第12期 章林等：(SiC)/Cu复合材料的显微组织和导电性能 ·1415· 复合材料电导率的提高不明显.随着SiC含量的增 参考文献 加，基体中TN的含量增加，TN颗粒相互联通并形 [1]Martinez V,Ordonez S,Castro F,et al.Wetting of silicon carbide 成了导电网络，使电导率明显提高.SiC体积分数为 by copper alloys.J Mater Sci,2003,38(19):4047 65%时，采用包覆粉末使复合材料的电导率提高了 Schubert T,Brendel A,Schmid K,et al.Interfacial design of 4.1m-1·mm2.图5(c)也证实了TiN在高体积 Cu/SiC composites prepared by powder metallurgy for heat sink applications.Compos Part A,2007,38(12):2398 分数的(SiC)N/Cu复合材料中彼此相互连接而形 B]Zhang R.Wang HL.Xin L,et al.Pressure sensitivity of SiC/Cu 成明显的网络分布状态，提供了良好的导电通道. composites prepared by SPS.Key Eng Mater,2007,336-338: 混合模型计算出的电导率最高，等效介质近似 2353 模型居中，P.G模型和Maxwell模型最低.这三种模 [4]Yih P,Chung DD L.Silicon carbide whisker copper matrix com- 型预测的电导率的变化趋势基本相同，即电导率随 posites fabricated by hot pressing copper coated whiskers.J Mater Si,1996,31(2):399 着增强体含量的增加而降低.电导率的实测值和理 [5] Gan KK,Chen N,Wang Y.SiC/Cu composites with tungsten 论模型预测值之间存在一定误差，特别是混合模型 coating prepared by powder metallurgy.Mater Sci Technol,2007. 的误差最大，说明依据简单的复合理论不适用于复 23(1):119 合材料电导率的计算，复合材料电导率与增强颗粒 6]Sundberg G,Paul P,Sung C,et al.Fabrication of CuSiC metal 的体积含量之间并不是一种简单的线性关系.等效 matrix composites.J Mater Sci,2006,41(2)485 ] Sundberg G,Paul P,Sung C,et al.Identification and character- 介质近似模型、P.G模型和Maxwell模型的推导都 ization of diffusion barriers for Cu/SiC systems.J Mater Sci, 将增强相作为球形颗粒，并均匀分布在基体中：但是 2005,40(13):3383 实际上增强相的形状不规则，且在基体中并非完全 [8] Shimada S,Kato K.Coating and spark plasma sintering of nano- 呈均匀分布，这些都会增大自由电子的散射效应，从 sized TiN on Y--sialon.Mater Sci Eng A,2007,443(1/2):47 而降低电导率。此外，电导率是组织结构敏感的物 9] Kawano S,Takahashi J,Shimada S.The preparation and spark plasma sintering of silicon nitride-based materials coated with 理量，它还受到颗粒大小、堆积方式、点阵畸变、颗粒 nano-sized TiN.J Eur Ceram Soc,2004,24 (2):309 大小及分布、相界面特征等多种因素的影响，很难用 Do] Kawano S,Takahashi J,Shimada S.Fabrication of TiN/Si,Na 一个精确计算模型来精确预测.然而，P.G模型预 ceramics by spark plasma sintering of Si Na particles coated with 测的电导率和测量值比较接近，其实用性还有待进 nanosized TiN prepared by controlled hydrolysis of Ti(-C 一步证实 H,）4-JAm Ceram Soc,2003,86(4):701 01] Shimada S,Yoshimatsu M,Nagai H,et al.Preparation and 3结论 properties of TiN and AlN films from alkoxide solution by thermal plasma CVD method.Thin Solid Films,2000,370 (1/2):137 (1)采用醇盐(Ti(0-i-C,H,),)水解法在SiC [12]Shimada S,Tsukurimichi K.Preparation of SiN,and composite 颗粒表面包覆Ti02,然后在1000℃于氨气中氮化可 SiN,TiN films from alkoxide solutions by liquid injection plasma 得到TiN包覆SiC复合粉末，TiN包覆层均匀连续， CVD.Thin Solid Films,2002,419(1):54 [13]Weber L,Dorn J,Mortensen A.On the electrical conductivity of TiN颗粒的粒径为30~80nm. metal matrix composites containing high volume fractions of non- (2)当SiC的体积分数由30%增大到65%，铜 conducting inclusions.Acta Mater,2003,51 (11):3199 基体中的TN由孤立状向网络状转变，形成了良好 04]Chang S Y,Chen C F,Lin S J,et al.Electrical resistivity of 的导电通道，相应的(SiC)v/Cu复合材料的电导率 metal matrix composites.Acta Mater,2003,51 (20):6291 [15]Klemens P G.Thermal conductivity of composites.Int Thermo- 由35.7m1mm2降低到15.5m2lmm-2. phs,1990,11(5):971 (3)TN包覆层和基体中网络结构的TN的存 [16]Hasselman D P H,Johnson L F.Effective thermal conductivity of 在能够有效提高复合材料的电导率.复合材料的电 composites with interfacial thermal barrier resistance.Compos, 导率较接近P.G模型的预测值. 1987,21(6):508第 12 期 章 林等: ( SiC) TiN /Cu 复合材料的显微组织和导电性能 复合材料电导率的提高不明显． 随着 SiC 含量的增 加，基体中 TiN 的含量增加，TiN 颗粒相互联通并形 成了导电网络，使电导率明显提高． SiC 体积分数为 65% 时，采用包覆粉末使复合材料的电导率提高了 4. 