Томские ученые предложили новый способ армирования медных композитов карбидами
Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) совместно с коллегами из Китая предложили новый способ синтеза металлических композитов на основе меди, армированных твердыми карбидами. Технология позволяет контролировать форму, размер и распределение карбидов внутри меди. Это улучшает теплопроводность и механические свойства материала. В будущем метод может лечь в основу систем нового поколения устройств теплоотвода в электронной технике.
Сплавы меди благодаря хорошей тепло- и электропроводности, а также своей износостойкости широко применяются в электронике и устройствах теплоотвода. Для улучшения свойств материалов к составляющей основу меди добавляют твердые карбиды, например карбид вольфрама, бора или титана. Они повышают механические свойства материала без существенного снижения электропроводности. Однако у существующих методов синтеза таких композитов есть ряд недостатков, ограничивающих их промышленное применение.
Авторы предложили новый способ синтеза композитов из меди с вкраплениями твердых карбидов, основанный на двух подходах плазмодинамического метода — ex site и in situ. В первом случае осуществляется раздельный синтез компонентов композита в виде медной матрицы и карбида. Во втором случае происходит совместное получение матрицы и карбида в едином процессе плазменной обработки. Вне зависимости от подхода, готовый продукт пригоден для получения объемных изделий методом искрового плазменного спекания.
«Главная проблема существующих методов получения металломатричных композитов на основе меди — высокая пористость, которая снижает свойства готовых изделий. Предложенная технология с возможностью in situ «совмещения» компонентов непосредственно в зоне дугового разряда позволяет обеспечить более надежное, плотное и однородное соединение карбида с медной матрицей, что позволяет улучшить механические и тепловые характеристики готовых металломатричных композитов», — рассказал один из авторов исследования, доцент отделения электроэнергетики и электротехники ТПУ Дмитрий Никитин.
Ученые исследовали полученные новым способом материалы с помощью сканирующего и просвечивающего электронных микроскопов. Они анализировали размер распределения частиц твердых карбидов в композите, твердость, теплопроводность и другие характеристики. Результаты показали, что металлические композиты, созданные по новой технологии, в сравнении с аналогами и чистой медью, обладают улучшенными характеристиками. Плотность материала достигает 95 %, твердость — до 130 HV, а теплопроводность — до 152 Вт/м∙К.
«Главное преимущество новой технологии заключается в способе формирования микроструктуры будущего композита: карбид формируется как высокодисперсный компонент, а медь преимущественно представлена в виде крупноразмерных частиц. Из-за этого плотность заполнения объема между крупными и мелкими частицами очень высокая», — отметил Дмитрий Никитин.
В будущем ученые планируют оптимизировать режимы плазменной обработки, чтобы достичь максимального контроля синтеза и свойств металломатричных композитов для конкретных задач электроники.
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.