以超重力熔铸新技术制备W/Cu热沉材料的研究

本课题旨在建立一种制备W/Cu热沉材料的超重力熔铸新技术，即在超重力场中，实现燃烧合成技术与快速凝固技术的集成，通过熔融铸造方式制备出成分和结构可控的W/Cu热沉材料。揭示纳米铝热剂组份设计及超重力系数对静态和动态燃烧合成反应过程的影响规律，以及制备工艺参数对产物结构及热学性能、力学性能的影响规律，结合过程模拟仿真结果，阐明超重力场与液-固相变耦合方式下W/Cu产物的微结构形成机制。最终通过组份设计与工艺优化，制备出相对密度>98％、热导率>180 W/(moK)、线性热膨胀系数< 7×10-6 /K的W/Cu材料，使之满足高热流密度芯片对新型热沉材料的性能要求。并由此拓展W/Cu热沉材料的制备技术手段，形成一种具有自主知识产权的W/Cu热沉材料的制备新技术。

芯片的散热问题已成为制约芯片发展的技术瓶颈，高性能热沉材料的获得将为芯片散热问题的解决带来福音。W/Cu 复合材料是一种公认的理想的热沉材料。然而，由于传统W/Cu材料的制备多是基于烧结技术，导致产物存在致密化程度低、微观组织不均匀、成分受限制等一系列问题，使得W/Cu材料的性能潜力远未得到充分的发挥。. 本项目建立并发展了一种制备W/Cu热沉材料的超重力熔铸和熔渗新技术，即在超重力场中，实现燃烧合成技术与快速凝固技术的集成，通过熔融和熔渗铸造方式制备出成分和结构可控的W/Cu热沉材料。主要研究结果如下：. 1.通过对不同铝热体系绝热温度计算机数值进行计算分析，揭示了纳米铝热剂的组分设计(Al/CuO/W/稀释剂, Al/WO3 /Cu/稀释剂)对反应合成过程特征以及产物相组成的影响规律，研究了影响燃烧速度以及铝热反应完全程度的关键工艺参数，获得了优化铝热剂组分及超重力熔渗工艺制备参数。. 2.对材料制备工艺-显微结构-性能间相互影响规律的系统研究表明：超重力熔铸（熔渗）制备的W/Cu合金的微观组织与传统烧结制备的W/Cu合金相同，成分、组织沿超重力方向梯度分布；制备出抗弯强度较传统方法高200 MPa，热导率接近该组分的理论值270 W/(m K)，相对密度>98 ％的W/Cu材料。. 3.结合建立的超重力熔渗过程中熔体凝固温度场、应力场有限元模拟仿真模型，阐明了超重力场与液- 固相变耦合方式下W/Cu 产物的微结构形成机制。研究发现：在超重力熔渗制备W/Cu材料成型过程中，高温低黏度铜溶液快速填充了钨颗粒压块内孔隙，形成非平衡结晶条件，成型过程中冷却速度极高（>100000 ℃/s），产生较大应力，钨颗粒表面由于应力（>5 GPa）较大而发生爆裂钝化，这将有利于提高W/Cu的烧结能力与质量。