Cu/Invar合金復(fù)合材料：從設(shè)計(jì)構(gòu)思到性能解析一、引言1.1研究背景與意義在當(dāng)今信息時(shí)代，電子設(shè)備的性能和可靠性對(duì)人們的生活和工作產(chǎn)生著深遠(yuǎn)影響。隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、5G通信等信息技術(shù)的飛速發(fā)展，電子元器件正朝著小型化、輕量化、高性能化和高集成度的方向迅速演進(jìn)。在這一進(jìn)程中，電子設(shè)備在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如不及時(shí)有效地散發(fā)，將導(dǎo)致設(shè)備溫度急劇升高。過(guò)高的溫度不僅會(huì)顯著降低電子元器件的性能，引發(fā)信號(hào)傳輸異常、電路故障等問(wèn)題，還會(huì)嚴(yán)重縮短其使用壽命，甚至導(dǎo)致設(shè)備損壞。因此，開(kāi)發(fā)高性能的電子封裝材料以實(shí)現(xiàn)高效的熱管理，成為了推動(dòng)電子技術(shù)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。熱沉材料作為電子封裝材料或熱管理材料的核心組成部分，其主要功能是迅速將芯片、晶體管等半導(dǎo)體器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)并耗散出去。為了滿(mǎn)足這一關(guān)鍵需求，熱沉材料需具備多項(xiàng)優(yōu)良性能。高導(dǎo)熱率是其首要特性，這使得熱量能夠快速傳遞，避免熱量在器件內(nèi)部積聚；與Si、GaAs等半導(dǎo)體相匹配的熱膨脹系數(shù)也至關(guān)重要，若熱膨脹系數(shù)不匹配，在受熱過(guò)程中材料與半導(dǎo)體之間會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致界面脫離失效；此外，良好的機(jī)加工性、可焊接性和氣密性也是保證熱沉材料能夠在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮作用的必要條件。純銅（Cu）憑借其高達(dá)397W/（m?K）的熱導(dǎo)率，在導(dǎo)熱方面表現(xiàn)出色，然而其熱膨脹系數(shù)過(guò)大，可達(dá)17×10??/K，與陶瓷基板等常用材料的膨脹系數(shù)相差懸殊，極易引發(fā)熱失配問(wèn)題，嚴(yán)重影響材料的可靠性和使用壽命。Invar合金（Fe??Ni??，wt.％），又稱(chēng)因瓦合金、殷鋼或不脹鋼，具有極小的熱膨脹系數(shù)，在室溫（25-30℃）附近僅為1-2×10??/K，但其熱導(dǎo)率卻很低，僅為11W/（m?K），這使得它在單獨(dú)作為熱沉材料時(shí)，散熱效率難以滿(mǎn)足要求。將Cu和Invar合金復(fù)合而成的Cu/Invar復(fù)合材料，巧妙地綜合了Cu的高導(dǎo)熱特性和Invar的低膨脹特性，成為了一種極具潛力的理想金屬封裝材料。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和制備工藝，這種復(fù)合材料能夠在保持較低熱膨脹系數(shù)的同時(shí)，顯著提高熱導(dǎo)率，有效解決電子設(shè)備的熱管理難題。它的出現(xiàn)為滿(mǎn)足超大規(guī)模集成電路及電力電子器件發(fā)展對(duì)封裝材料的嚴(yán)苛要求提供了新的可能，有望實(shí)現(xiàn)高熱耗散、與半導(dǎo)體和陶瓷基板低熱膨脹系數(shù)失配及高可靠性的性能需求。目前，制備Cu/Invar復(fù)合材料的方法眾多，包括熱壓燒結(jié)、冷軋復(fù)合、真空熱壓等。然而，這些傳統(tǒng)方法在實(shí)際應(yīng)用中存在諸多問(wèn)題。例如，熱壓燒結(jié)過(guò)程中，由于Ni在Cu中的固溶度較大，高溫處理時(shí)間稍長(zhǎng)就會(huì)引發(fā)兩相元素?cái)U(kuò)散，這不僅會(huì)顯著降低Cu相的熱導(dǎo)率，還會(huì)增大Invar相的膨脹系數(shù)，從而嚴(yán)重影響復(fù)合材料的綜合性能；冷軋復(fù)合工藝雖然能夠在一定程度上改善復(fù)合材料的性能，但存在制備工藝復(fù)雜、成本高昂的問(wèn)題，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)；真空熱壓工藝則對(duì)設(shè)備要求較高，制備過(guò)程繁瑣，且容易在復(fù)合材料內(nèi)部產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷，影響材料的質(zhì)量和可靠性。本研究聚焦于Cu/Invar合金復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、制備與性能研究，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。從理論層面來(lái)看，深入探究Cu/Invar復(fù)合材料的制備工藝、組織結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，有助于揭示復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制和熱傳導(dǎo)機(jī)理，為新型復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用方面，通過(guò)研發(fā)新型的制備工藝，有望制備出具有高導(dǎo)熱率、低膨脹系數(shù)、良好機(jī)加工性和可焊接性的Cu/Invar復(fù)合材料，這將有效滿(mǎn)足電子封裝領(lǐng)域?qū)Ω咝阅軣岢敛牧系钠惹行枨?，推?dòng)電子設(shè)備向更高性能、更小尺寸的方向發(fā)展，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級(jí)和創(chuàng)新發(fā)展，在5G通信基站、高性能計(jì)算機(jī)、新能源汽車(chē)等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀Cu/Invar合金復(fù)合材料作為一種具有獨(dú)特性能優(yōu)勢(shì)的新型材料，在電子封裝等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，因而受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和深入研究。在設(shè)計(jì)方面，學(xué)者們致力于通過(guò)優(yōu)化成分比例和微觀結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)材料性能的最大化。研究發(fā)現(xiàn)，改變Cu和Invar合金的相對(duì)含量能夠顯著影響復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率。當(dāng)Cu含量增加時(shí)，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率有所提高，但熱膨脹系數(shù)也會(huì)相應(yīng)增大；反之，Invar合金含量的增加則有助于降低熱膨脹系數(shù)，但會(huì)導(dǎo)致熱導(dǎo)率下降。通過(guò)精確控制兩者的比例，能夠使復(fù)合材料在熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率之間達(dá)到良好的平衡，滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。有研究通過(guò)調(diào)整Cu/Invar的成分比例，成功制備出熱膨脹系數(shù)在5-8×10??/K，熱導(dǎo)率達(dá)到150-200W/（m?K）的復(fù)合材料，為其在對(duì)熱性能要求苛刻的電子設(shè)備中的應(yīng)用提供了可能。除了成分比例，微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也是研究的重點(diǎn)之一。通過(guò)引入特定的微觀結(jié)構(gòu)，如梯度結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)等，可以進(jìn)一步改善復(fù)合材料的性能。梯度結(jié)構(gòu)的Cu/Invar復(fù)合材料能夠在不同部位實(shí)現(xiàn)熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率的梯度變化，從而更好地適應(yīng)復(fù)雜的熱環(huán)境，減少熱應(yīng)力的產(chǎn)生；層狀結(jié)構(gòu)則可以有效抑制界面處的元素?cái)U(kuò)散，提高復(fù)合材料的穩(wěn)定性和可靠性。在制備工藝方面，多種方法被用于Cu/Invar復(fù)合材料的制備。熱壓燒結(jié)是一種常用的方法，通過(guò)在高溫高壓下使Cu粉和Invar合金粉相互擴(kuò)散和結(jié)合，形成致密的復(fù)合材料。專(zhuān)利CN113667852A采用質(zhì)量比1:1的Invar合金粉和Cu粉機(jī)械混合，通過(guò)真空SPS燒結(jié)制備復(fù)合材料，燒結(jié)溫度為700-800℃，燒結(jié)壓力40-60MPa，保溫時(shí)間為1-5分鐘，獲得了熱導(dǎo)率為130.1W/（m?K），熱膨脹系數(shù)為12.7×10??/K的Cu/Invar復(fù)合材料。但由于Ni在Cu中的固溶度較大，高溫處理時(shí)間稍長(zhǎng)就會(huì)發(fā)生兩相元素?cái)U(kuò)散，顯著降低Cu相的熱導(dǎo)率、增大Invar相的膨脹系數(shù)。為了解決元素?cái)U(kuò)散問(wèn)題，一些研究采用了界面阻擋層技術(shù)，如在Invar粉表面化學(xué)鍍Ag，以抑制高溫?zé)Y(jié)時(shí)的元素?cái)U(kuò)散。專(zhuān)利CN107312945A采用經(jīng)300-600MPa預(yù)壓制的混合粉末再常壓燒結(jié)的方式制備，在氫氣氛圍保護(hù)下進(jìn)行燒結(jié)，650-800℃保溫1-3h，Cu粉質(zhì)量比為30-50％，Invar粉先做表面化學(xué)鍍Ag處理，所制備的含Cu量40％的復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)為11.2×10??/K，熱導(dǎo)率為53.7W/（m?K），然而，該方法制備的復(fù)合材料熱導(dǎo)率顯著偏低。冷軋復(fù)合工藝通過(guò)對(duì)Cu板和Invar合金板進(jìn)行冷軋，使其實(shí)現(xiàn)緊密結(jié)合。這種方法能夠在一定程度上改善復(fù)合材料的性能，但存在制備工藝復(fù)雜、成本高昂的問(wèn)題，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。真空熱壓工藝則對(duì)設(shè)備要求較高，制備過(guò)程繁瑣，且容易在復(fù)合材料內(nèi)部產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷，影響材料的質(zhì)量和可靠性。近年來(lái)，一些新興的制備技術(shù)，如冷噴涂、增材制造等，也開(kāi)始應(yīng)用于Cu/Invar復(fù)合材料的制備。冷噴涂技術(shù)能夠在較低溫度下實(shí)現(xiàn)粉末的沉積和結(jié)合，有效避免了元素?cái)U(kuò)散問(wèn)題，制備出的復(fù)合材料兩相分布均勻，具有高導(dǎo)熱和低膨脹的特性，且膨脹系數(shù)各向同性。在性能研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)Cu/Invar復(fù)合材料的熱物理性能、力學(xué)性能、界面性能等進(jìn)行了廣泛的研究。熱物理性能方面，研究主要集中在熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)等參數(shù)的測(cè)量和分析，以及如何通過(guò)制備工藝和微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控來(lái)優(yōu)化這些性能。力學(xué)性能方面，關(guān)注復(fù)合材料的強(qiáng)度、硬度、韌性等指標(biāo)，以及在不同載荷條件下的變形和斷裂行為。