eng
Выпуск #5/2010
К.Мизуучи, К.Иноуэ, Я.Агари, С.Ямада, Т.Танака, М.Сугиока, Т.Такеучи, Дж.Тани, М.Кавахара, Дж.Ли, Ю.Макино.
Композиты «медь-алмазные частицы», агломерированные искровым плазменным спеканием
Композиты «медь-алмазные частицы», агломерированные искровым плазменным спеканием
Просмотры: 2883
Для повышения диссипации тепла, минимизации термических нагрузок и деформации, играющих решающую роль при корпусировании микропроцессоров, силовых полупроводниковых приборов, мощных лазерных диодов, светодиодов и микроэлектромеханических систем материалы теплоотводов должны обладать высокой теплопроводностью и низкими коэффициентами теплового расширения (КТР). Достижение таких параметров позволяет снижать температуру перехода между двумя компонентами изделий до определенного уровня [1], обеспечивая требуемые рабочие характеристики и адекватный срок службы вышеназванных приборов. В этой связи разработка материалов теплоотводов имеет большое значение для различных областей электроники.
В качестве оснований корпусов хорошо зарекомендовали себя Cu-W, AlN, BeO и композиты на основе Al/SiC, имеющие удельную теплопроводность на уровне 200 Вт/мК. Следует отметить, что наибольшее значение этого параметра (около 2000 Вт/мК) среди материалов естественного происхождения имеет выкококачественный алмаз с содержанием азота ниже 100 ppm, обладающий также низким уровнем ТКР (порядка 2,3 ppm/K) [2].
Недавно сообщалось о материалах с высокой теплопроводностью [3, 4], изготовленных из смеси алмазного и медного порошков, на основе которых был создан композиционный материал, состоящий из медной (Cu) матрицы с диспергированными в ней частицами алмаза (Cu) (λ=385 Вт/мК) [5]. Агломерация такой смеси порошков проводилась при температурах, выше точки плавления Cu. Недостаток подобной термообработки заключается в снижении теплопроводности, обусловленном разрушением алмазных частиц при их прямом контакте с расплавленной медью.
Чтобы изготовить материалы высокоэффективных теплоотводов, недавно были начаты исследования, где в качестве исходного материала изготавливались металлоалмазные композиты на основе металлической матрицы с диспергированными в ней алмазными частицами, причем для предотвращения образования вышеуказанных дефектов в качестве метода получения композита было применено искровое плазменное спекание (ИПС) [6–8].
Ниже представлены результаты измерения теплопроводности и ТКР композита, полученного методом ИПС из алмазных частиц, покрытых медью и распределенных в медной матрице при температурах процесса агломерации, ниже точки плавления меди. Микроструктура композитов, изготовленных при различных параметрах ИПС, исследовалась с использованием растрового электронного микроскопа. Измерялись плотность упаковки и теплопроводящие свойства, λ и КТР композитов. В результате оптимизированы параметры процесса спекания такого композита в ИПС-прессе.
Эксперимент
В качестве исходного материала использовались алмазные частицы с медным покрытием, поставляемые фирмой «Advanced Materials» (США). Доля алмаза в материале составляла 43,2 об.%, а средний диаметр частиц – около 100 мкм. Эти частицы подвергались агломерации в ИПС-прессе модели SPS SYNTEX
DR. SINTER 1020. На рис.1 изображен вид сбоку специально изготовленной для этих целей графитовой пресс-формы.
Для изготовления образца композита в форме диска толщиной 3 мм и диаметром 10 мм использовалось около 1,6 г алмазных частиц с медным покрытием, которые спекались между верхним и нижним пуансонами вышеописанной пресс-формы при давлении 50 МРа (рис.1).
ИПС проводилось при 973К–1173К со скоростью нагрева 1,7 К/с после откачки до вакуума 2 Па. При этих условиях материал выдерживался в течение 600 и 2100 с. Для визуализации изменений в относительной плотности упаковки композита в ИПС-процессе наблюдалось продольное перемещение пуансонов в зависимости от времени выдержки и от температуры. При спекании использовались искровые разряды тока величиной 400 А, производившиеся через постоянные промежутки времени 2,78x10-3 c.
