[發明專利]一種高鎢含量的高致密細晶鎢銅材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201110007251.9
• 申請日: 2011-01-13
• 公開（公告）號: CN102041421A
• 公開（公告）日: 2011-05-04
• 發明（設計）人: 范景蓮;劉濤;田家敏;成會朝;高楊
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C22C27/04
• 分類號: C22C27/04;C22C1/04
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所 43114
• 代理人: 顏勇

技術領域：

本發明涉及納米材料領域和粉末冶金領域，特別是采用納米技術制備的高鎢含量的高致密細晶鎢銅材料及其制備方法。

背景技術：

W-Cu復合材料綜合了W和Cu兩種元素的優點，具有熱膨脹系數低，導性好、導熱性好以及良好的抗電弧燒蝕性能，在機械加工、電氣工程以及電子信息領域被廣泛用作電接觸材料、電極材料以及電子封裝材料。

傳統的W-Cu材料方法一股為高溫液相繞結法和熔滲法。由于W與Cu兩種元素的本質不相溶性，采用高溫液相燒結所制備合金材料的密度只有94-95％左右，添加Ni、Co等活化劑采用活化液相燒結，可以使致密度達到98-99％，但對合金的導電性和導熱性能有不利的影響。熔滲法是先制備鎢骨架，然后將Cu熔滲到鎢骨架孔隙中，雖然該方法比高溫液相燒結法所制備的材料的導電導熱性要好，但對于銅含量低于7wt％的W-Cu材料熔滲法很難制備，而且該方法所制備的零部件形狀簡單，同時顯微組織結構粗大且均勻性差，Cu容易滲出和分布不均勻，影響材料的導電導熱性能和變形加工性能。

近年來，隨著機械加工技術不斷向高精度和高復雜度水平發展以及微電子集成電路不斷向大規模和超大規模以及高度集成化方向發展，對機械加工和微電子用鎢銅材料的提出了更高的性能要求，要求材料具有：(1)很低的氣體含量和很高的致密度；(2)良好的組織均勻性；(3)更高的導熱和導電性能；(4)更高的抗電弧燒蝕性；(5)產品形狀復雜。但這些特殊的要求使傳統方法制備的鎢銅材料已難于滿足。

利用納米復合技術制備超細/納米W-Cu復合粉末可以在很大程度上緩解W和Cu的不相溶性，從而在燒結性能方面得到改善。本發明的發明人在前階段已申請和獲得了一項國家發明專利“細晶鎢銅復合材料的制備方法”(專利號：ZL03143145.3)，在該發明中，將W和Cu元素粉末采用機械合金化制備納米晶復合粉末，將粉末成型和一步燒結制備密度大于98％，晶粒度為1-2μm的W-Cu復合材料。與傳統方法相比，該發明在材料致密度方面取得了很大的進步，但采用機械合金化工藝，粉末成型性差，更重要的是容易引入其它夾雜而降低材料的導熱導電性能。針對機械合金化在制備超細/納米W-Cu復合粉末方面存在的問題，本發明的發明人發明了“一種超細鎢銅復合粉末的制備方法”(專利號：ZL200510031446.1)，在該發明中，采用溶膠-噴霧熱還原-兩步氫還原的方法制備出銅含量在40-60％的超細/納米W-Cu復合粉末，該粉末成型后能在低溫下一步燒結致密化，其材料致密度在98％以上，晶粒度在1μm以下。與機械合金化方法相比，該發明的粉末成型性好，而且粉末雜質含量少，但是由于復合粉末中Cu含量較高，導致燒結后的W-Cu復合材料抗電弧燒蝕性能差、熱膨脹系數大，特別是用作機械加工用電極材料時，該方法制備的W-Cu材料中的Cu很容易被電弧燒蝕熔化和揮發，從而造成加工后的產品尺寸和表面精度差，不利于制備高性能的W-Cu電極材料，同時高的Cu含量也會導致熱膨脹系數大，不利于制備微電子器件用封裝材料。

發明內容：

本發明將克服已有的鎢銅材料制備技術的不足，研究出一種具有高致密、高均勻、高導熱導電性特征，并能達到良好的抗電弧燒蝕性要求以及微電子器件用封裝材料低的熱膨脹系數的要求的鎢銅材料及其制備方法。

本發明的高鎢含量的高致密細晶鎢銅材料的成分按質量百分比計為：Cu含量為5-20％；余量為W；優選80％W、20％Cu或85％W、15％Cu或90％W、10％Cu或95％W、5％Cu。

上述的高鎢含量的高致密細晶鎢銅材料的制備方法如下：

(1)采用溶膠-噴霧干燥獲得W-Cu前驅體粉末，前軀體粉末經400-800℃煅燒1-4h后；100-200rpm條件下球磨1-10h；獲得成分均勻的W-Cu氧化物復合粉末，所述的氧化物復合粉末在600-900℃下還原1-4h；獲得超細W-Cu復合粉末；(采用溶膠-噴霧干燥獲得W-Cu前驅體粉末以及W-Cu氧化物復合粉末還原的過程參考中國專利ZL200510031446.1)

(2)將(1)中的超細W-Cu復合粉末添加0-2.5wt％的低分子有機粘結劑后，采用模壓、冷等靜壓技術壓制成壓坯；

(3)將(2)中壓制好的壓坯在700-1100℃預燒，再在1150-1350℃進行一步燒結，最后在1400℃-1530℃進行二步燒結，每步燒結的保溫時間均為0.5-3h，獲得高致密的細晶W-Cu材料。

所述的低分子粘結劑為：石蠟、丁鈉橡膠、聚乙二醇、硬脂酸、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯脂、聚苯乙烯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯、苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯中的一種或幾種。