1 m·Ω － 1 ·mm － 2 ． 图 5( c) 也证实了 TiN 在高体积 分数的( SiC) TiN /Cu 复合材料中彼此相互连接而形 成明显的网络分布状态，提供了良好的导电通道． 混合模型计算出的电导率最高，等效介质近似 模型居中，P. G 模型和 Maxwell 模型最低． 这三种模 型预测的电导率的变化趋势基本相同，即电导率随 着增强体含量的增加而降低． 电导率的实测值和理 论模型预测值之间存在一定误差，特别是混合模型 的误差最大，说明依据简单的复合理论不适用于复 合材料电导率的计算，复合材料电导率与增强颗粒 的体积含量之间并不是一种简单的线性关系． 等效 介质近似模型、P． G 模型和 Maxwell 模型的推导都 将增强相作为球形颗粒，并均匀分布在基体中; 但是 实际上增强相的形状不规则，且在基体中并非完全 呈均匀分布，这些都会增大自由电子的散射效应，从 而降低电导率． 此外，电导率是组织结构敏感的物 理量，它还受到颗粒大小、堆积方式、点阵畸变、颗粒 大小及分布、相界面特征等多种因素的影响，很难用 一个精确计算模型来精确预测． 然而，P． G 模型预 测的电导率和测量值比较接近，其实用性还有待进 一步证实． 3 结论 ( 1) 采用醇盐( Ti( O--i--C3H7 ) 4 ) 水解法在 SiC 颗粒表面包覆 TiO2，然后在 1000 ℃于氨气中氮化可 得到 TiN 包覆 SiC 复合粉末，TiN 包覆层均匀连续， TiN 颗粒的粒径为 30 ～ 80 nm． ( 2) 当 SiC 的体积分数由 30% 增大到 65% ，铜 基体中的 TiN 由孤立状向网络状转变，形成了良好 的导电通道，相应的( SiC) TiN /Cu 复合材料的电导率 由 35. 7 m·Ω － 1 ·mm － 2 降低到 15. 5 m·Ω － 1 ·mm － 2 ． ( 3) TiN 包覆层和基体中网络结构的 TiN 的存 在能够有效提高复合材料的电导率． 复合材料的电 导率较接近 P． G 模型的预测值． 参 考 文 献 ［1］ Martínez V，Ordoez S，Castro F，et al． Wetting of silicon carbide by copper alloys． J Mater Sci，2003，38( 19) : 4047 ［2］ Schubert T，Brendel A，Schmid K，et al． Interfacial design of Cu /SiC composites prepared by powder metallurgy for heat sink applications． Compos Part A，2007，38( 12) : 2398 ［3］ Zhang R，Wang H L，Xin L，et al． Pressure sensitivity of SiC /Cu composites prepared by SPS． Key Eng Mater，2007，336-338: 2353 ［4］ Yih P，Chung D D L． Silicon carbide whisker copper matrix com￾posites fabricated by hot pressing copper coated whiskers． J Mater Sci，1996，31( 2) : 399 ［5］ Gan K K，Chen N，Wang Y． SiC /Cu composites with tungsten coating prepared by powder metallurgy． Mater Sci Technol，2007， 23( 1) : 119 ［6］ Sundberg G，Paul P，Sung C，et al． Fabrication of CuSiC metal matrix composites． J Mater Sci，2006，41( 2) : 485 ［7］ Sundberg G，Paul P，Sung C，et al． Identification and character￾ization of diffusion barriers for Cu /SiC systems． J Mater Sci， 2005，40( 13) : 3383 ［8］ Shimada S，Kato K． Coating and spark plasma sintering of nano￾sized TiN on Y-α-sialon． Mater Sci Eng A，2007，443( 1 /2) : 47 ［9］ Kawano S，Takahashi J，Shimada S． The preparation and spark plasma sintering of silicon nitride-based materials coated with nano-sized TiN． J Eur Ceram Soc，2004，24( 2) : 309 ［10］ Kawano S，Takahashi J，Shimada S． Fabrication of TiN/Si3 N4 ceramics by spark plasma sintering of Si3N4 particles coated with nanosized TiN prepared by controlled hydrolysis of Ti ( O-i-C3 H7 ) 4 ． J Am Ceram Soc，2003，86( 4) : 701 ［11］ Shimada S，Yoshimatsu M，Nagai H，et al． Preparation and properties of TiN and AlN films from alkoxide solution by thermal plasma CVD method． Thin Solid Films，2000，370( 1 /2) : 137 ［12］ Shimada S，Tsukurimichi K． Preparation of SiNx and composite SiNx-TiN films from alkoxide solutions by liquid injection plasma CVD． Thin Solid Films，2002，419( 1) : 54 ［13］ Weber L，Dorn J，Mortensen A． On the electrical conductivity of metal matrix composites containing high volume fractions of non￾conducting inclusions． Acta Mater，2003，51( 11) : 3199 ［14］ Chang S Y，Chen C F，Lin S J，et al． Electrical resistivity of metal matrix composites． Acta Mater，2003，51( 20) : 6291 ［15］ Klemens P G． Thermal conductivity of composites． Int J Thermo￾phys，1990，11( 5) : 971 ［16］ Hasselman D P H，Johnson L F． Effective thermal conductivity of composites with interfacial thermal barrier resistance． J Compos， 1987，21( 6) : 508 ·1415·