Полученные композиты в форме дисков исследовались с помощью растрового электронного микроскопа JEOL JSM 5800 LV.
Диски из алмазо-медного композита после изготовления покрывались золотом, и методом лазерных вспышек с помощью анализатора тепловых констант ULVAC-RIKO TC7000 измерялся коэффициент их теплопроводности.
Для оптимизации параметров процесса и расчета теплопроводности плотность упаковки дисков измерялась методом Архимеда. Чтобы измерить КТР материала, из покрытых медью композитов вырезались образцы в форме столбиков квадратного сечения размером 4x4x15 мм. Измерения проводились в дилатометре Rigaku TMA8310 в проточной атмосфере сухого азота при скорости нагрева
3К/мин в интервале температур 243–483K.
КТР рассчитывались из наклона кривых теплового расширения в зависимости от температуры в интервале 288–298K.
Результаты и обсуждение
Относительная плотность упаковки изготовленных композитов
Этот параметр измерялся как функция температуры спекания (рис.2).
Плотность упаковки повышается с ростом времени выдержки композита в прессе на всем интервале температур спекания. Следует отметить, что когда спекание проводилось при 973К в течение 600 с, относительная плотность упаковки композита достигала 94,4% от теоретической. Кривая (пустые кружочки) показывает, что относительная плотность возрастает с ростом температуры спекания, достигая 97,0% в случае 1173K. Для времени спекания 2100 с (сплошные кружки), относительная плотность упаковки достигает максимальной величины 99,2% при 1173К, весьма близкой к теоретическому значению. Повышение плотности упаковки примерно на 3% связано с ростом температуры спекания от 973K до 1173K. Возможно, оно вызывается снижением числа полостей, образующихся во время ИПС-процесса, что может быть связано с частичной пластической деформацией медной матрицы в процессе спекания.
Необходимо подчеркнуть, что высокая плотность упаковки медно-алмазного композита, изготовленного при температурах ниже точки плавления (1356K) медной матрицы главным образом связана с уникальным механизмом спекания (плавлением-испарением-конденсацией), обеспечиваемым при использовании ИПС-процесса [6–8].
Микроструктура
Микроструктура медного композита с объемным содержанием алмаза 43,2%, спекаемого при 1173К в течение 2100 с исследовалась с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ) на поперечных срезах данного материала (рис.3).
Алмазные частицы равномерно распределены в композите без прямого контакта между собой (рис.3а), что свидетельствует о равномерности медного покрытия на исходных алмазных частицах. Наблюдения выявили, что пористость на границах раздела между алмазной частицей и медной матрицей отсутствует - микрофотографии, полученные при более высоком увеличении (рис.3б). Это свидетельствует, что приложенное давление в 50 МПа, используемое в ходе ИПС-процесса, достаточно для консолидации алмазных частиц с медным покрытием. Также явно видно отсутствие поддающихся идентификации слоев реакции на границе раздела в исследуемом композите (см.рис.3б).
Об аналогичных результатах сообщалось в [4], где композиты на основе медной матрицы с рассеянными в ней алмазными частицами были получены при давлении 4,5 ГПа и 1423К. Поскольку условия (температура и давление) в настоящей работе значительно ниже вышеназванных, следы межграничной реакции между алмазными частицами и медной матрицей в количествах, превосходящих естественные процессы, не были обнаружены. Кроме того, при данных условиях разрушение алмазных частиц могло быть пренебрежимо малым, даже если оно и происходило. Как описано далее, тот факт, что межграничная реакция не имела места, связан с высокой теплопроводностью, наблюдаемой в ходе настоящих исследований.
Теплопроводность
Результаты измерения теплопроводности алмазо-медных композитов, изготовленных при различных условиях ИПС-процесса, приведены на рис.4. Видно, что композиты, спеченные при 973 и 1073К в течение 600 с, демонстрируют теплопроводность около 300 Вт/мК, что ниже теплопроводности чистой меди (385 Вт/мК). Это обусловлено низкой плотностью упаковки (94,4–96,3%), полученной при вышеуказанных условиях ИПС-процесса.