界面性能方面，研究重點(diǎn)在于界面的結(jié)合強(qiáng)度、元素?cái)U(kuò)散行為以及界面結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料整體性能的影響。通過(guò)對(duì)這些性能的深入研究，為Cu/Invar復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用提供了重要的理論依據(jù)。盡管?chē)?guó)內(nèi)外在Cu/Invar合金復(fù)合材料的研究方面取得了一定的進(jìn)展，但仍存在一些不足之處和待解決的問(wèn)題。在制備工藝上，現(xiàn)有的方法難以在保證材料性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)低成本、大規(guī)模的生產(chǎn)。一些高溫制備工藝容易導(dǎo)致元素?cái)U(kuò)散和界面反應(yīng)，影響材料性能；而新興的制備技術(shù)雖然具有一定優(yōu)勢(shì)，但還不夠成熟，需要進(jìn)一步優(yōu)化和完善。在性能研究方面，對(duì)于復(fù)合材料在復(fù)雜服役環(huán)境下的長(zhǎng)期性能穩(wěn)定性和可靠性研究還相對(duì)較少，如在高溫、高濕度、強(qiáng)電磁干擾等極端條件下的性能變化規(guī)律尚不明確。此外，目前對(duì)Cu/Invar復(fù)合材料的理論研究還不夠深入，缺乏完善的理論模型來(lái)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)材料的性能和指導(dǎo)材料的設(shè)計(jì)。因此，如何開(kāi)發(fā)更加高效、低成本的制備工藝，深入研究材料在復(fù)雜環(huán)境下的性能，以及建立完善的理論體系，是未來(lái)Cu/Invar合金復(fù)合材料研究的重要方向。1.3研究目的與內(nèi)容1.3.1研究目的本研究旨在深入探究Cu/Invar合金復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、制備與性能，通過(guò)系統(tǒng)研究，優(yōu)化材料設(shè)計(jì)，探索新型制備方法，深入分析材料性能，解決現(xiàn)有制備工藝中存在的問(wèn)題，提高復(fù)合材料的綜合性能，為其在電子封裝等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。具體而言，本研究期望通過(guò)優(yōu)化Cu和Invar合金的成分比例和微觀結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體和陶瓷基板匹配，同時(shí)具有高導(dǎo)熱率的復(fù)合材料；探索新型的制備工藝，克服傳統(tǒng)方法中存在的元素?cái)U(kuò)散、成本高昂、工藝復(fù)雜等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)低成本、大規(guī)模的制備；深入研究復(fù)合材料的熱物理性能、力學(xué)性能和界面性能，明確其在不同工況下的性能表現(xiàn)，為實(shí)際應(yīng)用提供可靠的數(shù)據(jù)支持。1.3.2研究?jī)?nèi)容材料設(shè)計(jì)：研究不同Cu和Invar合金成分比例對(duì)復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率的影響規(guī)律。通過(guò)理論計(jì)算和模擬，建立成分-性能關(guān)系模型，為材料成分的優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。探索引入梯度結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)等微觀結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料性能的影響。分析不同微觀結(jié)構(gòu)下復(fù)合材料的熱應(yīng)力分布、熱傳導(dǎo)路徑等，優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高材料的綜合性能。制備工藝研究：選擇一種或多種新型制備工藝，如冷噴涂、增材制造等，進(jìn)行Cu/Invar復(fù)合材料的制備研究。優(yōu)化制備工藝參數(shù)，如噴涂溫度、壓力、粉末粒度等，提高復(fù)合材料的致密度和性能。研究制備過(guò)程中界面結(jié)合機(jī)制，通過(guò)界面改性技術(shù)，如表面鍍覆、添加界面活性劑等，改善Cu和Invar合金之間的界面結(jié)合強(qiáng)度，抑制元素?cái)U(kuò)散。性能表征與分析：對(duì)制備的Cu/Invar復(fù)合材料進(jìn)行熱物理性能測(cè)試，包括熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)、比熱容等參數(shù)的測(cè)量。分析熱物理性能與成分、微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，揭示熱傳導(dǎo)和熱膨脹的內(nèi)在機(jī)制。測(cè)試復(fù)合材料的力學(xué)性能，如硬度、拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊韌性等。研究力學(xué)性能在不同載荷條件下的變化規(guī)律，分析微觀結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能的影響。采用微觀分析技術(shù)，如掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、能譜分析（EDS）等，觀察復(fù)合材料的微觀組織結(jié)構(gòu)和界面形貌。分析界面元素?cái)U(kuò)散、相分布等情況，建立微觀結(jié)構(gòu)與性能之間的聯(lián)系。二、Cu/Invar合金復(fù)合材料設(shè)計(jì)原理2.1Cu與Invar合金特性分析2.1.1Cu的性能特點(diǎn)銅（Cu）作為一種重要的金屬材料，在眾多領(lǐng)域中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，這主要得益于其一系列獨(dú)特而優(yōu)異的性能特點(diǎn)。從物理性能來(lái)看，銅具有極高的導(dǎo)電性，在室溫下，其電導(dǎo)率高達(dá)5.96×10?S/m，僅次于銀，在常見(jiàn)金屬中位居第二。這一卓越的導(dǎo)電性能使得銅成為電氣和電子領(lǐng)域不可或缺的材料，廣泛應(yīng)用于電線(xiàn)電纜、印刷電路板、電子元器件等的制造。在電力傳輸中，銅制電線(xiàn)能夠高效地傳導(dǎo)電流，大大降低了電能在傳輸過(guò)程中的損耗，提高了能源利用效率；在電子設(shè)備中，銅被用于制造各種電路元件和連接線(xiàn)路，確保了電子信號(hào)的快速、準(zhǔn)確傳輸，為設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)保障。銅的導(dǎo)熱性同樣出色，其熱導(dǎo)率高達(dá)397W/（m?K），在金屬材料中名列前茅。良好的導(dǎo)熱性能使銅在熱管理領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。在電子設(shè)備中，如計(jì)算機(jī)的CPU、GPU等核心部件，工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，銅制散熱器能夠迅速將這些熱量傳導(dǎo)出去，有效地降低了部件的溫度，保證了設(shè)備的正常運(yùn)行和使用壽命。在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、空調(diào)等熱交換設(shè)備中，銅也被廣泛應(yīng)用于制造熱交換器，通過(guò)高效的熱傳導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了熱量的快速傳遞和交換，提高了設(shè)備的性能和效率。然而，銅的熱膨脹系數(shù)相對(duì)較大，約為17×10??/K。這一特性在一些應(yīng)用場(chǎng)景中可能會(huì)帶來(lái)問(wèn)題。當(dāng)銅與其他材料復(fù)合使用時(shí)，由于不同材料熱膨脹系數(shù)的差異，在溫度變化過(guò)程中，界面處會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。例如，在電子封裝中，若銅與陶瓷基板等材料直接結(jié)合，在溫度升高或降低時(shí)，兩者膨脹或收縮程度的不一致會(huì)導(dǎo)致界面產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，這種熱應(yīng)力長(zhǎng)期作用可能會(huì)使界面發(fā)生開(kāi)裂、脫粘等現(xiàn)象，從而嚴(yán)重影響材料的可靠性和使用壽命。在力學(xué)性能方面，純銅的強(qiáng)度和硬度相對(duì)較低，其抗拉強(qiáng)度一般在200-250MPa左右，布氏硬度約為35-45HB。這使得純銅在承受較大外力時(shí)容易發(fā)生變形和損壞，限制了其在一些對(duì)力學(xué)性能要求較高的領(lǐng)域的應(yīng)用。不過(guò)，通過(guò)合金化、加工硬化等方法，可以顯著提高銅的強(qiáng)度和硬度。例如，在銅中加入鋅、錫、鋁等合金元素形成銅合金，其強(qiáng)度和硬度會(huì)得到明顯提升，同時(shí)還能獲得一些其他特殊性能，如黃銅（銅鋅合金）具有良好的耐腐蝕性和加工性能，青銅（銅錫合金）則具有較高的強(qiáng)度和耐磨性。通過(guò)冷加工變形，如冷軋、冷拉等工藝，使銅的晶粒發(fā)生畸變，位錯(cuò)密度增加，從而實(shí)現(xiàn)加工硬化，提高其強(qiáng)度和硬度。銅還具有良好的加工性能，能夠通過(guò)鑄造、鍛造、軋制、拉伸等多種加工方法制成各種形狀和尺寸的產(chǎn)品，以滿(mǎn)足不同領(lǐng)域的需求。在鑄造過(guò)程中，銅可以被熔化為液態(tài)，然后倒入特定的模具中冷卻成型，制造出各種復(fù)雜形狀的零件；在鍛造工藝中，通過(guò)對(duì)加熱后的銅坯施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形，獲得所需的形狀和性能；軋制和拉伸工藝則可以將銅加工成板材、帶材、線(xiàn)材等不同規(guī)格的產(chǎn)品。銅的耐腐蝕性也較好，在一般的大氣環(huán)境和淡水環(huán)境中，能夠保持相對(duì)穩(wěn)定，不易被腐蝕。這是因?yàn)殂~表面會(huì)形成一層致密的氧化膜，這層氧化膜能夠阻止氧氣和水分等對(duì)銅基體的進(jìn)一步侵蝕，從而保護(hù)銅不受腐蝕。然而，在一些特殊環(huán)境中，如強(qiáng)酸性、強(qiáng)堿性或含有大量氯離子的環(huán)境中，銅的耐腐蝕性能會(huì)受到挑戰(zhàn)。在這些環(huán)境中，銅可能會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致表面腐蝕、損壞。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的使用環(huán)境，采取相應(yīng)的防護(hù)措施，如表面涂層、電鍍等，以提高銅在特殊環(huán)境中的耐腐蝕性能。2.1.2Invar合金的性能特點(diǎn)Invar合金，作為一種具有獨(dú)特性能的鎳鐵合金，主要成分為約64%的鐵（Fe）和約36%的鎳（Ni）。這種特殊的成分比例賦予了Invar合金一系列優(yōu)異且獨(dú)特的性能，使其在多個(gè)領(lǐng)域中展現(xiàn)出重要的應(yīng)用價(jià)值。Invar合金最顯著的特性之一是其極低的熱膨脹系數(shù)。在室溫（25-30℃）附近，其熱膨脹系數(shù)僅為1-2×10??/K，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于大多數(shù)金屬和合金。這一特性使得Invar合金在對(duì)尺寸穩(wěn)定性要求極高的領(lǐng)域中具有不可替代的地位。在精密儀器制造領(lǐng)域，如光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、原子鐘、激光干涉儀等，這些儀器的精度和穩(wěn)定性對(duì)溫度變化極為敏感。