【摘 要】
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镁合金具备优异的轻质性,将其应用于5G通讯、人工智能及各类电子产品中具有得天独厚的优势,但其导热性能弱于铝,对于高功率密度、高度集成化电子元件日益苛刻的散热需求适应性欠佳。若能采用复合材料的方法,在保证其轻质性的同时,进一步优化导热性能,必将在上述领域获得更加广阔的应用前景。本文以AZ31和ZK61镁箔为基体,以不同目数的铜网为导热增强相,设计并制备了层状镁基复合材料,研究了扩散连接工艺参数对其显
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镁合金具备优异的轻质性,将其应用于5G通讯、人工智能及各类电子产品中具有得天独厚的优势,但其导热性能弱于铝,对于高功率密度、高度集成化电子元件日益苛刻的散热需求适应性欠佳。若能采用复合材料的方法,在保证其轻质性的同时,进一步优化导热性能,必将在上述领域获得更加广阔的应用前景。本文以AZ31和ZK61镁箔为基体,以不同目数的铜网为导热增强相,设计并制备了层状镁基复合材料,研究了扩散连接工艺参数对其显微结构和导热性能的影响,探究了扩散连接和导热性能变化的机理,研究了Cu/ZK61界面的显微结构及形成机理,结果表明:(1)设计并采用扩散连接工艺成功制备了兼具轻质性及良好导热性的层状铜网/AZ31镁箔复合材料。评估了温度(400–445℃)对接头显微结构和复合材料导热性能的影响,分析了热导率持续提高的机理:随着扩散连接温度的升高,在Mg–Cu界面发现了一种由金属间化合物和α–Mg区域组成的连续薄膜状结构。镁箔与铜网之间形成良好冶金连接并成为层状复合材料。该材料在室温(25℃)下的最高热导率为122.3 W/(m·K),比采用相同工艺制备的AZ31镁合金提高了109.4%;此时材料密度为2.21 g/cm~3,保持了良好的轻质性。(2)采用了热导率更高的ZK61镁合金和体积分数更大的300目铜网,制备了导热性能更加出色的层状铜网/ZK61镁箔复合材料。压头位移约为4、5和6 mm(4#、5#和6#),用于量化反应扩散的程度,具有可调节、可视和灵活性。调控界面首先在高温短时间内产生流动性共晶液相填充界面间隙,然后在低温下进行扩散连接。复合材料显微结构除ZK61基体中的α–Mg、Mg Zn2、α–Zr以及Zn2Zr3外,还存在Cu、Mg2Cu、Cu Zn以及少量Mg4Zn7和Cu Mg Zn。Mg2Cu膜状结构包裹铜丝,很可能起到了填充Mg–Cu界面间隙的作用,随位移增大,膜状结构体积逐渐增大,6#样品有过度反应导致Mg2Cu成为连续网状的趋势。复合材料的密度随位移的增加而增加,可能是由于复合材料界面孔隙率减小以及低熔点相挤出所致。复合材料的热导率随位移先增加后减小,主要原因应该是:随位移增加,一方面界面冶金连接改善导致热导率提高,另一方面铜反应消耗导致热导率降低,两种机制相互竞争所致。热导率最高为5#样品141.47 W/(m·K),达到了纯镁的91%。将实验测得的热导率与理论模型计算结果进行对比,随位移的增大,Cu由分散增强相Hasselman–Johnson模型转变为连续增强相Rayleigh模型,这可能与界面连接质量的改善有关。(3)扩散连接Cu/ZK61棒材,用以放大模拟并研究层状复合材料的Cu/ZK61界面特征:随位移增加(2#、4#、5#、6#),界面处的Mg2Cu化合物层逐渐变厚,从3.1μm增加至10.2μm。Mg2Cu化合物一定程度上起到了填充Mg–Cu界面间隙的作用,但界面仍存在局部未焊合区域。界面化合物Mg2Cu生长动力学符合线性生长规律,受反应控制。
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