С другой стороны, при спекании при 1173К теплопроводность композита возрастает до 435 Вт/мК. Существенное повышение теплопроводности наблюдается также для алмазо-медных композитов при увеличении продолжительности спекания до 2100 с (см. рис.4), что важно для повышения теплопроводности при всех температурах спекания. Существенный рост теплопроводности (более чем на 65%) также наблюдается при повышении температуры спекания с 1073 до 1173К.
Необходимо подчеркнуть, что когда алмазо-медный композит спекается при 1173К в течение 2100 с, теплопроводность достигает 654 Вт/мК.
Такой результат указывает на то, что теплопроводность композита на основе медной матрицы с диспергированными в ней алмазными частицами чувствительна к относительной плотности этого композита. Настоящие исследования с очевидностью показывают, что важную роль в достижении высокой теплопроводности таких композитов играют не только плотность упаковки выше 99%, но и отсутствие реакции на границе раздела "алмазная частица-медная матрица".
Для оценки теплопроводности композиционных материалов, содержащих сферические частицы, в качестве представительной модели используется уравнение Максвелла-Ойкена [9], применявшееся также для оценки эффекта агломерации алмазо-медного композита, изготовленного методом ИПС-спекания при различных условиях.
Экспериментально полученные значения теплопроводности вместе с литературными данными [3, 4] представлены на рис.5 в виде зависимости данного параметра от объемной доли алмазных частиц и изображены теоретически рассчитанные значения с использованием уравнения Максвелла-Ойкена для их различного процентного содержания.
Экспериментальные данные составляют 83% от теоретического значения (см. рис.5), рассчитанного с помощью этого уравнения. Расчеты также проводились для композитов, полученных методом «самоинфильтрации», предложенным в [3] и лентообразным методом высоких давлений [4]. Сравнение результатов с [3, 4] дает следующее: теплопроводность композитов, синтезированных в настоящей работе, составляет 654 Вт/мК при объемной доле алмаза 43,2%; 420 Вт/мК при объемной доле алмаза 55% [3] и 572 Вт/мК при такой доле, равной 65% [4].
Следует отметить, что полученный алмазо-медный композит имеет значительно более высокую теплопроводность с учетом того, что объемная доля алмаза составляет лишь 30–50%. Это меньше, чем в композитах, исследованных в [3, 4]. Другими словами, теплопроводность композита, полученного в настоящей работе, составляет около 80% от теоретического значения, а для композитов, полученных в [3, 4], она составляет лишь 45–54% от теоретического значения.
Такие высокие значения по сравнению с [3, 4] можно объяснить следующим образом:
• Алмазо-медный композит может быть изготовлен с помощью метода ИПС при температуре ниже точки плавления меди, и таким образом в процессе его агломерации существенно снижается разрушение алмазных частиц вследствие отсутствия прямого контакта между ними и медным расплавом.
• Первичный механизм образования связи при ИПС заключается в испарении и конденсации под давлением. При этом имеет место мгновенное испарение в результате протекания большого тока, обусловленное скин-эффектом [10] искрового разряда, с последующей конденсацией. Такое испарение делает поверхность слоев меди на алмазных частицах чистой, заставляя частицы с медным покрытием слипаться друг с другом под действием давления. В свою очередь, агломерация композита, полученного методом ИПС, происходит в течение короткого времени без образования щелей и каверн.
Коэффициенты теплового расширения
Расчет теоретических КТР композиционного материала предлагался в моделях Тернера [11] и Кернера [12], причем в последней учитываются эффекты сдвига на границе между частицами и матрицей, тогда как в модели Тернера эти эффекты не учитываются. Как следствие, модель Кернера более широко используется для теоретических расчетов ТКР композиционных материалов [13], чем модель Тернера. Поэтому для расчета ТКР, полученных в настоящей работе композитов была применена модель Кернера. На рис. 6 приведено сравнение теоретически предсказанных и экспериментальных значений ТКР для композитов на основе медной матрицы с рассеянными в ней алмазными частицами.
На рисунке показаны две линии, полученные путем обращения роли матрицы и диспергированных частиц в модели Кернера. Экспериментальные ТКР этих композитов попадают на кривую модели Кернера, что указывает на наличие сильной связи между алмазными частицами и медной матрицей в композите, полученном методом ИПС.