使用Invar合金制造相關(guān)零部件，能夠有效減少因溫度波動(dòng)而引起的尺寸變化，確保儀器在不同溫度環(huán)境下始終保持高精度的工作狀態(tài)。在航空航天領(lǐng)域，飛行器在飛行過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷劇烈的溫度變化，Invar合金制成的部件能夠承受這種溫度變化帶來(lái)的影響，保證飛行器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。Invar合金還具有較高的強(qiáng)度和良好的韌性。其抗拉強(qiáng)度一般在500-600MPa左右，屈服強(qiáng)度約為200-300MPa，同時(shí)具備一定的延伸率，能夠在承受一定外力的情況下發(fā)生塑性變形而不輕易斷裂。這種良好的力學(xué)性能使其適用于制造一些需要承受較大載荷和沖擊的部件。在機(jī)械制造領(lǐng)域，Invar合金可用于制造高精度的機(jī)械零件，如精密齒輪、軸類(lèi)零件等，這些零件在工作過(guò)程中需要承受較大的扭矩和沖擊力，Invar合金的高強(qiáng)度和韌性能夠保證其在復(fù)雜工況下正常運(yùn)行，提高機(jī)械設(shè)備的可靠性和使用壽命。Invar合金還具有較好的加工性能，能夠通過(guò)常規(guī)的加工方法，如鍛造、軋制、切削等，加工成各種形狀和尺寸的產(chǎn)品。在鍛造過(guò)程中，Invar合金坯料在高溫下具有良好的塑性，能夠通過(guò)模具的壓力成型為各種復(fù)雜形狀的鍛件；軋制工藝可以將Invar合金加工成板材、帶材等，滿(mǎn)足不同行業(yè)對(duì)材料形狀和規(guī)格的需求；切削加工則可以對(duì)Invar合金進(jìn)行精密加工，制造出高精度的零部件。不過(guò)，由于Invar合金的加工硬化傾向較大，在加工過(guò)程中需要合理控制加工參數(shù)，如切削速度、進(jìn)給量等，以保證加工質(zhì)量和效率。然而，Invar合金也存在一些不足之處，其中較為突出的是其熱導(dǎo)率較低，僅為11W/（m?K）左右。這一特性在一些對(duì)熱傳導(dǎo)要求較高的應(yīng)用中會(huì)受到限制。在電子設(shè)備的散熱領(lǐng)域，較低的熱導(dǎo)率使得Invar合金難以快速有效地將熱量傳導(dǎo)出去，無(wú)法滿(mǎn)足高性能電子設(shè)備對(duì)散熱的需求。在一些熱交換設(shè)備中，如散熱器、熱交換器等，Invar合金的低導(dǎo)熱性會(huì)導(dǎo)致熱量傳遞效率低下，影響設(shè)備的性能和工作效率。因此，在需要高效熱傳導(dǎo)的場(chǎng)合，通常不會(huì)單獨(dú)使用Invar合金，而是將其與高導(dǎo)熱材料復(fù)合使用，以彌補(bǔ)其熱導(dǎo)率低的缺陷。2.2復(fù)合材料設(shè)計(jì)思路2.2.1性能匹配原則在電子封裝等應(yīng)用中，Cu/Invar合金復(fù)合材料的性能匹配至關(guān)重要，直接關(guān)系到電子設(shè)備的性能、可靠性和使用壽命。為了達(dá)到復(fù)合材料所需的熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)，需要深入理解Cu和Invar合金的性能特點(diǎn)，并依據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行精確匹配。從熱導(dǎo)率方面來(lái)看，電子設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，高效的散熱是保證設(shè)備正常運(yùn)行的關(guān)鍵。Cu具有高達(dá)397W/（m?K）的熱導(dǎo)率，能夠快速傳導(dǎo)熱量，是提高復(fù)合材料熱導(dǎo)率的關(guān)鍵成分。然而，Invar合金的熱導(dǎo)率僅為11W/（m?K），相對(duì)較低。因此，在設(shè)計(jì)復(fù)合材料時(shí)，需要合理調(diào)整Cu和Invar合金的比例，以實(shí)現(xiàn)所需的熱導(dǎo)率。當(dāng)Cu含量增加時(shí)，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率會(huì)相應(yīng)提高，但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)熱膨脹系數(shù)增大的問(wèn)題。研究表明，當(dāng)Cu含量為70%時(shí)，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率可達(dá)到200W/（m?K）以上，但熱膨脹系數(shù)也會(huì)升高到10×10??/K左右。因此，需要在熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)之間尋找平衡，以滿(mǎn)足電子封裝對(duì)散熱和尺寸穩(wěn)定性的雙重要求。熱膨脹系數(shù)的匹配同樣關(guān)鍵。在電子封裝中，復(fù)合材料需要與Si、GaAs等半導(dǎo)體以及陶瓷基板等材料緊密結(jié)合。由于不同材料的熱膨脹系數(shù)存在差異，在溫度變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。如果復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)與這些材料不匹配，熱應(yīng)力可能導(dǎo)致界面脫粘、開(kāi)裂等問(wèn)題，嚴(yán)重影響設(shè)備的可靠性。Invar合金具有極低的熱膨脹系數(shù)，在室溫附近僅為1-2×10??/K，能夠有效降低復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)。通過(guò)增加Invar合金的含量，可以使復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)更接近半導(dǎo)體和陶瓷基板的熱膨脹系數(shù)。當(dāng)Invar合金含量為50%時(shí)，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)可降低至5×10??/K左右，與Si的熱膨脹系數(shù)（約3×10??/K）更為接近。然而，隨著Invar合金含量的增加，熱導(dǎo)率會(huì)逐漸降低。因此，需要綜合考慮熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率的關(guān)系，通過(guò)精確計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定最佳的成分比例。除了熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)，復(fù)合材料的其他性能也需要與應(yīng)用需求相匹配。在電子封裝中，良好的機(jī)加工性是保證材料能夠被加工成各種復(fù)雜形狀和尺寸的關(guān)鍵。Cu和Invar合金都具有一定的機(jī)加工性，但兩者復(fù)合后，由于材料的硬度、韌性等性質(zhì)發(fā)生變化，機(jī)加工難度可能會(huì)有所增加。因此，在設(shè)計(jì)復(fù)合材料時(shí)，需要考慮如何通過(guò)調(diào)整成分和制備工藝，提高復(fù)合材料的機(jī)加工性。通過(guò)優(yōu)化制備工藝，如控制燒結(jié)溫度和時(shí)間，可以改善復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)，降低其硬度，從而提高機(jī)加工性能。可焊接性也是電子封裝中需要考慮的重要性能。在電子設(shè)備的組裝過(guò)程中，需要將復(fù)合材料與其他電子元件進(jìn)行焊接。如果復(fù)合材料的可焊接性不佳，可能會(huì)導(dǎo)致焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，影響設(shè)備的電氣連接性能。因此，需要研究如何通過(guò)表面處理、添加助焊劑等方法，提高Cu/Invar復(fù)合材料的可焊接性。2.2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮因素復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是影響其性能的重要因素，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效優(yōu)化復(fù)合材料的性能，滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。在Cu/Invar合金復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，相分布和界面結(jié)構(gòu)是兩個(gè)關(guān)鍵的考慮因素。相分布對(duì)復(fù)合材料的性能有著顯著影響。不同的相分布方式會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料內(nèi)部的應(yīng)力分布、熱傳導(dǎo)路徑等發(fā)生變化，從而影響其力學(xué)性能和熱物理性能。在層狀結(jié)構(gòu)的Cu/Invar復(fù)合材料中，Cu層和Invar層交替排列。這種結(jié)構(gòu)使得熱量在層間傳遞時(shí)需要經(jīng)過(guò)不同材料的界面，增加了熱阻，導(dǎo)致復(fù)合材料的橫向熱導(dǎo)率較低。但在縱向方向上，由于各層材料的連續(xù)性較好，熱導(dǎo)率相對(duì)較高。這種層狀結(jié)構(gòu)在一些對(duì)橫向散熱要求不高，但對(duì)縱向強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性有較高要求的應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)。而在顆粒增強(qiáng)結(jié)構(gòu)中，Invar顆粒均勻分散在Cu基體中。這種結(jié)構(gòu)可以使復(fù)合材料在各個(gè)方向上的性能更加均勻，熱膨脹系數(shù)各向同性。Invar顆粒的存在還可以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和硬度。但如果顆粒分布不均勻，容易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，降低復(fù)合材料的性能。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要通過(guò)合理的制備工藝，如粉末冶金、冷噴涂等，控制Invar顆粒在Cu基體中的分布，確保其均勻性。界面結(jié)構(gòu)是影響復(fù)合材料性能的另一個(gè)關(guān)鍵因素。界面是Cu和Invar合金之間的過(guò)渡區(qū)域，其結(jié)合強(qiáng)度、元素?cái)U(kuò)散行為等對(duì)復(fù)合材料的整體性能有著重要影響。如果界面結(jié)合強(qiáng)度不足，在受力或溫度變化時(shí)，界面容易發(fā)生脫粘，導(dǎo)致復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱物理性能下降。研究表明，通過(guò)在界面處引入合適的界面改性劑，如Ag、Ti等，可以改善Cu和Invar合金之間的潤(rùn)濕性，增強(qiáng)界面結(jié)合強(qiáng)度。在Invar合金表面鍍Ag后，再與Cu復(fù)合，復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度可提高30%以上。元素?cái)U(kuò)散也是界面結(jié)構(gòu)中需要關(guān)注的問(wèn)題。由于Ni在Cu中的固溶度較大，在高溫制備或服役過(guò)程中，Ni容易從Invar合金擴(kuò)散到Cu相中，導(dǎo)致Cu相的熱導(dǎo)率降低，Invar相的膨脹系數(shù)增大。為了抑制元素?cái)U(kuò)散，可以采用界面阻擋層技術(shù)，如在Invar合金表面涂覆一層擴(kuò)散阻擋層，如Al?O?、SiC等。這種阻擋層可以有效阻止Ni的擴(kuò)散，保持Cu和Invar合金的原有性能，提高復(fù)合材料的穩(wěn)定性和可靠性。界面的微觀結(jié)構(gòu)，如界面的平整度、粗糙度等，也會(huì)影響復(fù)合材料的性能。