网络互联结构的碳纳米管铜基复合材料制备及其热传导机制

制备高强度、高导热、低膨胀系数和低密度的电子封装用热沉材料，是当前电子产业亟待解决的重要课题之一。本项目在深入研究碳纳米管在金属基体中分散状况、与基体之间的界面热阻及界面结合性能的基础上，充分利用碳纳米管高强度、高导热、低密度、低热膨胀系数与铜高导电、高导热的优势，并借助钨、钼金属在碳纳米管表面形成碳化物过渡层，以改善碳铜之间的浸润性，从而不但提高复合材料的致密度，改善力学和物理性能的有效传递，而且钨钼的存在使碳纳米管在基体中容易形成连通网络状态，最终获得具有优异综合性能的电子封装用碳纳米管铜基复合材料。重点探索各相成分含量、分布状况及微观结构是如何控制热导率和热膨胀系数的，深入研究碳纳米管自身的热传导机理、界面结构以及利用钨、钼元素减小界面热阻的作用机制，设计和建立碳纳米管增强金属基复合材料的热传导模型，为拓展碳纳米管在电子封装用金属基复合材料中的应用提供理论依据。

本项目以高性能铜基复合材料为研究对象，采用湿法及溶胶喷雾干燥法，制备出了一系列铜-碳纳米管、铜-钨-碳纳米管、铜-石墨烯、铜-钨-石墨烯，铜-钨等复合粉体；通过模压、等静压、注射成形制备坯体，利用普通烧结、SPS烧结等方式进行烧结，对烧结体的微观结构、硬度、导电导热等性能做了较详细的对比研究，以探索出一套从粉体制备到最后成形烧结的工艺。最后，还探索制备了蓝钨造孔烧结钨骨架渗铜法、高温烧结钨骨架渗铜法制备钨铜复合材料。所取得的主要研究结果如下：.（1），溶液法原位制备出了氧化亚铜/多壁碳纳米管超细复合球.。SEM和TEM表明，采用这种方法制备的氧化亚铜/碳纳米管超细复合球，碳管很少游离在外，都被均匀地‘锁定’在各个单独的球中。实现了氧化亚铜与碳管在纳米级的复合。氧化亚铜内嵌碳纳米管复合球经还原及热压烧结得铜/碳纳米管（Cu/CNTs）复合块体材料，并对复合块体材料进行了形貌分析和性能检测。SEM和TEM结果表明，经还原后碳纳米管仍均匀嵌镶在基体中。复合材料的硬度有明显提升，热膨胀系数降低明显，可望在电子封装领域得到应用。.（2），以硝酸铜和预处理碳纳米管（CNTs）为原料，采用喷雾干燥-煅烧-还原工艺制备超细CNTs/ Cu复合粉体，并制备了不同含量的CNTs/ Cu复合块体材料。研究了CNTs对CNTs/Cu复合材料致密度、电导、硬度等方面的影响，结果表明，CNTs的加入，改善了复合材料的性能，特别是等静压工艺中CNTs含量为0.5wt%时，硬度和热导率分别提高到了105.24HV和407.84W/(m•K)。.（3），利用喷雾干燥法制备了超细氧化石墨烯（GO）/铜（Cu）和GO/W/Cu复合粉体，材料各相分布均匀。并采用普通烧结和SPS烧结两种工艺制备了GO/Cu复合材料，结果表明SPS烧结得到了高致密、高性能的复合材料。其中，SPS烧结3wt%GO/Cu复合材料显微硬度值高达164.45HV，提高32.36%，电导率高达87.5IACS。利用SPS烧结制备GO/W/Cu复合材料中，随着钨金属比重增加，硬度值显著提高，当钨含量为2wt%时达到146.7HV。此类材料，有望在电接触材料方面得到广泛应用。.（4），利用溶胶结合喷雾干燥制备出分散性好的超细钨粉和超细铜粉，超细钨铜粉体。利用注射成形工艺，制备了钨铜复合材料。其中W-10Cu复合材料的热导率达217W/m.