Суммируя вышесказанное, следует отметить: композиты на основе медной матрицы с равномерно рассеянными в ней алмазными частицами изготовлены из покрытых медью алмазных частиц методом ИПС, при этом исследованы микроструктура и термические свойства полученных композитов. Частицы агломерировались в композиты при температурах от 973 до 1173K, причем при использовании РЭМ на границе раздела между алмазной частицей и медной матрицей следов реакции не обнаружено. Относительная плотность упаковки композита повышалась с ростом температуры и времени, достигая 99,2% от теоретической в случае спекания при 1173К в течение 2100 с. У алмазо-медного композита с объемной долей алмаза 43,2% наблюдалась теплопроводность 654 Вт/мК при относительной плотности упаковки композита 99,2%, что составляет примерно 83% от ее теоретического значения, рассчитанного из уравнения Максвелла-Ойкена, причем КТР композитов соответствовал верхней кривой в модели Кернера.
Литература
1. G.Sai-Halaz: Proc. IEEE, Vol.83(1), (1995), pp.20–36.
2. ASM Engineered Materials Reference Book, Second Edition, Michael Bauccio, Ed. ASM International, Materials Park, OH, 1994.
3. J.A.Kerns, N.J.Colella, D.Makowiecki, H.L.Davidson: Proc. Inter. Symp. Microelectronics, (1995), pp.28–37.
4. K.Yoshida and H. Morigami – Microelectronics reliability, 44(2004)303-308.
5. Metals Handbook, vol.2 - Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials, ASM International 10th Ed., 1990.
6. N.Tamari, T.Tanaka, K.Tanaka, I. Kondo, M. Kawahara and M.Tokita: – J. of Ceramic Society of Japan 103(1995) 12-17.
7. K.Mizuuchi, K.Inoue, K.Hamada, M.Sugioka, M.Itami, M.Fukusumi, M.Kawahara: Mater. Sci. Eng A, 367(2004), 343–349.
8. K.Mizuuchi, K.Inoue, M.Sugioka, M.Itami, M.Kawahara, I.Yamauchi – J. Japan Inst. Metals, 68(2004), 1083–1085.
9. A.Eucken: Fortchg. Gebiete Ingenieurw., B3, Forschungsheft, 16(1932), 353–360.
10. K.Nagae, M.Yokota, M.Nose, S.Tomita, T.Kamiya and S. Saji – J. Japan Inst. Metals 65(2001), 726–733.
11. P.S.Turner – J. Res. NBS. 37(1946),239–250.
12. E.H.Kerner: Proc. Phys. Soc. B69(1956), 808–813.
13. W.D.Kingery, H.K.Brown, D.R.Uhlman: Introduction to ceramics. 2nd ed. New York, John Wiley & Sons; 1975,
рр.603–606.
Недавно сообщалось о материалах с высокой теплопроводностью [3, 4], изготовленных из смеси алмазного и медного порошков, на основе которых был создан композиционный материал, состоящий из медной (Cu) матрицы с диспергированными в ней частицами алмаза (Cu) (λ=385 Вт/мК) [5]. Агломерация такой смеси порошков проводилась при температурах, выше точки плавления Cu. Недостаток подобной термообработки заключается в снижении теплопроводности, обусловленном разрушением алмазных частиц при их прямом контакте с расплавленной медью.
Чтобы изготовить материалы высокоэффективных теплоотводов, недавно были начаты исследования, где в качестве исходного материала изготавливались металлоалмазные композиты на основе металлической матрицы с диспергированными в ней алмазными частицами, причем для предотвращения образования вышеуказанных дефектов в качестве метода получения композита было применено искровое плазменное спекание (ИПС) [6–8].
Ниже представлены результаты измерения теплопроводности и ТКР композита, полученного методом ИПС из алмазных частиц, покрытых медью и распределенных в медной матрице при температурах процесса агломерации, ниже точки плавления меди. Микроструктура композитов, изготовленных при различных параметрах ИПС, исследовалась с использованием растрового электронного микроскопа. Измерялись плотность упаковки и теплопроводящие свойства, λ и КТР композитов. В результате оптимизированы параметры процесса спекания такого композита в ИПС-прессе.