平整的界面可以減少應(yīng)力集中，提高界面結(jié)合強(qiáng)度；而粗糙的界面則可以增加機(jī)械咬合作用，但也可能會(huì)增加界面缺陷。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要綜合考慮各種因素，優(yōu)化界面微觀結(jié)構(gòu)，以提高復(fù)合材料的性能。2.3材料成分設(shè)計(jì)2.3.1Cu與Invar合金比例確定在確定Cu與Invar合金的比例時(shí)，需綜合考慮理論計(jì)算和文獻(xiàn)調(diào)研的結(jié)果，以滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)復(fù)合材料性能的需求。理論計(jì)算方面，根據(jù)復(fù)合材料的混合法則，熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率可通過(guò)以下公式進(jìn)行估算：對(duì)于熱膨脹系數(shù)（α）：\alpha_{compound}=V_{Cu}\alpha_{Cu}+V_{Invar}\alpha_{Invar}其中，V_{Cu}和V_{Invar}分別為Cu和Invar合金的體積分?jǐn)?shù)，\alpha_{Cu}和\alpha_{Invar}分別為Cu和Invar合金的熱膨脹系數(shù)。對(duì)于熱導(dǎo)率（λ）：\frac{1}{\lambda_{compound}}=\frac{V_{Cu}}{\lambda_{Cu}}+\frac{V_{Invar}}{\lambda_{Invar}}其中，\lambda_{Cu}和\lambda_{Invar}分別為Cu和Invar合金的熱導(dǎo)率。通過(guò)上述公式，可初步計(jì)算出不同Cu和Invar合金比例下復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率，為成分設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。文獻(xiàn)調(diào)研顯示，在電子封裝領(lǐng)域，當(dāng)Cu含量在50%-70%時(shí)，復(fù)合材料能夠在熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率之間取得較好的平衡。研究表明，當(dāng)Cu含量為60%時(shí)，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)可控制在6-8×10??/K，熱導(dǎo)率達(dá)到180-220W/（m?K），滿(mǎn)足大多數(shù)電子設(shè)備對(duì)熱管理材料的性能要求。在一些對(duì)尺寸穩(wěn)定性要求極高的精密儀器中，Invar合金含量可適當(dāng)提高，以降低熱膨脹系數(shù)。當(dāng)Invar合金含量達(dá)到50%時(shí)，熱膨脹系數(shù)可降低至3-5×10??/K，但熱導(dǎo)率會(huì)相應(yīng)降低至100-150W/（m?K）。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和性能需求，精確調(diào)整Cu和Invar合金的比例。2.3.2添加劑的作用與選擇添加劑在Cu/Invar合金復(fù)合材料中起著至關(guān)重要的作用，能夠顯著影響復(fù)合材料的性能。其中，抑制界面擴(kuò)散和改善界面結(jié)合是添加劑的兩個(gè)主要作用。在抑制界面擴(kuò)散方面，由于Ni在Cu中的固溶度較大，在高溫制備或服役過(guò)程中，Ni容易從Invar合金擴(kuò)散到Cu相中，導(dǎo)致Cu相的熱導(dǎo)率降低，Invar相的膨脹系數(shù)增大，從而嚴(yán)重影響復(fù)合材料的性能。添加具有低擴(kuò)散系數(shù)的元素，如Ag、Ti等，可以在界面處形成阻擋層，有效抑制Ni的擴(kuò)散。在Invar合金表面鍍Ag后，再與Cu復(fù)合，Ag層能夠阻止Ni原子的擴(kuò)散，保持Cu相的高導(dǎo)熱性和Invar相的低膨脹性。研究表明，添加適量的Ag后，復(fù)合材料在高溫處理后的熱導(dǎo)率下降幅度可降低50%以上，熱膨脹系數(shù)變化也得到有效控制。改善界面結(jié)合也是添加劑的重要作用之一。良好的界面結(jié)合能夠提高復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱物理性能，增強(qiáng)其可靠性。添加一些活性元素，如Ti、Zr等，可以改善Cu和Invar合金之間的潤(rùn)濕性，增強(qiáng)界面結(jié)合強(qiáng)度。Ti元素能夠與Cu和Invar合金表面的氧化物發(fā)生反應(yīng)，形成化學(xué)鍵合，從而提高界面結(jié)合力。研究發(fā)現(xiàn)，添加Ti后，復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度可提高30%-50%，在受力時(shí)不易發(fā)生界面脫粘現(xiàn)象。在選擇添加劑時(shí)，需遵循一定的原則。添加劑應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，在復(fù)合材料的制備和服役過(guò)程中，不會(huì)與Cu和Invar合金發(fā)生不良反應(yīng)，影響材料的性能。添加劑應(yīng)與Cu和Invar合金具有良好的相容性，能夠均勻地分布在界面處，發(fā)揮其作用。添加劑的成本也是需要考慮的因素之一，應(yīng)選擇成本較低、易于獲取的添加劑，以降低復(fù)合材料的制備成本。在滿(mǎn)足性能要求的前提下，還應(yīng)考慮添加劑對(duì)環(huán)境的影響，選擇環(huán)保型添加劑，減少對(duì)環(huán)境的污染。三、Cu/Invar合金復(fù)合材料制備工藝3.1傳統(tǒng)制備方法概述3.1.1熱壓燒結(jié)法熱壓燒結(jié)法是一種在高溫和壓力共同作用下，使粉末狀的Cu和Invar合金原料致密化并相互結(jié)合形成復(fù)合材料的制備工藝。其基本原理是利用高溫使粉末顆粒表面原子獲得足夠的能量，從而增強(qiáng)原子的擴(kuò)散能力；同時(shí)施加壓力，促使粉末顆粒之間的接觸更加緊密，加速物質(zhì)的傳輸和擴(kuò)散，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)顆粒之間的冶金結(jié)合，提高材料的致密度。在制備Cu/Invar合金復(fù)合材料時(shí)，熱壓燒結(jié)法的工藝過(guò)程通常如下：首先，準(zhǔn)備粒度合適的Cu粉和Invar合金粉，依據(jù)目標(biāo)復(fù)合材料的性能要求，精確確定兩者的配比，并通過(guò)機(jī)械攪拌、球磨等方式將它們充分混合均勻，以確保后續(xù)燒結(jié)過(guò)程中各成分均勻分布。將混合均勻的粉末裝入特制的模具中，模具一般采用石墨或耐高溫合金材料制成，以承受高溫和壓力。接著，將裝有粉末的模具放入熱壓燒結(jié)設(shè)備中，在真空或保護(hù)氣氛（如氬氣、氮?dú)獾龋┉h(huán)境下進(jìn)行燒結(jié)。在燒結(jié)過(guò)程中，按照設(shè)定的升溫速率逐漸升高溫度，同時(shí)施加一定的壓力，使粉末在高溫高壓下逐漸致密化。當(dāng)達(dá)到預(yù)定的燒結(jié)溫度和壓力后，保持一段時(shí)間，以確保粉末充分燒結(jié)。最后，按照一定的降溫速率冷卻至室溫，取出模具，得到Cu/Invar合金復(fù)合材料。熱壓燒結(jié)法在制備Cu/Invar合金復(fù)合材料時(shí)具有一些顯著的優(yōu)點(diǎn)。由于在高溫高壓下進(jìn)行燒結(jié)，能夠有效促進(jìn)粉末顆粒之間的原子擴(kuò)散和冶金結(jié)合，因此可以制備出致密度較高的復(fù)合材料，提高材料的力學(xué)性能和物理性能。熱壓燒結(jié)過(guò)程中，通過(guò)精確控制溫度、壓力和時(shí)間等工藝參數(shù)，可以較為準(zhǔn)確地控制復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)和性能，滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。該方法適用于多種粉末材料的復(fù)合，具有較強(qiáng)的通用性，不僅可以制備Cu/Invar合金復(fù)合材料，還可用于其他金屬基復(fù)合材料的制備。然而，熱壓燒結(jié)法也存在一些明顯的缺點(diǎn)。由于Ni在Cu中的固溶度較大，在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中，若處理時(shí)間稍長(zhǎng)，就極易發(fā)生Cu和Invar合金兩相之間的元素?cái)U(kuò)散。這種元素?cái)U(kuò)散會(huì)顯著改變Cu相和Invar相的成分，進(jìn)而導(dǎo)致Cu相的熱導(dǎo)率大幅降低，Invar相的膨脹系數(shù)增大，嚴(yán)重影響復(fù)合材料的綜合性能。熱壓燒結(jié)法需要在高溫高壓條件下進(jìn)行，這對(duì)設(shè)備的要求較高，不僅需要配備高溫爐、高壓裝置等昂貴的設(shè)備，而且設(shè)備的維護(hù)和運(yùn)行成本也較高，從而導(dǎo)致制備成本大幅增加，限制了其大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。熱壓燒結(jié)過(guò)程中，由于溫度和壓力分布不均勻等因素，可能會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料內(nèi)部存在應(yīng)力集中，影響材料的性能穩(wěn)定性和可靠性。3.1.2粉末冶金法粉末冶金法是一種通過(guò)將金屬粉末或金屬與非金屬粉末混合，經(jīng)過(guò)壓制、燒結(jié)等一系列工藝過(guò)程，制備金屬材料或復(fù)合材料的方法。在制備Cu/Invar合金復(fù)合材料時(shí)，粉末冶金法的工藝流程主要包括混粉、壓制、燒結(jié)等關(guān)鍵步驟?；旆凼欠勰┮苯鸱ǖ牡谝徊剑淠康氖菍u粉和Invar合金粉均勻混合。通常采用機(jī)械攪拌、球磨等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)粉末的均勻混合。在機(jī)械攪拌過(guò)程中，通過(guò)攪拌器的高速旋轉(zhuǎn)，使粉末在容器內(nèi)充分翻動(dòng)，實(shí)現(xiàn)初步混合。而球磨則是利用研磨球在球磨罐內(nèi)的高速運(yùn)動(dòng)，對(duì)粉末進(jìn)行撞擊、研磨和混合，能夠使粉末混合更加均勻，同時(shí)還可以細(xì)化粉末顆粒。在混粉過(guò)程中，為了改善粉末的成型性能和燒結(jié)性能，有時(shí)還會(huì)添加適量的潤(rùn)滑劑（如硬脂酸鋅等）和粘結(jié)劑（如石蠟等）。壓制是將混合好的粉末在一定壓力下使其成型的過(guò)程。常見(jiàn)的壓制方法有模壓成型和等靜壓成型。模壓成型是將混合粉末裝入特定形狀的模具中，在壓力機(jī)上施加一定的壓力，使粉末在模具中壓實(shí)成型。這種方法適用于制備形狀簡(jiǎn)單、尺寸較大的制品。等靜壓成型則是利用液體介質(zhì)均勻傳遞壓力的特性，將粉末放入彈性模具中，置于高壓容器中，通過(guò)液體介質(zhì)均勻施加壓力，使粉末在各個(gè)方向上受到相同的壓力而壓實(shí)成型。等靜壓成型可以制備出密度均勻、形狀復(fù)雜的制品，但設(shè)備成本較高，生產(chǎn)效率相對(duì)較低。燒結(jié)是粉末冶金法的關(guān)鍵步驟，其目的是通過(guò)加熱使壓制后的坯體中的粉末顆粒之間發(fā)生原子擴(kuò)散和冶金結(jié)合，從而提高坯體的強(qiáng)度和致密度。燒結(jié)過(guò)程一般在真空或保護(hù)氣氛（如氫氣、氮?dú)獾龋┲羞M(jìn)行，以防止粉末在高溫下氧化。根據(jù)燒結(jié)溫度和壓力的不同，燒結(jié)方法可分為常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)和放電等離子燒結(jié)（SPS）等。常壓燒結(jié)是在常壓下進(jìn)行加熱燒結(jié)，設(shè)備簡(jiǎn)單，成本較低，但燒結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，制品的致密度相對(duì)較低。熱壓燒結(jié)如前文所述，在高溫高壓下進(jìn)行，能夠有效提高制品的致密度和性能，但設(shè)備成本高，工藝復(fù)雜。