梯度结构钨铜复合材料

钨铜（W-Cu）和钼铜（Mo-Cu）分别是由钨钼与铜结合形成的两相复合材料，其具有众多的优势，如高硬度，高强度，高熔点，优良的化学稳定性、优良的导电导热性以及较低的热膨胀系数，在一些大功率器件中被视为一种常用的热沉材料。钨铜作为一种不断取代传统材料的电子封装热沉材料，国内外的相关研究人员及学者也对其展开了更为深入的研究，包括活性剂的添加、改变粉末性能等使得钨铜材料的烧结密度得到更好的提升。而现如今一些工业领域的环境日益严苛（包括温度、压力、功率等），对于钨铜材料的高性能也提出了更高的要求。从梯度结构硬质合金得到启发，日本相关学者提出了梯度结构功能材料的新概念，并对钨铜功能结构梯度材料从制备工艺、计算机模拟以及预测等方面做了充分的研究，也取得了实质性的进展，使得其在一些大功率器件中发挥了重要作用。

钨铜复合材料是由两个理化性能相差较大的金属钨和铜组成的二相假合金，其各项性能可随组织的变化而变化，从梯度结构的方面考虑，其可以一端为具有高硬度、高熔点、高密度的钨或是含铜量较低的钨铜，而另一端则是具有优良导电导热性以及可塑性的铜或含铜量较高的钨铜，这样一来所形成的具有梯度结构钨铜复合材料就有了良好的特异性以及更为广阔的应用前景。对于梯度结构的钨铜复合材料的制造工艺，相关领域的研究人员和学者也提出了多种设想以及尝试。这里简单地介绍几种相关的新工艺，如传统的干粉叠层法，采用分层装入不同粒度的钨粉，经过冷压、烧结、熔渗铜后制取不同组成的钨铜梯度材料（将烧结好的多孔钨骨架电化学腐蚀形成沿腐蚀方向具有梯度孔隙率的钨骨架，经熔渗铜可制得具有连续组成变化的钨铜梯度材料）；如采用热等静压扩散连接的方法，可以将不同组成的钨铜材料结合成钨铜梯度材料。

此外，还有一类是通过制备连续梯度层，如注浆成型、沉降成型、离心成型等。如采用等离子喷涂技术将不同组成的钨铜混合物分别装入不同组成的钨铜混合进行粉末压制烧结也是一种新方法。其中有两种工艺方法已经申请了专利，其一是采用粉末冶金-熔渗工艺，其利用粉末冶金方法制取两种组分完全不同的钨铜坯块，再把其中热导率较大的钨铜坯块嵌入另一坯块中，由于嵌入的坯块铜含量相对较高使得其热导率也相对较高，而外围坯块具有较低的铜含量，从而保证了整体梯度材料的热膨胀系数降低。另一种则是将钨铜和以氮化铝-铝（AlN-Al）为主的陶瓷材料有机结合，梯度结构的陶瓷体与金属由于具有相匹配的热膨胀系数，所以内应力较低，并且由于金属与陶瓷结合部分有较高的导热系数而不会使得热量集中在过渡层而影响热沉材料的散热效果。