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Cr_3C_2颗粒增强高强高导铜基复合材料研制

许彪  
【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σ_b>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Al_2O_3/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Cr_3C_2颗粒增强Cu基复合材料,并探讨了Cr_3C_2/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Cr_3C_2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Cr_3C_2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Cr_3C_2/Cu材料。 (3)以电弧炉制备的Cr_3C_2/Cu材料为母合金,采用喷铸技术制备了高性能Cr_3C_2增强Cu基复合材料,进一步扩大了Cr_3C_2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σ_b=664.5 MPa,显微硬度Hv_(100)=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Cr_3C_2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。


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