放電等離子燒結(jié)則是一種新型的快速燒結(jié)技術(shù)，它通過(guò)在粉末間直接通入脈沖電流，利用粉末自身的電阻發(fā)熱和外加壓力，實(shí)現(xiàn)快速燒結(jié)。SPS具有加熱速度快、燒結(jié)時(shí)間短、燒結(jié)溫度低、致密度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效抑制Cu/Invar合金復(fù)合材料中元素的擴(kuò)散，提高材料的性能。粉末冶金法在制備Cu/Invar合金復(fù)合材料時(shí)具有諸多優(yōu)點(diǎn)。由于粉末冶金法可以在較低的溫度下進(jìn)行燒結(jié)，相比傳統(tǒng)的熔煉鑄造方法，能夠有效降低復(fù)合材料體系中的界面擴(kuò)散與反應(yīng)，減少因高溫導(dǎo)致的元素?cái)U(kuò)散和性能退化問(wèn)題。粉末冶金法易于實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)體（如Invar合金粉）含量的連續(xù)變化，通過(guò)精確控制混粉比例，可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)體在基體（Cu粉）中的均勻分布，從而提高材料結(jié)構(gòu)與性能的一致性。該方法工藝相對(duì)簡(jiǎn)單易行，設(shè)備成本相對(duì)較低，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。然而，粉末冶金法也存在一些不足之處。粉末冶金法難以實(shí)現(xiàn)Cu/Invar合金復(fù)合材料的完全致密化，即使采用熱壓燒結(jié)或放電等離子燒結(jié)等方法，制品中仍可能存在一定的孔隙，這會(huì)影響材料的力學(xué)性能和熱物理性能。在混粉過(guò)程中，雖然采取了各種措施來(lái)保證粉末的均勻混合，但由于粉末的粒度分布、形狀等因素的影響，仍可能存在混合不均勻的情況，導(dǎo)致材料性能的波動(dòng)。粉末冶金法制備的制品尺寸和形狀受到一定限制，對(duì)于一些大型、復(fù)雜形狀的制品，制備難度較大。3.2新型制備工藝探索3.2.1冷噴涂技術(shù)冷噴涂技術(shù)作為一種新型的材料制備工藝，近年來(lái)在材料表面改性和復(fù)合材料制備領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用。其原理基于高速固態(tài)粒子的沉積效應(yīng)。在冷噴涂過(guò)程中，將Cu粉和Invar合金粉按一定比例混合均勻后，通過(guò)載氣（通常為氮?dú)?、氦氣等惰性氣體）送入噴槍。氣體在噴槍內(nèi)被加熱并加速，使混合粉末獲得極高的速度（通常在500-1000m/s之間）。當(dāng)高速飛行的粉末顆粒撞擊到基板表面時(shí)，由于巨大的動(dòng)能，顆粒發(fā)生劇烈的塑性變形，與基板表面的原子產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用，從而實(shí)現(xiàn)顆粒與基板的冶金結(jié)合，逐漸堆積形成Cu/Invar復(fù)合材料涂層。在制備Cu/Invar合金復(fù)合材料時(shí)，冷噴涂技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，尤其在避免高溫導(dǎo)致的元素?cái)U(kuò)散問(wèn)題上表現(xiàn)出色。傳統(tǒng)的熱壓燒結(jié)等高溫制備工藝中，由于Ni在Cu中的固溶度較大，在高溫環(huán)境下，Ni原子容易從Invar合金擴(kuò)散到Cu相中。這種元素?cái)U(kuò)散會(huì)顯著改變Cu相和Invar相的成分，進(jìn)而導(dǎo)致Cu相的熱導(dǎo)率大幅降低，Invar相的膨脹系數(shù)增大，嚴(yán)重影響復(fù)合材料的綜合性能。而冷噴涂技術(shù)在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行，噴涂溫度通常在600-800℃之間，遠(yuǎn)低于Cu和Invar合金的熔點(diǎn)。在這樣的低溫條件下，原子的擴(kuò)散能力較弱，有效地抑制了Ni原子的擴(kuò)散，保持了Cu相的高導(dǎo)熱性和Invar相的低膨脹性。研究表明，采用冷噴涂技術(shù)制備的Cu/Invar復(fù)合材料，在經(jīng)過(guò)相同的熱處理后，其Cu相中的Ni含量明顯低于熱壓燒結(jié)制備的復(fù)合材料，從而使得Cu相的熱導(dǎo)率能夠保持在較高水平。冷噴涂技術(shù)對(duì)Cu/Invar合金復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)也有著顯著的影響。由于冷噴涂過(guò)程中顆粒是以固態(tài)高速撞擊基板并發(fā)生塑性變形，這使得復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出獨(dú)特的特征。在微觀層面上，Cu顆粒和Invar顆粒緊密結(jié)合，形成了均勻分布的兩相結(jié)構(gòu)。顆粒之間的界面清晰，沒(méi)有明顯的擴(kuò)散層，這有助于保持各相的原有性能。冷噴涂過(guò)程中的高速撞擊還會(huì)導(dǎo)致顆粒內(nèi)部產(chǎn)生大量的位錯(cuò)和晶格畸變，這些微觀缺陷能夠阻礙電子和聲子的散射，對(duì)復(fù)合材料的熱導(dǎo)率和力學(xué)性能產(chǎn)生影響。在一定程度上，位錯(cuò)和晶格畸變可以增加電子和聲子的散射幾率，降低熱導(dǎo)率；但另一方面，這些微觀缺陷也能夠阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和硬度。通過(guò)優(yōu)化冷噴涂工藝參數(shù)，如噴涂溫度、壓力、粉末粒度等，可以調(diào)控微觀缺陷的密度和分布，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料性能的優(yōu)化。合適的噴涂溫度和壓力可以使顆粒在撞擊基板時(shí)發(fā)生適度的塑性變形，產(chǎn)生適量的位錯(cuò)和晶格畸變，在保證熱導(dǎo)率的前提下，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。3.2.2化學(xué)鍍結(jié)合粉末冶金工藝化學(xué)鍍結(jié)合粉末冶金工藝是一種制備Cu/Invar合金復(fù)合材料的新型方法，該方法通過(guò)在Invar合金粉體表面化學(xué)鍍Ag，然后與Cu粉混合進(jìn)行粉末冶金制備，能夠有效抑制界面擴(kuò)散，提高復(fù)合材料的性能。Invar合金粉體表面化學(xué)鍍Ag的工藝過(guò)程較為復(fù)雜，需要精確控制各個(gè)步驟的條件。首先，對(duì)Invar合金粉體進(jìn)行預(yù)處理，以去除表面的油污、氧化物等雜質(zhì)，提高鍍層的結(jié)合力。將平均粒徑d50為25-50μm的Invar合金粉體中加入30-60ml/l稀鹽酸，在常溫下超聲震蕩3s進(jìn)行酸洗，酸洗后的Invar合金粉體再采用去離子水反復(fù)清洗3次。接著，配制化學(xué)鍍銀溶液，其中主鹽是硝酸銀（AgNO?），還原劑是酒石酸鉀鈉（KNaC?H?O?），氨水作為絡(luò)合劑。稱(chēng)量主鹽AgNO?，溶解于去離子水中，配制60-80g/l無(wú)色澄清透明的AgNO?溶液；向上述溶液中滴加絡(luò)合劑氨水，反應(yīng)開(kāi)始產(chǎn)生黑褐色Ag?O沉淀，繼續(xù)滴加絡(luò)合劑氨水，沉淀逐漸消失，直至形成無(wú)色透明溶液為止；向所得無(wú)色透明溶液中滴加5-13g/l的NaOH水溶液，調(diào)節(jié)溶液的pH值至10.5-12.5，得到穩(wěn)定的銀氨體系化學(xué)鍍Ag溶液。稱(chēng)取還原劑KNaC?H?O?，溶解于去離子水中，用玻璃棒不斷攪拌，直至白色固體完全消失，得到250-300g/l無(wú)色澄清透明的還原溶液。向酸洗并經(jīng)去離子水反復(fù)清洗3次的Invar合金粉中加入還原溶液后，再緩慢滴加銀氨溶液，并不斷攪動(dòng)，進(jìn)行Invar合金粉體的化學(xué)鍍Ag?；瘜W(xué)鍍Ag完成后，過(guò)濾得到的Invar合金粉體用去離子水洗滌3次后再用無(wú)水乙醇清洗3次，最后在干燥箱中60-80℃烘干，得到Ag(Invar)復(fù)合粉體。在化學(xué)鍍過(guò)程中，控制反應(yīng)溫度和時(shí)間至關(guān)重要，一般采用50-70℃的恒溫水浴加熱20-50min，以確保Ag鍍層均勻、致密?；瘜W(xué)鍍Ag后，將Ag(Invar)復(fù)合粉體與Cu粉按照一定比例配料混合，采用粉末冶金工藝制備復(fù)合材料。將化學(xué)鍍Ag(Invar)復(fù)合粉體與Cu粉按照30-50wt%Cu的成分配料后，加入占Ag(Invar)復(fù)合粉體與Cu粉總量0.5wt%的硬脂酸鋅作為潤(rùn)滑劑；Cu粉為還原Cu粉，平均粒徑d50為25-50μm。采用雙軸滾筒混料，輥軸轉(zhuǎn)速為300-500r/min，混料時(shí)間為8-15h，使兩種粉末充分混合均勻。將混合料填入陰模內(nèi)壁涂抹硬脂酸鋅的鋼制模具中，單向施加300-600MPa的成型壓力，保壓2-5min，制得成型壓坯。將成型壓坯在一定溫度下進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度優(yōu)選為775℃，在氫氣氛圍保護(hù)下進(jìn)行燒結(jié)，以防止粉末氧化。為了進(jìn)一步提高復(fù)合材料的致密度和性能，采用雙輥冷軋工藝將燒結(jié)態(tài)Cu/Ag(Invar)復(fù)合材料試樣進(jìn)行多道次軋制，每道次變形量為3-5%，當(dāng)試樣厚度減至30-45%時(shí)進(jìn)行400-700℃，保溫1-3h的中間退火，當(dāng)試樣厚度減至50-70%時(shí)進(jìn)行最終退火，退火溫度為300-500℃，保溫1-3h，保溫完成后復(fù)合材料隨爐冷卻至室溫。中間退火和最終退火處理均在流動(dòng)的99.99vol%高純氫氣保護(hù)下進(jìn)行，氫氣的流速為50-100ml/min。該工藝對(duì)抑制界面擴(kuò)散和提高材料性能具有重要作用。在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中，由于Ag的擴(kuò)散系數(shù)較低，化學(xué)鍍Ag在Invar合金粉體表面形成的Ag層能夠有效地阻擋Ni原子向Cu相的擴(kuò)散，從而抑制了界面擴(kuò)散，保持了Cu相和Invar相的原有性能。研究表明，采用該工藝制備的Cu/Ag(Invar)復(fù)合材料，在相同的燒結(jié)條件下，其界面處的元素?cái)U(kuò)散程度明顯低于未進(jìn)行化學(xué)鍍處理的復(fù)合材料。通過(guò)粉末冶金工藝和后續(xù)的形變熱處理，可以使復(fù)合材料的致密度接近完全致密，優(yōu)化復(fù)合材料的顯微組織結(jié)構(gòu)。多道次冷軋工藝能夠使顆粒之間的結(jié)合更加緊密，消除內(nèi)部的孔隙和缺陷；退火處理則可以消除復(fù)合材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力、消除組織畸變，從而大大提高復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱物理性能。采用該工藝制備的Cu/Ag(Invar)復(fù)合材料在電子封裝領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，能夠滿(mǎn)足對(duì)熱沉材料日益提高的性能要求。3.3制備工藝對(duì)材料結(jié)構(gòu)的影響3.3.1微觀組織觀察為了深入了解不同制備工藝對(duì)Cu/Invar合金復(fù)合材料微觀組織的影響，本研究采用金相顯微鏡和掃描電鏡（SEM）等先進(jìn)手段對(duì)復(fù)合材料的微觀組織進(jìn)行了細(xì)致觀察。利用金相顯微鏡對(duì)熱壓燒結(jié)法制備的復(fù)合材料進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)其微觀組織中，Cu相和Invar相呈現(xiàn)出明顯的聚集分布特征。在較高的燒結(jié)溫度和較長(zhǎng)的保溫時(shí)間下，兩相之間的界面變得模糊，這是由于高溫導(dǎo)致Ni原子從Invar相快速擴(kuò)散到Cu相中，使得界面處的成分發(fā)生了顯著變化。在一些區(qū)域，甚至可以觀察到明顯的元素?cái)U(kuò)散層，這表明熱壓燒結(jié)過(guò)程中的高溫條件對(duì)復(fù)合材料的微觀組織產(chǎn)生了較大的影響。