 2.1 引言
• 2.2 石墨坩埚的制作
• 2.3 实验方法
• 2.4 实验结果及讨论
• 2.4.1 熔铸试样的致密度
• 2.4.2 试样的铸态显微组织
• 2.4.3 时效过程组织演变的高温金相观察
• 3C₂/Cu复合材料的电学和力学性能'>2.4.4 Cr₃C₂/Cu复合材料的电学和力学性能
• 3C₂/Cu复合材料显微组织的影响'>2.4.5 不同Cr含量对Cr₃C₂/Cu复合材料显微组织的影响
• 3C₂/Cu形成机理讨论'>2.5 Cr₃C₂/Cu形成机理讨论
• 2.6 本章小结
• 3C₂/Cu复合材料'>第3章 真空喷铸制备Cr₃C₂/Cu复合材料
• 3.1 引言
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 实验设备
• 3.2.2 石英管喷嘴的设计及加工
• 3.2.3 母合金的制备
• 3.2.4 喷铸条件
• 3.2.5 喷铸试样的形变和热处理
• 3.2.6 微观结构分析与性能测试
• 3.3 喷铸试样的成分分布和XRD分析
• 3.4 微观组织结构分析
• 3.4.1 不同Cr含量对喷铸试样微观组织的影响
• 3.4.2 形变及热处理后试样的微观组织
• 3C₂/Cu复合材料的电学和力学性能'>3.5 Cr₃C₂/Cu复合材料的电学和力学性能
• 3C₂/Cu复合材料性能的影响'>3.5.1 不同成分对Cr₃C₂/Cu复合材料性能的影响
• 3C₂/Cu复合材料的电学和力学性能'>3.5.2 Cr₃C₂/Cu复合材料的电学和力学性能
• 3.6 本章小结
• 3C₂/Cu复合材料'>第4章 真空中频感应炉制备Cr₃C₂/Cu复合材料
• 4.1 引言
• 4.2 真空感应熔炼工艺
• 4.2.1 实验设备
• 4.2.2 浇铸模具的设计
• 4.3 实验方法
• 4.3.1 熔炼过程
• 4.3.2 铸锭加工
• 4.3.3 热处理及组织和性能检测
• 4.4 实验结果及讨论
• 4.4.1 铁模浇铸试样的显微组织及性能
• 4.4.2 紫铜模浇铸试样的显微组织
• 4.4.3 紫铜模浇铸试样的力学和电学性能
• 4.5 本章小结
• 3C₂增强铜基复合材料有关机理探讨'>第5章 Cr₃C₂增强铜基复合材料有关机理探讨
• 5.1 非平衡凝固溶质分配理论
• 5.1.1 溶质再分配系数
• 5.1.2 溶质"捕获"与无偏析凝固
• 5.1.3 无溶质分配凝固热力学条件
• 5.1.4 无溶质分配凝固动力学条件
• 3C₂的α-Cu基固溶体'>5.2 含Cr₃C₂的α-Cu基固溶体
• 3C₂/Cu复合材料强化机制'>5.3 Cr₃C₂/Cu复合材料强化机制
• 5.3.1 析出强化机制
• 3C₂/Cu时效析出硬化'>5.3.2 用高温金相研究Cr₃C₂/Cu时效析出硬化
• 5.3.2.1 实验方法
• 5.3.2.2 实验结果及讨论
• 3C₂/Cu复合材料导电性能研究'>5.4 Cr₃C₂/Cu复合材料导电性能研究
• 5.4.1 影响合金导电性因素分析
• 3C₂/Cu复合材料的导电率'>5.4.2 固溶+预变形+时效Cr₃C₂/Cu复合材料的导电率
• 5.4.3 分散强化中颗粒分布对导电率的影响
• 5.4.3.1 导电率最大值的证明
• 5.4.3.2 命题的证明
• 5.5 本章小结
• 第6章 Zn/Cu反应扩散系数影响因素
• 6.1 实验方法
• 6.2 结果和讨论
• 6.2.1 新相的出现及组织形貌
• 6.2.2 反应扩散时间对扩散系数的影响
• 6.2.3 反应扩散单相区浓度对扩散系数影响
• 6.3 本章小结
• 第7章 辉光光谱仪使用功能开发
• 7.1 金属材料表面粗糙度测量的一种新方法
• 7.1.1 实验
• 7.1.2 结果与讨论
• 7.2 辉光溅射金属表面制备金相试样
• 7.2.1 辉光溅射金属表面原理
• 7.2.2 实验方法
• 7.2.3 辉光溅射金相图
• 7.2.4 结果与讨论
• 7.3 本章小结
• 第8章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果