Эксперимент
В качестве исходного материала использовались алмазные частицы с медным покрытием, поставляемые фирмой «Advanced Materials» (США). Доля алмаза в материале составляла 43,2 об.%, а средний диаметр частиц – около 100 мкм. Эти частицы подвергались агломерации в ИПС-прессе модели SPS SYNTEX
DR. SINTER 1020. На рис.1 изображен вид сбоку специально изготовленной для этих целей графитовой пресс-формы.
Для изготовления образца композита в форме диска толщиной 3 мм и диаметром 10 мм использовалось около 1,6 г алмазных частиц с медным покрытием, которые спекались между верхним и нижним пуансонами вышеописанной пресс-формы при давлении 50 МРа (рис.1).
ИПС проводилось при 973К–1173К со скоростью нагрева 1,7 К/с после откачки до вакуума 2 Па. При этих условиях материал выдерживался в течение 600 и 2100 с. Для визуализации изменений в относительной плотности упаковки композита в ИПС-процессе наблюдалось продольное перемещение пуансонов в зависимости от времени выдержки и от температуры. При спекании использовались искровые разряды тока величиной 400 А, производившиеся через постоянные промежутки времени 2,78x10-3 c.
Полученные композиты в форме дисков исследовались с помощью растрового электронного микроскопа JEOL JSM 5800 LV.
Диски из алмазо-медного композита после изготовления покрывались золотом, и методом лазерных вспышек с помощью анализатора тепловых констант ULVAC-RIKO TC7000 измерялся коэффициент их теплопроводности.
Для оптимизации параметров процесса и расчета теплопроводности плотность упаковки дисков измерялась методом Архимеда. Чтобы измерить КТР материала, из покрытых медью композитов вырезались образцы в форме столбиков квадратного сечения размером 4x4x15 мм. Измерения проводились в дилатометре Rigaku TMA8310 в проточной атмосфере сухого азота при скорости нагрева
3К/мин в интервале температур 243–483K.
КТР рассчитывались из наклона кривых теплового расширения в зависимости от температуры в интервале 288–298K.
Результаты и обсуждение
Относительная плотность упаковки изготовленных композитов
Этот параметр измерялся как функция температуры спекания (рис.2).
Плотность упаковки повышается с ростом времени выдержки композита в прессе на всем интервале температур спекания. Следует отметить, что когда спекание проводилось при 973К в течение 600 с, относительная плотность упаковки композита достигала 94,4% от теоретической. Кривая (пустые кружочки) показывает, что относительная плотность возрастает с ростом температуры спекания, достигая 97,0% в случае 1173K. Для времени спекания 2100 с (сплошные кружки), относительная плотность упаковки достигает максимальной величины 99,2% при 1173К, весьма близкой к теоретическому значению. Повышение плотности упаковки примерно на 3% связано с ростом температуры спекания от 973K до 1173K. Возможно, оно вызывается снижением числа полостей, образующихся во время ИПС-процесса, что может быть связано с частичной пластической деформацией медной матрицы в процессе спекания.
Необходимо подчеркнуть, что высокая плотность упаковки медно-алмазного композита, изготовленного при температурах ниже точки плавления (1356K) медной матрицы главным образом связана с уникальным механизмом спекания (плавлением-испарением-конденсацией), обеспечиваемым при использовании ИПС-процесса [6–8].
Микроструктура
Микроструктура медного композита с объемным содержанием алмаза 43,2%, спекаемого при 1173К в течение 2100 с исследовалась с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ) на поперечных срезах данного материала (рис.3).
Алмазные частицы равномерно распределены в композите без прямого контакта между собой (рис.3а), что свидетельствует о равномерности медного покрытия на исходных алмазных частицах. Наблюдения выявили, что пористость на границах раздела между алмазной частицей и медной матрицей отсутствует - микрофотографии, полученные при более высоком увеличении (рис.3б). Это свидетельствует, что приложенное давление в 50 МПа, используемое в ходе ИПС-процесса, достаточно для консолидации алмазных частиц с медным покрытием. Также явно видно отсутствие поддающихся идентификации слоев реакции на границе раздела в исследуемом композите (см.рис.3б).