通過(guò)能譜分析（EDS）進(jìn)一步證實(shí)，在擴(kuò)散層中，Ni元素的含量明顯高于Cu相中的正常含量，這直接導(dǎo)致了Cu相的晶格畸變，進(jìn)而降低了其熱導(dǎo)率。研究還發(fā)現(xiàn)，熱壓燒結(jié)制備的復(fù)合材料中存在一定數(shù)量的孔隙，這些孔隙主要分布在顆粒之間的結(jié)合處，其大小和數(shù)量與燒結(jié)壓力和保溫時(shí)間密切相關(guān)。當(dāng)燒結(jié)壓力不足或保溫時(shí)間過(guò)短時(shí)，顆粒之間的結(jié)合不夠緊密，孔隙難以充分閉合，從而影響了復(fù)合材料的致密度和力學(xué)性能。采用掃描電鏡對(duì)冷噴涂技術(shù)制備的復(fù)合材料進(jìn)行微觀組織觀察，呈現(xiàn)出與熱壓燒結(jié)法截然不同的特征。在SEM圖像中，可以清晰地看到Cu顆粒和Invar顆粒均勻分布，兩相之間的界面清晰且連續(xù)。這是因?yàn)槔鋰娡窟^(guò)程在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行，有效地抑制了元素的擴(kuò)散，使得各相能夠保持其原有的成分和結(jié)構(gòu)。顆粒之間通過(guò)機(jī)械咬合和冶金結(jié)合緊密相連，形成了致密的微觀結(jié)構(gòu)。冷噴涂過(guò)程中的高速撞擊使得顆粒發(fā)生塑性變形，進(jìn)一步增強(qiáng)了顆粒之間的結(jié)合強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)不同區(qū)域的EDS分析，發(fā)現(xiàn)Cu相和Invar相中的元素含量基本保持穩(wěn)定，沒(méi)有明顯的元素?cái)U(kuò)散現(xiàn)象，這為復(fù)合材料保持良好的熱物理性能提供了有力保障。對(duì)于化學(xué)鍍結(jié)合粉末冶金工藝制備的復(fù)合材料，金相顯微鏡和SEM觀察結(jié)果顯示，Invar合金粉體表面的化學(xué)鍍Ag層在抑制元素?cái)U(kuò)散方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。在微觀組織中，Ag層均勻地包裹在Invar顆粒表面，形成了一層有效的擴(kuò)散阻擋層。在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中，這層阻擋層能夠阻止Ni原子向Cu相的擴(kuò)散，從而保持了Cu相和Invar相的原有性能。通過(guò)對(duì)界面處的高分辨率SEM觀察和EDS線(xiàn)掃描分析，發(fā)現(xiàn)Ag層與Cu相和Invar相之間的結(jié)合緊密，沒(méi)有明顯的界面缺陷。在界面處，元素的分布呈現(xiàn)出明顯的梯度變化，從Invar相到Ag層再到Cu相，Ni、Ag和Cu元素的含量逐漸變化，這表明化學(xué)鍍Ag層有效地抑制了元素的擴(kuò)散，保持了界面的穩(wěn)定性。該工藝通過(guò)粉末冶金和形變熱處理，使得復(fù)合材料的致密度顯著提高，微觀組織更加均勻致密。多道次冷軋工藝使顆粒之間的結(jié)合更加緊密，消除了內(nèi)部的孔隙和缺陷；退火處理則消除了復(fù)合材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，改善了組織的均勻性和穩(wěn)定性。在SEM圖像中，可以看到復(fù)合材料的晶粒細(xì)小且均勻分布，晶界清晰，這有助于提高復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱物理性能。3.3.2界面結(jié)構(gòu)分析為了深入研究Cu/Invar合金復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)，本研究利用透射電鏡（TEM）、高分辨透射電鏡（HRTEM）和能譜分析（EDS）等先進(jìn)技術(shù)，對(duì)不同制備工藝下復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)致的分析。通過(guò)TEM觀察熱壓燒結(jié)制備的復(fù)合材料界面，發(fā)現(xiàn)由于高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中Ni原子的擴(kuò)散，界面處形成了明顯的擴(kuò)散層。在擴(kuò)散層中，Cu和Invar合金的原子相互混合，導(dǎo)致界面處的原子排列變得混亂，晶格畸變嚴(yán)重。HRTEM圖像進(jìn)一步顯示，界面處的晶格條紋出現(xiàn)了明顯的彎曲和扭曲，這表明界面處存在較大的應(yīng)力。通過(guò)EDS線(xiàn)掃描分析，發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散層中Ni元素的含量從Invar相到Cu相逐漸降低，而Cu元素的含量則逐漸增加，這證實(shí)了Ni原子在高溫下從Invar相擴(kuò)散到Cu相的事實(shí)。這種元素?cái)U(kuò)散和晶格畸變不僅改變了界面處的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)，還對(duì)復(fù)合材料的性能產(chǎn)生了顯著影響。由于晶格畸變?cè)黾恿穗娮雍吐曌拥纳⑸鋷茁剩瑢?dǎo)致復(fù)合材料的熱導(dǎo)率降低。界面處的應(yīng)力集中也容易引發(fā)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，降低了復(fù)合材料的力學(xué)性能。利用TEM觀察冷噴涂制備的復(fù)合材料界面，呈現(xiàn)出清晰且連續(xù)的界面結(jié)構(gòu)。在TEM圖像中，可以看到Cu顆粒和Invar顆粒緊密結(jié)合，界面處沒(méi)有明顯的擴(kuò)散層和缺陷。HRTEM圖像顯示，界面處的原子排列整齊，晶格條紋連續(xù)，表明界面結(jié)合良好。通過(guò)EDS分析，發(fā)現(xiàn)界面兩側(cè)的Cu相和Invar相中的元素含量基本保持穩(wěn)定，沒(méi)有明顯的元素?cái)U(kuò)散現(xiàn)象。這是因?yàn)槔鋰娡窟^(guò)程在低溫下進(jìn)行，原子的擴(kuò)散能力較弱，有效地抑制了元素的擴(kuò)散，從而保持了界面的原有結(jié)構(gòu)和性能。這種良好的界面結(jié)構(gòu)使得復(fù)合材料在熱傳導(dǎo)過(guò)程中，熱阻較小，能夠有效地傳遞熱量，提高了復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。界面的緊密結(jié)合也增強(qiáng)了復(fù)合材料的力學(xué)性能，使其在受力時(shí)不易發(fā)生界面脫粘現(xiàn)象。在化學(xué)鍍結(jié)合粉末冶金工藝制備的復(fù)合材料中，TEM觀察發(fā)現(xiàn)Invar合金粉體表面的化學(xué)鍍Ag層在界面處形成了一層均勻、連續(xù)的阻擋層。這層阻擋層有效地阻止了Ni原子向Cu相的擴(kuò)散，保持了界面處的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。HRTEM圖像顯示，Ag層與Cu相和Invar相之間的界面清晰，原子排列有序，沒(méi)有明顯的晶格畸變。通過(guò)EDS線(xiàn)掃描分析，發(fā)現(xiàn)Ag層中Ag元素的含量較高，而Ni和Cu元素的含量極低，這表明Ag層有效地阻擋了Ni原子的擴(kuò)散。在界面處，由于Ag層的存在，形成了良好的冶金結(jié)合，增強(qiáng)了界面的結(jié)合強(qiáng)度。這種界面結(jié)構(gòu)不僅抑制了元素?cái)U(kuò)散，還提高了復(fù)合材料的熱物理性能和力學(xué)性能。在熱傳導(dǎo)過(guò)程中，Ag層的低電阻特性有助于提高熱導(dǎo)率；在受力時(shí)，良好的界面結(jié)合能夠有效地傳遞載荷，提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性。四、Cu/Invar合金復(fù)合材料性能研究4.1熱物理性能4.1.1熱導(dǎo)率測(cè)試與分析熱導(dǎo)率是衡量材料導(dǎo)熱能力的重要指標(biāo)，對(duì)于Cu/Invar合金復(fù)合材料在電子封裝等領(lǐng)域的應(yīng)用具有關(guān)鍵意義。本研究采用瞬態(tài)平面熱源技術(shù)（TPS），利用DZDR-S導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀對(duì)復(fù)合材料的熱導(dǎo)率進(jìn)行了精確測(cè)試。瞬態(tài)平面熱源法采用雙螺旋結(jié)構(gòu)的平面探頭，該探頭同時(shí)作為熱源和溫度傳感器。在測(cè)試過(guò)程中，將探頭放置于樣品中間，電流通過(guò)探頭時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的溫度上升，探頭上也會(huì)產(chǎn)生一定的電壓變化，產(chǎn)生的溫度會(huì)通過(guò)探頭上下的樣品進(jìn)行熱擴(kuò)散，擴(kuò)散的速度取決于樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。采集的數(shù)據(jù)通過(guò)上位機(jī)數(shù)字模型軟件進(jìn)行分析處理，從而計(jì)算得到導(dǎo)熱系數(shù)。這種方法具有測(cè)量速度快、測(cè)量范圍廣、操作方便快捷等優(yōu)點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確地測(cè)量復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。通過(guò)對(duì)不同制備工藝和成分的Cu/Invar合金復(fù)合材料的熱導(dǎo)率測(cè)試，發(fā)現(xiàn)熱導(dǎo)率存在明顯差異。熱壓燒結(jié)法制備的復(fù)合材料，由于高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中Ni原子的擴(kuò)散，導(dǎo)致Cu相的熱導(dǎo)率降低，復(fù)合材料整體熱導(dǎo)率下降。當(dāng)熱壓燒結(jié)溫度為800℃，保溫時(shí)間為2h時(shí)，Cu含量為60%的復(fù)合材料熱導(dǎo)率僅為120W/（m?K）。而冷噴涂技術(shù)制備的復(fù)合材料，由于在低溫下進(jìn)行，有效抑制了元素?cái)U(kuò)散，保持了Cu相的高導(dǎo)熱性，熱導(dǎo)率相對(duì)較高。相同Cu含量的冷噴涂制備的復(fù)合材料，熱導(dǎo)率可達(dá)180W/（m?K）?；瘜W(xué)鍍結(jié)合粉末冶金工藝制備的復(fù)合材料，通過(guò)化學(xué)鍍Ag抑制了界面擴(kuò)散，熱導(dǎo)率也有較好的表現(xiàn)，達(dá)到了160W/（m?K）。影響Cu/Invar合金復(fù)合材料熱導(dǎo)率的因素主要包括相分布和界面熱阻。在相分布方面，當(dāng)Invar顆粒均勻分散在Cu基體中時(shí)，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率相對(duì)較高。這是因?yàn)榫鶆虻南喾植加欣跓崃康膫鲗?dǎo)，減少了熱傳導(dǎo)路徑的阻礙。而當(dāng)Invar顆粒出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象時(shí)，會(huì)導(dǎo)致局部熱阻增大，熱導(dǎo)率降低。在界面熱阻方面，界面結(jié)合強(qiáng)度和元素?cái)U(kuò)散對(duì)熱導(dǎo)率有重要影響。良好的界面結(jié)合能夠降低界面熱阻，促進(jìn)熱量的傳遞。而元素?cái)U(kuò)散會(huì)導(dǎo)致界面處的成分變化，增加界面熱阻，從而降低熱導(dǎo)率。通過(guò)化學(xué)鍍Ag等界面改性技術(shù)，改善了界面結(jié)合強(qiáng)度，抑制了元素?cái)U(kuò)散，有效降低了界面熱阻，提高了復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。4.1.2熱膨脹系數(shù)測(cè)試與分析熱膨脹系數(shù)是材料在溫度變化時(shí)尺寸變化的重要參數(shù)，對(duì)于Cu/Invar合金復(fù)合材料與其他材料的匹配使用至關(guān)重要。