纳米颗粒增强的铜基复合材料及其制备方法   0    0

[0001] 本发明涉及一种纳米颗粒增强的铜基复合材料及其制备方法，具体涉及一种纳米颗粒增强的铜-钼-碳复合材料及制备方法。

[0002] 铜及铜合金材料是一种重要的有色金属材料，由于具有优异的物理和力学性能，在电子工业等领域获得了广泛的应用。但随着科学技术（尤其是微电子工业的快速发展）的快速发展，传统的铜及其合金由于电性能和强度不能兼顾，已经不能满足要求。纳米弥散强化铜合是以纳米粒子为第二相的新型复合材料，由于纳米粒子可以有效地阻碍位错运动和晶界滑移使材料的力学性能提高，同时不会明显降低电导率，从而较好地解决了电性能和强度不能兼顾的问题。目前，此材料中的增强粒子有氧化物、碳化物、硼化物、氮化物和难熔金属等。制备此材料的方法主要由内氧化法、粉末冶金方法和机械合金化方法等。内氧化法是利用低氧条件下Cu-Al合金中Al发生选择性氧化形成Al2O3的工艺。该工艺是目前用于制备Cu-Al2O3弥散强化复合材料的主要工艺，制备的材料性能好，但此工艺还存在着工序复杂、周期长、成本高的缺点。粉末冶金法是利用铜粉与增强粒子按一定配比在干混或湿混条件下，经过机械混合可得到增强粒子混合均匀的混合粉末，成型、真空或保护气氛条件下烧结，复压、复烧来制备材料的工艺。该工艺虽然可制备各种尺寸增强粒子分布的复合材料，但还存在着制备的复合材料的力学性能差、工序多、成本高的缺点。机械合金化方法是采用高能球磨机将铜粉与增强粒子混合均匀后，成型、真空或保护气氛条件下烧结，复压、复烧来制备材料的工艺。同样，该工艺也存在力学性能差、工序多、成本高的缺点。总之，目前关于制备纳米弥散强化的铜基复合材料都存在工序多、周期长、成本高的问题。因此，在此背景下发明一种高强高导电性能的复合材料及工序简单、成本低的制备工艺具有重要的意义。

[0003] 本发明的目的是提供一种具有优异力学性能、电性能的纳米颗粒增强的铜基复合材料及其制备方法。

[0004] 为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

[0005] 本发明提供了一种纳米颗粒增强的铜基复合材料，所述的铜基复合材料中，铜基体晶粒尺寸小于20μm，纳米颗粒增强相为碳化钼、或碳化钼与钼、或碳化钼与碳，纳米颗粒增强相的颗粒尺寸在200nm以下；所述铜基复合材料中，Mo的质量百分含量为0.1-15%，C的质量百分含量为在1%以下。

[0006] 所述的铜基复合材料的性能指标如下：屈服强度Rp0.2≥420MPa，抗拉强度Rm≥480MPa，电导率≥70%ICAS。

[0007] 本发明还提供了一种所述纳米颗粒增强的铜基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

[0008] （1）将铜锭料与钼源、碳源中的一种的或两种分别放于坩埚内，并在铜锭料上面放隔离层原料；

[0009] （2）抽真空，加热基板；

[0010] （3）当真空度达到9×10-2Pa以下、基板温度达到500-800℃，打开基板旋转装置，使基板旋转，沉积隔离层；

[0011] （4）打开挡板，开始沉积材料；

[0012] （5）沉积完成，待基板冷却后，取下基板，分离获得沉积层材料，即为纳米颗粒增强的铜基复合材料。

[0013] 所述步骤（1）中，钼源或者碳源可制成相应的锭料分别置于坩埚中，或者将碳制成锭料，在该锭料上面放上钼原料置于同一个坩埚中。

[0014] 进一步，所述的碳源是碳靶，或碳粉，或蒽粉。

[0015] 进一步，隔离层原料选自CaF2或ZrO2。

[0016] 进一步，沉积过程中，基板转速控制在3-20rev/min。

[0017] 所述步骤（4）中，本领域技术人员可根据实际需要通过控制电子枪的束流大小和沉积时间控制沉积材料的组成和厚度。

[0018] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0019] （1）本发明制得的纳米颗粒增强的铜-钼-碳复合材料具有优异的力学性能和电性能，其屈服强度Rp0.2≥420MPa，抗拉强度Rm≥480MPa，电导率≥70%IACS，而纯铜的室温屈服强度为33MPa，抗拉强度为209MPa；

