Kompozyty Cu-diament o dużym przewodnictwie cieplnym wytwarzane metodą PPS

• Autorzy: Kruszewski M. , Rosiński M. , Grzonka J. , Ciupiński Ł. , Michalski A. , Kurzydłowski K. J.

Warianty tytułu

EN

Cu-diamond composites with high thermal conductivity obtained by the PPS method

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Jednym z głównych problemów przy spiekaniu kompozytu miedź/diament, obok procesu grafityzacji w wysokich temperaturach, jest brak zwilżalności diamentu przez miedź i brak reakcji chemicznych prowadzących do tworzenia związków Cu-węgiel, które zapewniałyby dobre połączenie diamentu z osnową z miedzi. Ponadto duża różnica rozszerzalności cieplnej tych materiałów powoduje powstawanie podczas spiekania naprężeń cieplnych osłabiających granicę miedź/diament i skutkujących powstawaniem pustek zmniejszających przewodnictwo cieplne kompozytu. Granica międzyfazowa Cu-diament odgrywa kluczową rolę warunkującą przewodnictwo cieplne i właściwości mechaniczne kompozytu. Idealne połączenie powinno zapewnić zarówno dobrą adhezję, jak i minimalny opór cieplny. Przedmiotem badań autorów pracy były kompozyty na osnowie miedzi zawierające 50% obj. cząstek diamentu. Kompozyty zostały otrzymane w warunkach nietrwałości termodynamicznej diamentu z wykorzystaniem konsolidacji metodą PPS (Pulse Plasma Sintering) w temperaturze 900°C pod naciskiem 60 MPa. W pracy opisano wyniki badań składu fazowego, gęstości oraz obserwacji mikrostruktury próbek. Gęstość względna wyniosła 99,8%, a badania składu fazowego nie wykazały obecności grafitu. Obserwacje mikrostruktury wykazały równomierny rozkład cząstek diamentu w osnowie miedzi. Dobre połączenie diamentu z osnową uzyskano dzięki warstwie przejściowej z węglika chromu.

EN

One of the main challenges in fabrication of copper/diamond composites, apart from graphitization at high temperatures, is a lack of wettability of diamond by copper and the absence of chemical reactions, providing the formation of Cu-carbon compounds needed for a good joint between the diamond and the copper. Moreover, the large mismatch in the values of thermal expansion coefficients of these materials is a reason for high thermal stresses during sintering that are disadvantageous to the cohesion of the diamond/copper interface. The thermal stresses promote voids formation, which reduces the thermal conductivity of the composite. In metal-diamond composites, the quality of the interface has a crucial effect on their thermal conductivity and mechanical properties. Strong and "clean" bond of the diamond to the matrix should assure high strength and minimum thermal resistance of the interface. In the present work, an attempt has been made to fabricate the copper matrix composite with 50 vol.% of diamond by using the Pulse Plasma Sintering (PPS) technique in the conditions of thermodynamical instability of diamond. The composites have been fabricated at 900 °C under 60 MPa. The phase composition, density and microstructure studies showed a relative density of 99,8% and the absence of graphite. The microstructure examinations revealed uniform distribution of diamond particles in the copper matrix. Good bonding of the diamond to the matrix have been assured by a layer of chromium carbide at the interface.

Słowa kluczowe

PL

kompozyty o osnowie metalicznej; miedź; diament; przewodnictwo cieplne; Pulse Plasma Sintering (PPS)

EN

metal-matrix composites; copper; diamond; thermal conductivity; pulse plasma sintering (PPS)

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2012
• Tom: T. 64, nr 3
• Strony: 333--337
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Kruszewski M.

autor

Rosiński M.

autor

Grzonka J.

autor

Ciupiński Ł.

autor

Michalski A.

autor

Kurzydłowski K. J.

• Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Materiałowej, ul. Wołoska 141, 02-507 Warszawa,

Bibliografia

• [1] Ashby M.F., Shercliff H., Cebon D.: Materials: engineering, science, processing and design, Butterworth-Heinemann, Oxford, (2007).
• [2] Chu K., Jia C., Tian W., Liang X., Chen H., Guo H.: Compos. Part A-Appl. S., 41, (2010), 161.
• [3] Molina J.M., Prieto R., Narciso J., Louis E.: „The effect of porosity on the thermal conductivity of Al–12wt.% Si/SiC composites”, Scripta Mater., 60, (2009), 582-585.
• [4] Schubert Th., Brendel A., Schmid K., Koeck Th., Ciupiński Ł., Zieliński W., Weißgarber T., Kieback B.: Compos. Part A-Appl. S., 38, (2007), 2398.
• [5] Zhang L., Qu X., Duan B., He X., Ren S., Qin M.: „ Microstructure and thermo-mechanical properties of pressureless infiltrated SiCp/Cu composites”, Compos. Sci. Technol., 68, (2008), 2731-8.
• [6] Schöbel M., Fiedler G., Degischer H.P., Altendorfer W., Vaucher S.: „ The effects of different architectures on thermal fatigue in particle reinforced MMC for heat sink applications”, Adv. Mat. Res., 59, (2009), 177-181.
• [7] Yoshida K., Morigami H.: Microelectron. Reliab., „Thermal properties of diamond/copper composite material”, 44, (2004), 303-308.
• [8] Ren S., Shen X., Guo C., Liu N., Zang J., He X., Qu X.: Compos. Sci. Technol., 71, (2011), 1550.
• [9] Weber L., Tavangar R.: Scripta Mater., 57, (2007), 988.
• [10] Abyzov A.M, Kidalov S.V., Shakhov F.M.: J. Mater. Sci., 46, (2010), 1424.
• [11] Michalski A., Rosiński M.: „Sintering Diamond/Cemented Carbides by the Pulse Plasma Sintering Method”, J. Am. Ceram. Soc., 91, (2008), 3560-3565.