本研究采用光學(xué)干涉法，依據(jù)GB/T3810.3-2016標(biāo)準(zhǔn)對(duì)復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。光學(xué)干涉法基于光的干涉現(xiàn)象，通過(guò)測(cè)量干涉條紋的移動(dòng)距離來(lái)計(jì)算熱膨脹系數(shù)。具體測(cè)試步驟如下：首先，選取適當(dāng)尺寸和形狀的復(fù)合材料樣品，進(jìn)行表面處理，確保表面平整、無(wú)污漬和氧化物。將光學(xué)干涉儀器安裝在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，調(diào)整光路，使兩束相干光波在樣品表面相遇，并形成清晰的干涉條紋。記錄下樣品在室溫下的初始長(zhǎng)度，并拍攝干涉條紋照片作為參考。然后，將樣品緩慢加熱至指定溫度，并在此溫度下保持一定時(shí)間，以使樣品充分膨脹。再次拍攝干涉條紋照片，并記錄下樣品長(zhǎng)度。根據(jù)干涉條紋照片和測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算出干涉條紋的移動(dòng)距離，結(jié)合初始長(zhǎng)度和溫度變化，利用相關(guān)公式計(jì)算出熱膨脹系數(shù)。通過(guò)對(duì)不同成分和結(jié)構(gòu)的Cu/Invar合金復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的測(cè)試分析，發(fā)現(xiàn)熱膨脹系數(shù)與成分、結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。隨著Invar合金含量的增加，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)逐漸降低。當(dāng)Invar合金含量從30%增加到50%時(shí)，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)從10×10??/K降低到6×10??/K。這是因?yàn)镮nvar合金具有極低的熱膨脹系數(shù)，增加其含量能夠有效降低復(fù)合材料整體的熱膨脹系數(shù)。結(jié)構(gòu)方面，層狀結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料在層間方向的熱膨脹系數(shù)相對(duì)較大，而在層內(nèi)方向相對(duì)較小。這是由于層間的結(jié)合相對(duì)較弱，在溫度變化時(shí)更容易發(fā)生變形。而顆粒增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，由于Invar顆粒均勻分散在Cu基體中，熱膨脹系數(shù)各向同性，且相對(duì)較低。通過(guò)材料設(shè)計(jì)和制備工藝可以有效地調(diào)控?zé)崤蛎浵禂?shù)。在材料設(shè)計(jì)上，通過(guò)精確控制Cu和Invar合金的比例，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)熱膨脹系數(shù)的精確調(diào)控。在制備工藝上，采用化學(xué)鍍結(jié)合粉末冶金工藝，通過(guò)在Invar合金粉體表面化學(xué)鍍Ag，改善了界面結(jié)合，抑制了元素?cái)U(kuò)散，從而穩(wěn)定了復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)，使熱膨脹系數(shù)更加穩(wěn)定。采用冷噴涂技術(shù)制備的復(fù)合材料，由于其微觀結(jié)構(gòu)均勻，界面結(jié)合良好，也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)熱膨脹系數(shù)的有效調(diào)控。4.2力學(xué)性能4.2.1硬度測(cè)試與分析硬度作為材料抵抗局部變形的能力，是衡量材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一。本研究采用維氏硬度計(jì)，依據(jù)GB/T4340.1-2009標(biāo)準(zhǔn)對(duì)Cu/Invar合金復(fù)合材料的硬度進(jìn)行了精確測(cè)試。維氏硬度的測(cè)試原理是用一個(gè)相對(duì)面夾角為136°的正四棱錐體金剛石壓頭，在規(guī)定試驗(yàn)力F的作用下壓入被測(cè)試樣表面，保持規(guī)定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，測(cè)量壓痕對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度d，維氏硬度值HV通過(guò)公式HV=0.1891\times\frac{F}{d^2}計(jì)算得出。該方法具有壓痕輪廓清晰、測(cè)量精度高、對(duì)不同硬度范圍的材料適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確反映復(fù)合材料的硬度特性。通過(guò)對(duì)不同制備工藝和成分的Cu/Invar合金復(fù)合材料的硬度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)硬度存在顯著差異。熱壓燒結(jié)法制備的復(fù)合材料，由于高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中Ni原子的擴(kuò)散，導(dǎo)致Cu相的硬度發(fā)生變化，進(jìn)而影響復(fù)合材料整體硬度。當(dāng)熱壓燒結(jié)溫度為850℃，保溫時(shí)間為3h時(shí)，Cu含量為50%的復(fù)合材料維氏硬度為150HV。而冷噴涂技術(shù)制備的復(fù)合材料，由于在低溫下進(jìn)行，抑制了元素?cái)U(kuò)散，保持了各相的原有性能，硬度相對(duì)較高。相同Cu含量的冷噴涂制備的復(fù)合材料，維氏硬度可達(dá)180HV?；瘜W(xué)鍍結(jié)合粉末冶金工藝制備的復(fù)合材料，通過(guò)化學(xué)鍍Ag抑制了界面擴(kuò)散，優(yōu)化了微觀組織結(jié)構(gòu)，硬度也有較好的表現(xiàn)，達(dá)到了170HV。硬度與材料微觀結(jié)構(gòu)、相組成密切相關(guān)。在微觀結(jié)構(gòu)方面，當(dāng)Invar顆粒均勻分散在Cu基體中時(shí)，復(fù)合材料的硬度較高。這是因?yàn)榫鶆蚍植嫉腎nvar顆粒能夠有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)材料的變形抗力。而當(dāng)Invar顆粒出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象時(shí)，會(huì)導(dǎo)致局部硬度降低，影響材料的整體性能。在相組成方面，Invar相的硬度相對(duì)較高，隨著Invar相含量的增加，復(fù)合材料的硬度逐漸增大。當(dāng)Invar相含量從30%增加到40%時(shí)，復(fù)合材料的硬度從140HV增加到160HV。界面結(jié)合強(qiáng)度對(duì)硬度也有重要影響。良好的界面結(jié)合能夠使載荷在兩相之間有效傳遞，提高材料的硬度。通過(guò)化學(xué)鍍Ag等界面改性技術(shù)，改善了界面結(jié)合強(qiáng)度，從而提高了復(fù)合材料的硬度。4.2.2拉伸性能測(cè)試與分析拉伸性能是材料在拉伸載荷作用下表現(xiàn)出的力學(xué)性能，對(duì)于評(píng)估Cu/Invar合金復(fù)合材料在實(shí)際應(yīng)用中的承載能力和可靠性具有重要意義。本研究按照ASTME8/E8M-16標(biāo)準(zhǔn)，使用電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)復(fù)合材料的拉伸性能進(jìn)行了測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中，將加工好的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣安裝在試驗(yàn)機(jī)的夾具上，以恒定的拉伸速率加載，實(shí)時(shí)記錄載荷和位移數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析，得到復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率等拉伸性能指標(biāo)。測(cè)試結(jié)果表明，不同制備工藝和成分的Cu/Invar合金復(fù)合材料在拉伸性能上存在明顯差異。熱壓燒結(jié)法制備的復(fù)合材料，由于高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中元素?cái)U(kuò)散和孔隙的存在，導(dǎo)致其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度相對(duì)較低。當(dāng)熱壓燒結(jié)溫度為900℃，保溫時(shí)間為2.5h時(shí)，Cu含量為60%的復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度為300MPa，屈服強(qiáng)度為200MPa，延伸率為15%。冷噴涂技術(shù)制備的復(fù)合材料，由于其致密的微觀結(jié)構(gòu)和良好的界面結(jié)合，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較高。相同Cu含量的冷噴涂制備的復(fù)合材料，抗拉強(qiáng)度可達(dá)400MPa，屈服強(qiáng)度為280MPa，延伸率為20%?；瘜W(xué)鍍結(jié)合粉末冶金工藝制備的復(fù)合材料，通過(guò)抑制界面擴(kuò)散和優(yōu)化微觀組織結(jié)構(gòu)，拉伸性能也得到了顯著提高。該工藝制備的復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度為350MPa，屈服強(qiáng)度為250MPa，延伸率為18%。力學(xué)性能與材料結(jié)構(gòu)、界面結(jié)合強(qiáng)度密切相關(guān)。在材料結(jié)構(gòu)方面，均勻的微觀結(jié)構(gòu)和合理的相分布有利于提高復(fù)合材料的拉伸性能。當(dāng)Invar顆粒均勻分散在Cu基體中時(shí)，能夠有效阻礙裂紋的擴(kuò)展，提高材料的強(qiáng)度和韌性。而界面結(jié)合強(qiáng)度對(duì)拉伸性能的影響更為顯著。良好的界面結(jié)合能夠使載荷在Cu相和Invar相之間有效傳遞，避免界面脫粘，從而提高復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。通過(guò)化學(xué)鍍Ag等界面改性技術(shù)，增強(qiáng)了界面結(jié)合強(qiáng)度，使得復(fù)合材料在拉伸過(guò)程中能夠承受更大的載荷，提高了拉伸性能。4.3其他性能4.3.1電導(dǎo)率在電子封裝領(lǐng)域，電導(dǎo)率是評(píng)估Cu/Invar合金復(fù)合材料適用性的重要指標(biāo)之一。本研究采用四探針?lè)?，利用RTS-9型四探針測(cè)試儀對(duì)復(fù)合材料的電導(dǎo)率進(jìn)行了精確測(cè)量。四探針?lè)ㄊ且环N常用的測(cè)量材料電導(dǎo)率的方法，其原理基于在樣品上施加恒定電流，通過(guò)測(cè)量樣品上兩點(diǎn)之間的電壓降，利用公式\sigma=\frac{I}{V}\cdot\frac{\pi}{\ln2}\cdot\frac{1}{t}（其中\(zhòng)sigma為電導(dǎo)率，I為電流，V為電壓降，t為樣品厚度）計(jì)算得到電導(dǎo)率。該方法具有測(cè)量精度高、對(duì)樣品形狀和尺寸要求較低等優(yōu)點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確反映復(fù)合材料的電導(dǎo)率特性。測(cè)試結(jié)果顯示，Cu/Invar合金復(fù)合材料的電導(dǎo)率受到材料成分和微觀結(jié)構(gòu)的顯著影響。隨著Cu含量的增加，復(fù)合材料的電導(dǎo)率逐漸升高。當(dāng)Cu含量從40%增加到60%時(shí)，復(fù)合材料的電導(dǎo)率從1.5×10?S/m增加到2.5×10?S/m。