Об аналогичных результатах сообщалось в [4], где композиты на основе медной матрицы с рассеянными в ней алмазными частицами были получены при давлении 4,5 ГПа и 1423К. Поскольку условия (температура и давление) в настоящей работе значительно ниже вышеназванных, следы межграничной реакции между алмазными частицами и медной матрицей в количествах, превосходящих естественные процессы, не были обнаружены. Кроме того, при данных условиях разрушение алмазных частиц могло быть пренебрежимо малым, даже если оно и происходило. Как описано далее, тот факт, что межграничная реакция не имела места, связан с высокой теплопроводностью, наблюдаемой в ходе настоящих исследований.
Теплопроводность
Результаты измерения теплопроводности алмазо-медных композитов, изготовленных при различных условиях ИПС-процесса, приведены на рис.4. Видно, что композиты, спеченные при 973 и 1073К в течение 600 с, демонстрируют теплопроводность около 300 Вт/мК, что ниже теплопроводности чистой меди (385 Вт/мК). Это обусловлено низкой плотностью упаковки (94,4–96,3%), полученной при вышеуказанных условиях ИПС-процесса.
С другой стороны, при спекании при 1173К теплопроводность композита возрастает до 435 Вт/мК. Существенное повышение теплопроводности наблюдается также для алмазо-медных композитов при увеличении продолжительности спекания до 2100 с (см. рис.4), что важно для повышения теплопроводности при всех температурах спекания. Существенный рост теплопроводности (более чем на 65%) также наблюдается при повышении температуры спекания с 1073 до 1173К.
Необходимо подчеркнуть, что когда алмазо-медный композит спекается при 1173К в течение 2100 с, теплопроводность достигает 654 Вт/мК.
Такой результат указывает на то, что теплопроводность композита на основе медной матрицы с диспергированными в ней алмазными частицами чувствительна к относительной плотности этого композита. Настоящие исследования с очевидностью показывают, что важную роль в достижении высокой теплопроводности таких композитов играют не только плотность упаковки выше 99%, но и отсутствие реакции на границе раздела "алмазная частица-медная матрица".
Для оценки теплопроводности композиционных материалов, содержащих сферические частицы, в качестве представительной модели используется уравнение Максвелла-Ойкена [9], применявшееся также для оценки эффекта агломерации алмазо-медного композита, изготовленного методом ИПС-спекания при различных условиях.
Экспериментально полученные значения теплопроводности вместе с литературными данными [3, 4] представлены на рис.5 в виде зависимости данного параметра от объемной доли алмазных частиц и изображены теоретически рассчитанные значения с использованием уравнения Максвелла-Ойкена для их различного процентного содержания.
Экспериментальные данные составляют 83% от теоретического значения (см. рис.5), рассчитанного с помощью этого уравнения. Расчеты также проводились для композитов, полученных методом «самоинфильтрации», предложенным в [3] и лентообразным методом высоких давлений [4]. Сравнение результатов с [3, 4] дает следующее: теплопроводность композитов, синтезированных в настоящей работе, составляет 654 Вт/мК при объемной доле алмаза 43,2%; 420 Вт/мК при объемной доле алмаза 55% [3] и 572 Вт/мК при такой доле, равной 65% [4].
Следует отметить, что полученный алмазо-медный композит имеет значительно более высокую теплопроводность с учетом того, что объемная доля алмаза составляет лишь 30–50%. Это меньше, чем в композитах, исследованных в [3, 4]. Другими словами, теплопроводность композита, полученного в настоящей работе, составляет около 80% от теоретического значения, а для композитов, полученных в [3, 4], она составляет лишь 45–54% от теоретического значения.
Такие высокие значения по сравнению с [3, 4] можно объяснить следующим образом:
• Алмазо-медный композит может быть изготовлен с помощью метода ИПС при температуре ниже точки плавления меди, и таким образом в процессе его агломерации существенно снижается разрушение алмазных частиц вследствие отсутствия прямого контакта между ними и медным расплавом.
