การใช้ผงโลหะเพื่อเตรียมวัสดุทองแดงและเพชรที่มีการนำความร้อนสูง

ในด้านต่างๆ เช่น บรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์และการบินและอวกาศ อุปกรณ์กระจายความร้อนที่ทำจากโลหะได้รับการพัฒนามานานหลายทศวรรษ เนื่องจากความหนาแน่นของพลังงานของอุปกรณ์ยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ความต้องการการนำความร้อนของวัสดุบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์จึงสูงขึ้น ด้วยการผสมเพชรที่มีค่าการนำความร้อนสูง (2 200 W/(m·K)) และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ ((8.6±1)×10-7/K) ด้วยโลหะ เช่น ทองแดงและอะลูมิเนียม ทำให้สามารถรวมค่าการนำความร้อนสูงเข้าด้วยกันได้ ซึ่งเป็นวัสดุคอมโพสิต “โลหะ + เพชร” ที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่ปรับได้ รวมถึงคุณสมบัติทางกลและคุณสมบัติการประมวลผลสูง ดังนั้นจึงเป็นไปตามข้อกำหนดที่เข้มงวดของบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ และถือเป็นวัสดุบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์รุ่นที่สี่

ในบรรดาวัสดุโลหะต่างๆ เมื่อเปรียบเทียบกับโลหะอื่นๆ เช่น อลูมิเนียม ทองแดงมีค่าการนำความร้อนสูงกว่า (385~400 W/ (m·K)) และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนค่อนข้างต่ำ (17×10-6/K) เพียงเพิ่มการเสริมแรงเพชรจำนวนเล็กน้อย ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนก็สามารถเทียบได้กับค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวของเซมิคอนดักเตอร์ และง่ายต่อการรับค่าการนำความร้อนที่สูงขึ้น ไม่เพียงแต่สามารถตอบสนองความต้องการที่เข้มงวดของบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบันเท่านั้น แต่ยังทนความร้อน ทนต่อการกัดกร่อน และมีเสถียรภาพทางเคมีได้ดีอีกด้วย สามารถตอบสนองความต้องการของสภาวะการบริการที่รุนแรง เช่น อุณหภูมิสูงและสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อนได้ในระดับที่มากขึ้น เช่น โครงการโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ กรดเบส และสภาพแวดล้อมในบรรยากาศที่แห้ง เปียก เย็น และร้อน

ต้องเตรียมตัวอย่างไร?

ปัจจุบันมีหลายวิธีในการเตรียมวัสดุคอมโพสิตเพชร/ทองแดง เช่น ผงโลหะ การสะสมทางเคมี โลหะผสมเชิงกล การพ่นสเปรย์ การหล่อ ฯลฯ ในบรรดาวิธีการเหล่านี้ โลหะผสมผงได้กลายเป็นหนึ่งในวิธีการเตรียมที่ใช้กันมากที่สุดเนื่องจากความง่าย กระบวนการเตรียมการและประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมของวัสดุคอมโพสิตที่เตรียมไว้ ด้วยวิธีนี้ ผง Cu และอนุภาคเพชรสามารถผสมกันได้อย่างเท่าเทียมกันผ่านการกัดลูกบอล ฯลฯ จากนั้นจึงสามารถใช้การเผาและการขึ้นรูปเพื่อเตรียมวัสดุคอมโพสิตที่มีโครงสร้างจุลภาคที่สม่ำเสมอ เนื่องจากเป็นขั้นตอนที่สำคัญที่สุดในโลหะผสมผง การเผาขึ้นรูปจึงสัมพันธ์กับคุณภาพขั้นสุดท้ายของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป กระบวนการเผาผนึกที่ใช้กันทั่วไปในปัจจุบันใช้ในการเตรียมวัสดุคอมโพสิต Cu/เพชร ได้แก่ การเผาผนึกด้วยความร้อน การเผาด้วยอุณหภูมิสูงและความดันสูง และการเผาผนึกด้วยพลาสมาแบบปล่อย

การเผาผนึกแบบกดร้อน
วิธีการเผาผนึกแบบกดร้อนเป็นวิธีการขึ้นรูปการเชื่อมแบบแพร่ ตามวิธีการดั้งเดิมในการเตรียมวัสดุคอมโพสิต กระบวนการหลักคือการผสมเหล็กเสริมและผงทองแดงให้เท่าๆ กัน ใส่ลงในแม่พิมพ์ที่มีรูปร่างเฉพาะ และวางไว้ในบรรยากาศ สุญญากาศ หรือสภาพแวดล้อมที่มีการป้องกัน ในบรรยากาศ แรงดันจะถูกใช้ในทิศทางแกนเดียวในขณะที่ให้ความร้อน เพื่อให้การขึ้นรูปและการเผาผนึกดำเนินไปพร้อมกัน เนื่องจากผงถูกเผาภายใต้ความดัน ผงจึงมีความลื่นไหลได้ดีและวัสดุมีความหนาแน่นสูง ซึ่งสามารถปล่อยก๊าซที่ตกค้างในผงได้ ทำให้เกิดส่วนต่อประสานที่มั่นคงและแข็งแกร่งระหว่างเพชรและทองแดง ปรับปรุงความแข็งแรงในการยึดเกาะและคุณสมบัติทางอุณหฟิสิกส์ของวัสดุคอมโพสิต

การเผาผนึกด้วยอุณหภูมิสูงพิเศษและการเผาด้วยความดันสูง
วิธีแรงดันสูงและอุณหภูมิสูงพิเศษมีกลไกคล้ายกับวิธีการเผาซินเทอร์แบบกดร้อน ยกเว้นว่าแรงดันที่ใช้จะมีมากกว่า โดยทั่วไปคือ 1-10 GPa ด้วยอุณหภูมิและความดันที่สูงขึ้น ผงผสมจะถูกเผาอย่างรวดเร็วและก่อตัวในเวลาอันสั้น
การเผาผนึกด้วยพลาสมาแบบประกายไฟ
การเผาผนึกด้วยพลาสมาแบบประกายไฟ (SPS) จะส่งกระแสพัลส์พลังงานสูงไปยังผง และใช้แรงดันบางอย่างเพื่อทำให้เกิดการคายประจุระหว่างอนุภาคเพื่อกระตุ้นพลาสมา อนุภาคพลังงานสูงที่เกิดจากการปล่อยประจุจะชนกับพื้นผิวสัมผัสระหว่างอนุภาค ซึ่งสามารถกระตุ้นพื้นผิวของอนุภาคได้ บรรลุการเผาผนึกด้วยความหนาแน่นที่รวดเร็วเป็นพิเศษ
โลหะวิทยาแบบผงได้กลายเป็นหนึ่งในวิธีการเตรียมที่ใช้กันมากที่สุด เนื่องจากมีขั้นตอนการเตรียมที่เรียบง่ายและประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมของวัสดุคอมโพสิตที่เตรียมไว้