同步实现石墨/铜接头中的热传输增强与残余应力缓解——通过碳化钨涂层金刚石增强活性钎料

《CARBON》：Concurrent thermal transport reinforcement and residual-stress mitigation in graphite/Cu joints though a WC-coated diamond reinforced active filler

　　

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  金刚石@碳化钨增强的Ag-Cu-In-Ti钎料能够实现石墨/Cu接头的有效界面结合。
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  20 vol.%金刚石@碳化钨将石墨/Cu接头的有效热导率提升至230 W/m·K。
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  使用复合钎料获得的接头剪切强度为27 MPa，与Ag-Cu-In-Ti钎料相比提高了59%。
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  最佳的增强体添加量平衡了热传输和接头强度。

引言

在高强度重离子加速器设施（HIAF）中，束流收集器是辐射防护系统的关键组件，通常由石墨吸收体与铜散热壳体连接而成[1]，[2]，[3]。对于该组件，石墨/Cu接头必须同时提供可靠的界面结合和有效的热传输，以防止服役期间局部热量积聚[4]。活性金属钎焊（AMB）是连接石墨与金属的重要方法，因其工艺相对简单且接头可靠性高[5]，[6]，[7]，[8]，[9]，[10]。然而，石墨和Cu的热膨胀系数（CTE）存在显著差异。多晶石墨的CTE约为(0.6-5.9) × 10^-6 K^-1，并因制备方法不同而略有变化[11]，[12]，[13]，而Cu的CTE约为17 × 10^-6 K^-1（30-200 °C）[14]。在AMB工艺冷却过程中，这种热失配容易在接头中产生高残余应力，从而降低接头性能。因此，残余应力缓解和热传输增强仍是石墨/Cu接头钎焊中的两个关键问题。

接头中的残余应力主要受基体弹性模量、钎焊温度和连接材料之间的CTE差控制[15]，[16]。由于基体的本征热膨胀行为和弹性模量难以大幅改变，降低钎焊温度是减少残余应力的直接方法。降低钎焊温度的常见策略是在活性钎料体系中引入低熔点元素[17]，[18]，[19]。例如，将In掺入传统的Ag-Cu-Ti钎料中，开发出熔点显著降低的Ag-Cu-In-Ti钎料合金，能够在较低温度下进行钎焊，同时保持足够的界面润湿性和化学反应活性[20]，[21]。然而，对于石墨/Cu接头，仅降低钎焊温度往往不足以消除因两种基体CTE差异较大而产生的相对较高残余应力。另一种有效策略是在钎料体系中引入低CTE增强相或中间层。掺入陶瓷颗粒（如BN、SiC、B₄C或WC [22]，[23]，[24]，[25]，[26]）或使用金属中间层，可以在接头上建立更渐进的CTE过渡[27]，[28]，从而减少热应力集中，提高钎焊接头的可靠性。

从热管理角度来看，束流收集器组件对石墨/Cu接头的热传输能力提出了严格要求。尽管石墨和Cu本身具有高热导率[各向同性多晶石墨块通常为100-1800 W/(m·K)，室温下Cu约为400 W/(m·K)]，但钎焊焊缝通常成为热瓶颈，因为其热导率显著低于基体。因此，改善钎焊焊缝的热传递对于提高接头整体热性能至关重要。在各种碳材料中[29]，[30]，金刚石具有高达2200～2400 W/(m·K)的超高热导率，是改善散热的理想候选材料。因此，金刚石颗粒增强的Cu基复合材料已被广泛研究用于先进热管理应用[31]，[32]，[33]，[34]，[35]。然而，其热性能强烈依赖于颗粒尺寸和金刚石与Cu基体之间的界面结合。金刚石颗粒的表面金属化，如W或Cr涂层，已被证明能够增强界面相容性，降低界面热阻，并建立更有效的热传导路径[36]，[37]，[38]。这些发现表明，将涂层金刚石颗粒掺入活性钎料中，为同时提高石墨/Cu接头的热传输能力和结构可靠性提供了有前景的途径。然而，涂层金刚石颗粒对石墨/Cu钎焊接头中的界面反应、微观组织演变和热传输机制的影响仍大多未被探索。

石墨/Cu结构的散热原理如图1所示。在运行期间，石墨被入射离子束加热，产生的热量有效传递到Cu散热器，在那里进行散热以维持组件的热稳定性。基于上述考虑，设计了一种用碳化钨涂层金刚石（金刚石@碳化钨）颗粒增强的Ag-Cu-In-Ti活性钎料，以同时实现石墨/Cu接头的低CTE和高有效热导率。采用低熔点Ag-Cu-In-Ti基体来降低钎焊温度和热失配，同时引入金刚石@碳化钨颗粒以增强热传输并调控钎焊焊缝的热膨胀行为。本报告研究了金刚石@碳化钨颗粒对石墨/Cu接头的微观组织演变、界面反应、力学性能和有效热导率的影响。此外，进行了热传输建模和有限元模拟，以揭示接头中的热传输特性和残余应力分布，为石墨/Cu钎焊接头中热应力和热传输的协同调控提供了基础性见解。

章节片段

实验方法

高强度石墨（密度：1.9 g cm^-3；剪切强度：21 ± 2 MPa）和商用纯Cu（纯度≥ 99.9 wt.%；抗拉强度：280 MPa）作为基体。采用标称成分为Ag_43.6Cu_29.1In_24.3Ti₃（wt.%）的活性钎焊粉末（长沙天久金属材料有限公司，中国）作为基体钎料。采用标称颗粒尺寸为50 μm的金刚石颗粒（W50等级，河南振轩超硬材料有限公司，中国）作为增强体

金刚石@碳化钨增强Ag-Cu-In-Ti钎料的形成与微观组织

金刚石@碳化钨颗粒的微观组织和相组成如图3所示。图3a-e显示了在不同熔盐条件下制备的金刚石@碳化钨颗粒的微观组织。涂层颗粒保留了金刚石原有的十二面体形貌，表明熔盐工艺未造成明显的形貌退化。在1000-1100 °C下获得了部分WC涂层，而在1200 °C保温1 h时形成了几乎连续的涂层。致密且

结论

采用20 vol.%金刚石@碳化钨增强的Ag-Cu-In-Ti活性复合钎料，成功制备了同时增强机械可靠性和热传输能力的石墨/Cu接头。主要结论总结如下：

• (1)
  在740 °C钎焊10 min期间，获得了致密、无缺陷且冶金结合良好的接头。钎焊焊缝主要由富Cu固溶体、Ag-Cu共晶、Cu₇In₃以及连续的TiC反应层组成，该反应层位于

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刘春峰：监督，项目管理。 王书政：写作 – 审阅与编辑。 何宗靖：写作 – 审阅与编辑，验证。 甄玉阳：写作 – 初稿，方法学，调查，数据管理。 韩杰：软件。 孙良波：写作 – 初稿，资金获取，正式分析，概念化。 张杰：写作 – 审阅与编辑，可视化，资源，资金获取

利益冲突声明

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致谢

作者感谢国家自然科学基金（No. 52402071和52371024）的资助。孙良波感谢中国奖学金委员会（CSC，No. 202506120261）提供的资金支持。

孙良波|甄玉阳|韩杰|王书政|何宗靖|刘春峰|张杰