• Первичный механизм образования связи при ИПС заключается в испарении и конденсации под давлением. При этом имеет место мгновенное испарение в результате протекания большого тока, обусловленное скин-эффектом [10] искрового разряда, с последующей конденсацией. Такое испарение делает поверхность слоев меди на алмазных частицах чистой, заставляя частицы с медным покрытием слипаться друг с другом под действием давления. В свою очередь, агломерация композита, полученного методом ИПС, происходит в течение короткого времени без образования щелей и каверн.
Коэффициенты теплового расширения
Расчет теоретических КТР композиционного материала предлагался в моделях Тернера [11] и Кернера [12], причем в последней учитываются эффекты сдвига на границе между частицами и матрицей, тогда как в модели Тернера эти эффекты не учитываются. Как следствие, модель Кернера более широко используется для теоретических расчетов ТКР композиционных материалов [13], чем модель Тернера. Поэтому для расчета ТКР, полученных в настоящей работе композитов была применена модель Кернера. На рис. 6 приведено сравнение теоретически предсказанных и экспериментальных значений ТКР для композитов на основе медной матрицы с рассеянными в ней алмазными частицами.
На рисунке показаны две линии, полученные путем обращения роли матрицы и диспергированных частиц в модели Кернера. Экспериментальные ТКР этих композитов попадают на кривую модели Кернера, что указывает на наличие сильной связи между алмазными частицами и медной матрицей в композите, полученном методом ИПС.
Суммируя вышесказанное, следует отметить: композиты на основе медной матрицы с равномерно рассеянными в ней алмазными частицами изготовлены из покрытых медью алмазных частиц методом ИПС, при этом исследованы микроструктура и термические свойства полученных композитов. Частицы агломерировались в композиты при температурах от 973 до 1173K, причем при использовании РЭМ на границе раздела между алмазной частицей и медной матрицей следов реакции не обнаружено. Относительная плотность упаковки композита повышалась с ростом температуры и времени, достигая 99,2% от теоретической в случае спекания при 1173К в течение 2100 с. У алмазо-медного композита с объемной долей алмаза 43,2% наблюдалась теплопроводность 654 Вт/мК при относительной плотности упаковки композита 99,2%, что составляет примерно 83% от ее теоретического значения, рассчитанного из уравнения Максвелла-Ойкена, причем КТР композитов соответствовал верхней кривой в модели Кернера.
Литература
1. G.Sai-Halaz: Proc. IEEE, Vol.83(1), (1995), pp.20–36.
2. ASM Engineered Materials Reference Book, Second Edition, Michael Bauccio, Ed. ASM International, Materials Park, OH, 1994.
3. J.A.Kerns, N.J.Colella, D.Makowiecki, H.L.Davidson: Proc. Inter. Symp. Microelectronics, (1995), pp.28–37.
4. K.Yoshida and H. Morigami – Microelectronics reliability, 44(2004)303-308.
5. Metals Handbook, vol.2 - Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials, ASM International 10th Ed., 1990.
6. N.Tamari, T.Tanaka, K.Tanaka, I. Kondo, M. Kawahara and M.Tokita: – J. of Ceramic Society of Japan 103(1995) 12-17.
7. K.Mizuuchi, K.Inoue, K.Hamada, M.Sugioka, M.Itami, M.Fukusumi, M.Kawahara: Mater. Sci. Eng A, 367(2004), 343–349.
8. K.Mizuuchi, K.Inoue, M.Sugioka, M.Itami, M.Kawahara, I.Yamauchi – J. Japan Inst. Metals, 68(2004), 1083–1085.
9. A.Eucken: Fortchg. Gebiete Ingenieurw., B3, Forschungsheft, 16(1932), 353–360.
10. K.Nagae, M.Yokota, M.Nose, S.Tomita, T.Kamiya and S. Saji – J. Japan Inst. Metals 65(2001), 726–733.
11. P.S.Turner – J. Res. NBS. 37(1946),239–250.
12. E.H.Kerner: Proc. Phys. Soc. B69(1956), 808–813.
13. W.D.Kingery, H.K.Brown, D.R.Uhlman: Introduction to ceramics. 2nd ed. New York, John Wiley & Sons; 1975,
рр.603–606.
Отзывы читателей