[0020] （2）本发明采用的电子束物理气相沉积工艺简单，成本低，易于控制。具体地，目前铜的沉积速率可以达到20μm/min，即沉积直径1m，厚度为2mm的板材只需沉积100min。而同样的内氧化法制备纳米弥散强化铜基复合材料，光内氧化过程就需4-60h，而且在还原气氛条件进行热压烧结，所需工序多，时间长。

[0023] 下面通过优选实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但不应将其理解为对本发明保护范围的限制。

[0024] 实施例1：

[0025] 将铜锭料和石墨锭料放入坩埚中，并在石墨锭料上面放上200g钼，在铜锭料上面放上5g CaF2;关上真空室，开始抽真空；启动转动装置使基板以6rpm的速度转动，并打开-2基板加热装置，加热基板温度使之稳定在650℃；当真空度达到3×10 Pa时，打开挡板、电子枪，沉积隔离层CaF2；以束流大小1.5A加热铜锭料，以束流大小1.5A加热石墨锭料，开始沉积材料，沉积50min后，关闭电子枪，拉上挡板，关闭加热装置，关闭基板旋转装置；当基板温度降到200℃以下时，关闭真空系统，取下基板，分离获得厚度0.26mm，直径520mm的板材。制备的板材成分为Cu-Mo1.3wt%-C0.086wt%，根据国家标准GB/T228.1-2010对对最终产品进行力学性能测试，其屈服强度Rp0.2=426MPa，抗拉强度Rm=480MPa。以四探针法对材料的电导率进行检测，其电导率为82%IACS。制备的铜-钼碳复合材料铜基体晶粒尺寸为
5-10μm（见图1），第二相为Mo2C,平均尺寸约为5nm（见图2）。

[0026] 实施例2：

[0027] 将铜锭料、钼锭料和蒽粉分别放入坩埚中，并在铜锭料上面放上5g CaF2;关上真空室，开始抽真空；启动转动装置使基板以15rpm的速度转动，并打开基板加热装置，加热-2基板温度使之稳定在750℃；当真空度达到3×10 Pa时，打开挡板、电子枪，沉积隔离层CaF2；以束流大小2.2A加热铜锭料，以束流大小2.6A加热钼锭料，以束流大小0.6A加热蒽粉，开始沉积材料，当沉积30min后，关闭电子枪，拉上挡板，关闭加热装置，关闭基板旋转装置；当基板温度降到200℃以下时，关闭真空系统，取下基板，分离获得厚度0.3mm，直径
520mm的板材。制备的板材成分为Cu-Mo15wt%-C0.2wt%，根据国家标准GB/T228.1-2010对对最终产品进行力学性能测试，其屈服强度Rp0.2=540MPa，抗拉强度Rm=600MPa。以四探针法对材料的电导率进行检测，其电导率为70%IACS。制备态材料基体晶粒尺寸为1-5μm，第二相颗粒为Mo（平均尺寸为180nm），Mo2C（平均尺寸为20nm）。

[0028] 实施例3：

[0029] 将铜锭料、钼锭料和蒽粉分别放入坩埚中，并在铜锭料上面放上5g ZrO2;关上真空室，开始抽真空；启动转动装置使基板以8rpm的速度转动，并打开基板加热装置，加热基-2板温度使之稳定在650℃；当真空度达到3×10 Pa时，打开挡板、电子枪，沉积隔离层ZrO2；
以束流大小2.2A加热铜锭料，以束流大小2.0A加热钼锭料，以束流大小1A加热蒽粉，开始沉积材料，当沉积40min后，关闭电子枪，拉上挡板，关闭加热装置，关闭基板旋转装置；当基板温度降到200℃以下时，关闭真空系统，取下基板，分离获得厚度0.38mm，直径520mm的板材。制备的板材成分为Cu-Mo0.2wt%-C1wt%,根据国家标准GB/T228.1-2010对最终产品进行力学性能测试，其屈服强度Rp0.2=440MPa，抗拉强度Rm=500MPa。以四探针法对材料的电导率进行检测，其电导率为80%IACS。制备态材料基体晶粒尺寸为1-5μm，第二相颗粒为C（平均尺寸为16nm），Mo2C（平均尺寸为20nm）。

[0021] 图1为实施例1制备的铜-钼-碳材料表面SEM照片。

[0022] 图2为实施例1制备的铜-钼-碳材料TEM照片。