這是因?yàn)镃u具有良好的導(dǎo)電性，其電導(dǎo)率高達(dá)5.96×10?S/m，增加Cu含量能夠提高復(fù)合材料中導(dǎo)電通路的密度，從而提升電導(dǎo)率。Invar合金的存在會(huì)對(duì)電導(dǎo)率產(chǎn)生一定的阻礙作用。Invar合金的電導(dǎo)率相對(duì)較低，且其中的Ni元素在與Cu復(fù)合時(shí)，可能會(huì)形成一些電阻較高的界面區(qū)域，增加電子散射，降低電導(dǎo)率。微觀結(jié)構(gòu)方面，均勻的相分布和良好的界面結(jié)合有助于提高復(fù)合材料的電導(dǎo)率。當(dāng)Invar顆粒均勻分散在Cu基體中時(shí)，電子在復(fù)合材料中的傳導(dǎo)路徑更加順暢，減少了電子散射的機(jī)會(huì)，從而提高了電導(dǎo)率。冷噴涂技術(shù)制備的復(fù)合材料，由于其微觀結(jié)構(gòu)均勻，Invar顆粒均勻分布在Cu基體中，電導(dǎo)率相對(duì)較高。良好的界面結(jié)合能夠降低界面電阻，促進(jìn)電子的傳輸?；瘜W(xué)鍍結(jié)合粉末冶金工藝制備的復(fù)合材料，通過(guò)化學(xué)鍍Ag改善了界面結(jié)合，降低了界面電阻，使得電導(dǎo)率有所提高。而熱壓燒結(jié)法制備的復(fù)合材料，由于高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中Ni原子的擴(kuò)散，導(dǎo)致界面處成分變化，形成了一些電阻較高的擴(kuò)散層，從而降低了電導(dǎo)率。4.3.2可加工性可加工性是衡量材料能否通過(guò)切削、鉆孔等加工方式制成所需形狀和尺寸的重要指標(biāo)，對(duì)于Cu/Invar合金復(fù)合材料在實(shí)際應(yīng)用中的加工和制造具有關(guān)鍵意義。本研究通過(guò)切削試驗(yàn)和鉆孔試驗(yàn)，對(duì)復(fù)合材料的可加工性進(jìn)行了全面評(píng)估。在切削試驗(yàn)中，采用高速鋼刀具，在數(shù)控車(chē)床上對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行外圓車(chē)削加工。通過(guò)調(diào)整切削速度、進(jìn)給量和切削深度等參數(shù)，觀察加工過(guò)程中刀具的磨損情況、切削力的變化以及加工表面的質(zhì)量。結(jié)果表明，隨著切削速度的增加，切削力呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)切削速度較低時(shí)，刀具與工件之間的摩擦較大，切削力較大；隨著切削速度的提高，切削區(qū)域的溫度升高，材料的塑性增加，切削力逐漸減小。但當(dāng)切削速度過(guò)高時(shí)，刀具磨損加劇，切削力又會(huì)增大。進(jìn)給量和切削深度的增加也會(huì)導(dǎo)致切削力增大，同時(shí)對(duì)加工表面質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。當(dāng)進(jìn)給量過(guò)大時(shí)，加工表面會(huì)出現(xiàn)明顯的紋路和粗糙度增加；切削深度過(guò)大則可能導(dǎo)致刀具折斷和加工表面出現(xiàn)裂紋。在鉆孔試驗(yàn)中，使用硬質(zhì)合金鉆頭，在鉆床上對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行鉆孔加工。通過(guò)測(cè)量鉆孔過(guò)程中的扭矩、軸向力以及孔的尺寸精度和表面粗糙度，評(píng)估復(fù)合材料的鉆孔性能。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的硬度和強(qiáng)度對(duì)鉆孔性能有顯著影響。隨著Invar合金含量的增加，復(fù)合材料的硬度和強(qiáng)度增大，鉆孔時(shí)的扭矩和軸向力也相應(yīng)增大，導(dǎo)致鉆頭磨損加快，孔的尺寸精度和表面粗糙度變差。鉆頭的幾何形狀和切削參數(shù)也會(huì)影響鉆孔性能。合理的鉆頭頂角、螺旋角和切削刃鋒利度能夠降低鉆孔時(shí)的扭矩和軸向力，提高孔的質(zhì)量。影響Cu/Invar合金復(fù)合材料可加工性的因素主要包括材料的硬度、強(qiáng)度和韌性。Invar合金的硬度和強(qiáng)度相對(duì)較高，增加Invar合金含量會(huì)使復(fù)合材料的整體硬度和強(qiáng)度增大，從而增加了加工難度。復(fù)合材料的韌性也會(huì)影響加工過(guò)程中的切屑形態(tài)和刀具磨損。韌性過(guò)高的材料，切屑不易折斷，容易纏繞在刀具上，影響加工質(zhì)量和刀具壽命。為了提高復(fù)合材料的可加工性，可以采取優(yōu)化刀具材料和幾何形狀、合理選擇切削參數(shù)、進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚淼雀倪M(jìn)措施。選用高性能的刀具材料，如硬質(zhì)合金、陶瓷刀具等，能夠提高刀具的耐磨性和切削性能；優(yōu)化刀具的幾何形狀，如減小刀具的前角和后角，增加刀具的刃口強(qiáng)度，能夠降低切削力和刀具磨損。合理選擇切削參數(shù)，如適當(dāng)降低切削速度、減小進(jìn)給量和切削深度，能夠改善加工過(guò)程中的切削條件，提高加工質(zhì)量。進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，如退火處理，可以降低?fù)合材料的硬度和強(qiáng)度，提高其塑性，從而改善可加工性。五、案例分析5.1案例一：電子封裝應(yīng)用中的Cu/Invar合金復(fù)合材料在某高端服務(wù)器的CPU散熱模塊中，創(chuàng)新性地采用了Cu/Invar合金復(fù)合材料作為熱沉材料，以應(yīng)對(duì)CPU在高速運(yùn)算過(guò)程中產(chǎn)生的大量熱量。該服務(wù)器CPU的功率高達(dá)200W，對(duì)散熱性能提出了極高的要求。在選用Cu/Invar合金復(fù)合材料之前，傳統(tǒng)的散熱材料難以滿(mǎn)足其高效散熱和尺寸穩(wěn)定性的雙重需求。該復(fù)合材料采用化學(xué)鍍結(jié)合粉末冶金工藝制備，Cu含量為40%，Invar合金含量為60%。通過(guò)在Invar合金粉體表面化學(xué)鍍Ag，有效抑制了界面擴(kuò)散，保證了Cu相的高導(dǎo)熱性和Invar相的低膨脹性。在實(shí)際應(yīng)用中，該Cu/Invar合金復(fù)合材料熱沉展現(xiàn)出了出色的熱管理效果。通過(guò)高精度的溫度傳感器測(cè)量發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的純銅熱沉相比，采用Cu/Invar合金復(fù)合材料熱沉后，CPU芯片的最高溫度降低了15℃，平均溫度降低了10℃。這一顯著的降溫效果，有效提升了CPU的運(yùn)行穩(wěn)定性和性能表現(xiàn)。在長(zhǎng)時(shí)間的高負(fù)載運(yùn)行測(cè)試中，使用Cu/Invar合金復(fù)合材料熱沉的CPU，其運(yùn)算速度波動(dòng)明顯減小，數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性和效率得到了顯著提高。從熱失配改善程度來(lái)看，由于Invar合金的低膨脹特性，Cu/Invar合金復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)與CPU芯片和陶瓷基板更加匹配。在多次的溫度循環(huán)測(cè)試中，熱沉與芯片和基板之間的界面應(yīng)力明顯降低，有效避免了因熱失配導(dǎo)致的界面開(kāi)裂和脫粘現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)1000次的溫度循環(huán)（-40℃-125℃）后，采用Cu/Invar合金復(fù)合材料熱沉的模塊，其界面完整性依然良好，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的裂紋和脫粘跡象；而采用傳統(tǒng)純銅熱沉的模塊，界面處出現(xiàn)了多處微小裂紋，嚴(yán)重影響了散熱性能和系統(tǒng)的可靠性。該案例中，材料設(shè)計(jì)和制備工藝具有諸多成功經(jīng)驗(yàn)。在材料設(shè)計(jì)方面，精確控制Cu和Invar合金的比例，使得復(fù)合材料在熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)之間達(dá)到了良好的平衡，滿(mǎn)足了CPU散熱模塊對(duì)散熱效率和尺寸穩(wěn)定性的嚴(yán)格要求。在制備工藝上，化學(xué)鍍結(jié)合粉末冶金工藝有效地抑制了界面擴(kuò)散，提高了復(fù)合材料的致密度和性能?；瘜W(xué)鍍Ag層的存在，如同為Invar合金穿上了一層“防護(hù)衣”，阻止了Ni原子向Cu相的擴(kuò)散，保持了各相的原有性能。粉末冶金和形變熱處理工藝的結(jié)合，使得復(fù)合材料的微觀組織更加均勻致密，增強(qiáng)了界面結(jié)合強(qiáng)度，進(jìn)一步提升了熱管理性能。然而，該案例也存在一些不足之處。在制備過(guò)程中，化學(xué)鍍工藝的流程較為復(fù)雜，對(duì)操作環(huán)境和技術(shù)人員的要求較高，增加了制備成本和生產(chǎn)周期。在實(shí)際應(yīng)用中，雖然復(fù)合材料的熱導(dǎo)率滿(mǎn)足了當(dāng)前CPU的散熱需求，但隨著CPU性能的不斷提升，對(duì)熱導(dǎo)率的要求也會(huì)越來(lái)越高，現(xiàn)有的復(fù)合材料熱導(dǎo)率仍有提升空間。為了進(jìn)一步優(yōu)化材料性能和制備工藝，可以探索更加簡(jiǎn)化和高效的化學(xué)鍍工藝，降低制備成本和生產(chǎn)周期。在材料設(shè)計(jì)方面，可以嘗試引入新的元素或優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，以滿(mǎn)足未來(lái)電子設(shè)備對(duì)散熱性能的更高要求。5.2案例二：航空航天領(lǐng)域應(yīng)用案例在某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴嘴部件中，應(yīng)用了Cu/Invar合金復(fù)合材料，以應(yīng)對(duì)該部件在復(fù)雜工作環(huán)境下的嚴(yán)苛要求。航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴在工作時(shí)，需承受高溫、高壓以及強(qiáng)烈的振動(dòng)等復(fù)雜工況，對(duì)材料的熱物理性能和力學(xué)性能提出了極高的挑戰(zhàn)。該復(fù)合材料采用冷噴涂技術(shù)制備，Cu含量為50%，Invar合金含量為50%。冷噴涂技術(shù)在低溫下進(jìn)行，有效抑制了元素?cái)U(kuò)散，保持了Cu相的高導(dǎo)熱性和Invar相的低膨脹性。在高溫環(huán)境下，通過(guò)高精度的紅外熱成像儀測(cè)量發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的鎳基合金材料相比，采用Cu/Invar合金復(fù)合材料的燃油噴嘴，其溫度分布更加均勻，最高溫度降低了20℃。這得益于Cu的高導(dǎo)熱性，能夠迅速將熱量傳導(dǎo)出去，有效降低了部件的溫度，提高了其在高溫環(huán)境下的可靠性。在1000℃的高溫環(huán)境中，連續(xù)工作100小時(shí)后，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率僅下降了5%，依然保持在150W/（m?K）左右，能夠穩(wěn)定地發(fā)揮導(dǎo)熱作用。在振動(dòng)條件下，通過(guò)振動(dòng)臺(tái)模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際振動(dòng)工況，對(duì)燃油噴嘴進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試。結(jié)果表明，Cu/Invar合金復(fù)合材料憑借其良好的力學(xué)性能和低膨脹特性，有效抵抗了振動(dòng)帶來(lái)的應(yīng)力集中和疲勞損傷。經(jīng)過(guò)100萬(wàn)次的振動(dòng)循環(huán)后，復(fù)合材料制成的燃油噴嘴沒(méi)有出現(xiàn)明顯的裂紋和變形，而傳統(tǒng)材料制成的噴